Polariser la lumière à très petite échelle grâce aux vortex plasmoniques

Résultat scientifique Micro et nanotechnologies

Phénomène optique aux multiples applications, la polarisation de la lumière passe par l’utilisation de composants macroscopiques tels que des lames de cristaux biréfringents. Afin de descendre à plus petites échelles et d’obtenir de nouvelles possibilités de maîtrise de la polarisation, des chercheurs de l’institut FEMTO-ST ont conçu des nano-antennes hélicoïdales en carbone recouvertes d’or. Selon ces travaux publiés dans la revue Light Science and Applications, ces antennes peuvent être combinées et permettre de nouvelles possibilités dans le contrôle de la polarisation de la lumière.

Les ondes lumineuses possèdent une direction de propagation, mais aussi une orientation de leur ondulation. La polarisation de la lumière consiste à privilégier une orientation particulière de l’ondulation, un phénomène généralement obtenu en faisant passer la lumière au travers d’une fine lame de cristal biréfringent. Or ce système reste relativement rigide et se miniaturise mal. Des chercheurs de l’Institut FEMTO-ST (CNRS/Université Technologique Belfort-Montbéliard/Université de Franche-Comté/ENSMM) ont conçu une nano-antenne capable non seulement de manipuler l’état de polarisation de la lumière à très petite échelle, mais offre également un contrôle inédit de l’opération.

Leur dispositif miniature est formé du couplage d’une nano-hélice en carbone, recouverte d’une fine couche d’or, à une nano-ouverture creusée dans un film d’or déposé sur un substrat de verre (dispositif réalisé dans la salle blanche MIMENTO qui fait partie du réseau RENATECH coordonné par le CNRS). Une illumination de la nano-ouverture par le dessous, à travers le substrat, provoque une oscillation collective des électrons libres du métal, ce qui aboutit à l’excitation d’états très confinés de la lumière appelés plasmons. En se propageant le long de l’hélice, les plasmons ainsi générés prennent la forme d’un vortex (un tourbillon) qui se convertit en bout d’hélice, de façon contrôlable et accordable, en un faisceau lumineux directif polarisé circulairement ou elliptiquement selon l’enroulement de la nanostructure. En disposant ces nano-antennes sur une surface de quelques micromètres au carré, les chercheurs contrôlent la polarisation lumineuse à la carte, selon des règles non permises par les optiques de polarisation conventionnelles, telles que les lames de cristaux biréfringents. 

Image retirée.
© FEMTO-ST
Nano-antennes hélicoïdales vues au microscope électronique à balayage. Chaque hélice, en carbone recouvert d’or, est couplée à une nano-ouverture rectangulaire gravée dans une couche d’or déposée sur un substrat en verre. Insert : image au microscope optique du rayonnement lumineux de la structure (aux longueurs d’onde 1500 nm).

Références :

M. Wang, R. Salut, H. Lu, M-A. Suarez, N. Martin and T. Grosjean. Subwavelength polarization optics via individual and coupled helical traveling-wave nanoantennas. Light: Sci. Appl., 2019, 8 (76), pp 1-8

DOI : 10.1038/s41377-019-0186-2

 

Contact

Communication INSIS
Thierry Grosjean
FEMTO-ST