Advances in Electromagnetic Reciprocal and Nonreciprocal Bianisotropic Metasurfaces

Les métasurfaces électromagnétiques sont de minces structures artificielles composées d'un arrangement de particules conçues pour produire des propriétés électromagnétiques qui ne sont pas présentes naturellement dans les matériaux conventionnels. Au cours des dernières années, les métasurface ont démontré leur capacité sans précédent à contrôler les ondes électromagnétiques. En effet, il a été démontré que les métasurfaces permettent le contrôle de différents aspects fondamentaux des ondes électromagnétiques comme la polarisation, la direction de propagation, la phase, l'amplitude et la forme des faisceaux. Les métasurfaces étant des structures électromagnétiquement minces, elles peuvent être modélisées comme étant une discontinuité électromagnétique dans l'espace ayant une épaisseur nulle. Sous cette approximation, une généralisation des conditions aux limites conventionnelles qui incluent des courants de polarisation de surface, appelées les Generalized Sheet Transition Conditions (GSTCs), peuvent être utilisées pour modéliser les métasurfaces. Les GSTCs permettent de modéliser non seulement des réponses électriques et magnétiques, mais aussi des réponses électro-magnétiques/magnéto-électriques correspondant à de la bianisotropie. Cette modélisation bianisotropique des métasurfaces est essentielle puisqu'au cours des dernières années, il a été démontré que de nombreuses opérations fondamentales pouvant être effectuées par des métasurfaces nécessitent la présence de réponses bianisotropes pour être réalisées de manière pleinement efficace. Dans cette thèse, nous présentons des avancées liées aux métasurfaces bianisotropes réciproques et non-réciproques. Dans la première partie, nous étudions le contrôle de la réfraction à l'aide de métasurfaces bianisotropes passives et réciproques. Les premières métasurfaces conçues pour contrôler la réfraction à l'aide de l'approche du gradient de phase avaient des problèmes pour de grands angles de réfraction en raison de l'excitation d'ordres de diffraction indésirables ce qui limitait leur efficacité. Heureusement, il a récemment été démontré théoriquement qu'inclure des réponses bianisotropes permettrait de concevoir des métasurfaces réfractives pour des grands angles avec une efficacité maximale. Dans ce travail, nous présentons la modélisation mathématique, la conception, la simulation et la démonstration expérimentale de métasurfaces bianisotropes réalisant la réfraction à grands angles sans ordres de diffraction indésirables, et donc avec une efficacité optimale. Par la suite, nous étudions la généralisation, avec l'utilisation de métasurfaces bianisotropes, d'un phénomène fondamental lié à la réfraction: l'effet de Brewster.

Abstract

Electromagnetic metasurfaces are subwavelengthly thin artificial structures composed of an arrangement of engineered scattering particles that exhibit electromagnetic properties that are beyond those conventionally found in nature. Metasurfaces have been shown to offer an unprecedented control of electromagnetic waves and can be seen as general purpose electromagnetic wave transformers. Indeed, they have been shown to enable the control of fundamental properties of electromagnetic waves such as the polarization, propagation direction, phase, amplitude and beam shapes of electromagnetic waves. Metasurfaces being electromagnetically thin structures can be modelled as a zero-thickness electromagnetic discontinuity in space. Under this approximation, a generalization of conventional boundary conditions that include surface polarization currents called the Generalized Sheet Transition Conditions (GSTCs) can be used to model, synthesize and analyze metasurfaces. The GSTCs allow the modeling of not only electric and magnetic responses, but also electro-magnetic/magneto-electric responses corresponding to bianisotropy. This bianisotropic modelling is critical since, in recent years, many fundamental metasurface operations have been shown to require bianisotropy to be realized fully efficiently. In this thesis, we present advances related to both reciprocal and nonreciprocal bianisotropic metasurfaces. In the first part, we investigate the control of refraction with reciprocal and passive bianisotropic metasurfaces. Initial metasurfaces realizing generalized refraction designed with the phase gradient approach had issues for large-angle refraction due to the excitation of undesired diffraction orders and hence limited efficiency. Fortunately, recent theoretical derivations have shown that metasurfaces with bianisotropic responses could realize fully efficient large-angle refraction. In this work, we present the mathematical modelling, design, full-wave simulations and experimental demonstration of bianisotropic metasurfaces realizing large-angle refraction without the excitations of undesired diffraction orders, and hence with optimal efficiency. We next investigate the generalization, with the use of bianisotropic metasurfaces, of a fundamental phenomenon related to refraction: the Brewster effect. The conventional Brewster effect consists on the vanishment of the p-polarized reflection at a dielectric interface at a specific angle that depends on the refractive indexes of both media. In this work, we generalize the Brewster effect to arbitrary angle and polarization by inserting properly designed bianisotropic metasurfaces at the interface between the two media. The mathematical modeling of the metasurfaces, design of the scattering particles at microwave frequencies and full-wave simulations are presented.