Soutenance de thèse de Rémi COLOM

La nanophotonique est l'étude de l'interaction de la lumière avec des structures à l'échelle nanométrique. A une telle échelle, les structures peuvent présenter un comportement résonant car leur taille est proche de la longueur d'onde de la lumière visible. Ce comportement résonant peut exalter les interactions lumière-matière et pourrait donc être bénéfique pour d'innombrables applications touchant à la biologie, au photovoltaïque et même pour des méthodes de thérapie contre le cancer. C’est pour cette raison que les résonateurs plasmoniques , contitués de métaux nobles, sont depuis longtemps un sujet d’intérêt car ils peuvent interagir de manière résonant avec la lumière. Les résonateurs sub-longueurs d'indice de réfraction élevés constitués de diélectriques ou de semi-conducteurs (silicium par exemple) sont récemment apparus comme un autre moyen prometteur d'exalter les interactions lumière-matière par l'excitation des résonances de Mie tout en présentant moins de pertes par dissipation que les résonateurs plasmoniques. Les travaux présentés dans le cadre de cette thèse portent principalement sur l'étude théorique et expérimentale de l'interaction résonnante entre la lumière et les diffuseurs à indice de réfraction élevé. Nous avons d'abord étudié les interactions optimales de la lumière avec les diffuseurs résonants sub-longueur d'onde. L'objectif était en fait de déterminer les conditions qui optimisent la diffusion ou l'absorption de la lumière par des diffuseurs sub-longueur d'onde. Des conditions de résonance asymptotiques pour les résonateurs de Mie ont ensuite été déterminées et ont été utilisées pour calculer des modèles approximatifs capables de prédire le comportement résonant des résonateurs diélectriques à haut indice. Les résonateurs à haut indice de réfraction peuvent être vu comme des cavités photoniques ouvertes. Les modes de ce type de cavités, qui ont seulement une durée de vie limitée car ils souffrent de pertes radiatives, sont généralement appelés Quasi Normal Modes (QNM). En utilisant des expansions en termes de pôles de la matrice S associées à des diffuseurs à indice de réfraction élevé, nous avons déterminé des développement en terme de QNM du champ diffusé par des résonateur. Nous avons ensuite montré comment les expansions en terme de QNM pouvaient être utilisées pour décrire le problème de diffusion dans le domaine temporel. Enfin, nous avons réalisé une étude expérimentale des effets d’optique non-linéaires dans des nanodisques de silicium. Nous avons en particulier mesuré le signal de mélange à quatre ondes dégénéré (degenerate four-wave mixing) obtenu en pompant à deux longueurs d'onde différentes. Une nette exaltation du signal de Four-wave mixing provenant des nanodisques a pu être obervée par rapport à un film mince de silicium uniforme lorsque les deux longueurs d'onde de pompe étaient proches des longueurs d'onde de deux résonances du nanodisque.

Nanophotonics is the study of the interaction of light with nanometer scale structures. At such a scale, structures may exhibit a resonant behavior as their size is close to the wavelength of visible light. This resonant behavior enhances light-matter interactions and could therefore be beneficial for countless applications ranging from biosensing, light harvesting to even cancer therapy. Plasmonic resonators have consequently been of interest to the scientific community because of their resonant interaction with light. This is due to the excitation of resonant electron collective oscillations in subwavelength scatterers made from noble metals. High refractive index subwavelength resonators made of dielectrics or semi-conductors (silicon for instance) have also recently emerged as a promising way of enhancing light-matter interactions through the excitation of Mie resonances while suffering from less dissipative losses than plasmonic resonators. The work presented in the scope of this thesis is mostly concerned with the theoretical and experimental study of the resonant interaction between light and high refractive-index scatterers. We first studied the optimal interactions of light with subwavelength resonant scatterers. The objective was in fact to determine the conditions that optimize the scattering or absorption of light by subwavelength sized scatterers. Asymptotic resonance conditions for Mie resonators were subsequently determined and were used to derive approximate models capable of predicting the resonant behavior of high-index dielectric resonators. High-refractive index resonators can be seen as open photonic cavities. The modes of this type of cavities, that only have a finite lifetime as they suffer from radiative losses, are usually referred to as Quasi Normal Modes (QNM). Using pole expansions of the S matrix associated with high refractive index scatterers, we derived QNM expansions of the scattered field of Mie resonators that also evidenced the presence of a non-resonant response. We then showed how QNM expansions could be used to describe the scattering problem in the time domain. Finally, we experimentally studied nonlinear effects in silicon nanodisks. In particular, we measured the degenerate four-wave mixing signal obtained while pumping at two different wavelengths. We observed a large enhancement of the four-wave mixing signal from the nanodisks as compared to an unpatterned silicon thin film when the two pump wavelengths were close to the wavelengths of two resonances of the nanodisk.