Synthesis and Applications of Electromagnetic Metasurfaces

Les métasurfaces électromagnétiques sont des structures bidimensionnelles d'épaisseur fine par rapport à la longueur d'onde d'opération. Elles sont utilisées pour contrôler la diffusion d'ondes électromagnétiques. De telles structures sont conventionnellement composées d'un arrangement périodique de particules diffusantes, de taille plus petite que la longueur d'onde. Ces particules sont conçues de façon à contrôler l'amplitude, la phase, la polarisation et la direction de propagation des ondes réfléchies et transmises par les métasurfaces, lorsque celles-ci sont illuminées par une onde incidente spécifique. L'idée de contrôler la lumière avec des structures d'épaisseur fine n'est pas nouvelle et existe depuis bien longtemps. Cependant, la compréhension mathématique et physique, ainsi que les capacités technologiques requises pour fabriquer ce genre de structures complexes, particulièrement celles qui réalisent un contrôle avancé du champ électromagnétique, n'ont été essentiellement disponibles que depuis les dix dernières années. En outre, malgré les progrès récents, il y a un manque crucial d'une méthode de synthèse, qui soit à la fois rigoureuse et universelle, et qui permette de traiter n'importe quel type de transformation électromagnétique. Il s'ensuit que l'objectif principal de ce travail est de développer un cadre général de synthèse pour l'implémentation mathématique et pratique de métasurfaces, indépendamment de la transformation électromagnétique prescrite. Cette thèse présente une discussion détaillée de la synthèse mathématique de métasurfaces, qui est basée sur des conditions aux limites rigoureuses s'appliquant à des interfaces d'épaisseur nulle. La procédure de synthèse est un problème inverse qui fournit les susceptibilités des métasurfaces en fonction des transformations électromagnétiques spécifiées. Dans ce travail, nous considérons le cas général de métasurfaces bianisotropes possédant des termes de susceptibilités à la fois tangentiels et normaux. La procédure de synthèse est alors séparée en plusieurs cas particuliers, avec un ordre croissant de complexité, qui sont chacun traités de manière individuelle. En plus de cela, la méthode de synthèse a également été étendue afin de prendre en compte le cas de susceptibilités monoisotrope non-linéaire de second ordre. La synthèse mathématique de métasurfaces est illustrée de manière théorique et numérique avec plusieurs exemples qui incluent notamment le design de rotateurs de polarisation réciproques et non-réciproques, ainsi que des transformateurs d'ondes multiples. Une discussion détaillée sur la théorie fondamentale des métasurfaces réfractives est également proposée. Elle décrit différentes configurations de susceptibilités qui permettent de réaliser une transformation réfractive.