Theory and simulation in nanophotonics : non-locality in photonic nanostructures
Théorie et simulation en nanophotonique : non-localité dans les nanostructures métalliques
Résumé
This manuscript is mainly focused on the influence of repulsion between free electrons on the optical response of metals. Classical material models consider that the metallic response is local -- i.e. that the response at a given point only depends on the fields at this point. Taking into account the repulsion between electrons leads to a so-called non-local description of the metalic response. This thesis explores in a theoritical and numerical way the effects of non-locality on the optical properties of metallo-dielectric nanostructures in the visible and near infrared. Using a hydrodynamical model it is shown that, suprisingly, the modes of plasmonic gaps can be sensitive to non-locality for thicknesses of several tens of nanometers. It is also shown that the surface plasmon itself can be sensitive to non-locality provided that an interface between a metal and a sufficiently high refractive index dielectric is considered. We propose and study here several simple and realictic setups (prism and grating couplers) which would allow to experimentally observe the impact of non-locality and which have characteristic scales of tens or even hundreds of nanometers. Finally, in a second part of the manuscript, the formalism and numerical considerations necessary for the study of a dipole radiation in a multi-layered structure are presented in detail and then validated thanks to comparisons of Green dyadics, radiation diagrams, and emission rates with cases avaible in the literature.
Ce manuscrit s’intéresse principalement à l'influence de la répulsion entre électrons libres sur la réponse optique des métaux. Les modèles de matériaux classiques considèrent que la réponse d'un métal est locale -- c'est à dire que la réponse en un point dépend exclusivement des champs en ce point. La prise en compte de la répulsion entre électrons conduit à adopter une description dite non locale de la réponse métallique. Cette thèse explore de façon théorique et numérique les effets de la non-localité sur les propriétés optiques de nanostructures métallo-diélectriques dans le visible et le proche infra-rouge. A l'aide d'un modèle hydrodynamique il est montré que, de façon surprenante, les modes d'interstices plasmoniques peuvent être sensible à la non-localité pour des épaisseurs de plusieurs dizaines de nanomètres. Il est également montré que le plasmon de surface lui même peut être sensible à la non-localité à condition de considérer une interface entre le métal et un diélectrique d'indice suffisamment élevé. Nous proposons et étudions (théoriquement) ici plusieurs configurations simples et réalistes (coupleurs à prisme et à réseaux) pour la mise en évidence expérimentale de la non-localité sur des structures dont les échelles caractéristiques sont de l'ordre de plusieurs dizaines ou centaines de nanomètres. Enfin, dans une seconde partie du manuscrit, le formalisme et les considérations numériques nécessaires à l'étude du rayonnement d'un dipôle dans une structure multi-couche sont présentés en détail puis validés grâce à des comparaisons de dyadiques de Green, diagrammes de rayonnement, et taux d'émission avec des cas disponibles dans la littérature.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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