Réfléchir la lumière avec une toile de nanofils

19 décembre 2012

LPN - UPR 20 , Diffraction , LCFIO - UMR 8501 , nanostructures , photonique , lumière

Un unique plan de diffuseurs, très petits devant la longueur d’onde de la lumière et espacés les uns des autres, peut suffire pour réfléchir quasiment 100% de la lumière incidente dans une fenêtre spectrale facilement ajustable !


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Un ensemble de diffuseurs régulièrement espacés dans les trois directions de l’espace, par exemple un cristal, renvoie la lumière de manière très efficace dans certaines directions bien précises. Ce phénomène résulte des interférences entre les ondes renvoyées par chacun des diffuseurs individuels. Il était jusqu’à présent admis que cette diffusion n’était efficace que lorsqu’une quantité suffisante de matière est mise en jeu : cristal massif pour la diffraction de Bragg ou surface structurée pour les réseaux optiques. Ce n’est pourtant pas toujours le cas. Des physiciens du Laboratoire de Photonique et de Nanostructures - LPN (CNRS) et de l’ONERA (DOTA) viennent de réaliser un objet très ténu, quasiment transparent à toutes les longueurs d’onde, à l’exception d’une étroite bande spectrale dans laquelle elle devient opaque. Il s’agit d’une toile composée de barreaux diélectriques dont le diamètre est de 500 nm, espacés de 3 μm, et suspendus dans le vide. La "fenêtre spectrale" peut être ajustée en tournant l’échantillon, c’est-à-dire l’angle d’incidence de la lumière. Ce travail fait l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letters.

Pour réaliser cette « toile photonique » les physiciens ont déposé sur un substrat de silicium une membrane de nitrure de silicium, un matériau transparent dans l’infrarouge, qu’ils ont ensuite gravé sur un carré de 2,5 mm de côté ne laissant que des barreaux de section carrée d’un demi micromètre de côté et placés tous les 3 micromètres. Pour assurer la tenue mécanique de la membrane, des barreaux perpendiculaires espacés de 20 micromètres ont été ajoutés. Cette toile a ensuite été éclairée avec du rayonnement infrarouge dans la gamme 3-5,5 micromètres. Pour un angle bien précis, aucune lumière n’est transmise. En outre, si les barreaux sont formés d’un matériau légèrement absorbant, cette absorption est démultipliée, pouvant atteindre jusqu’à 50% de la lumière incidente, c’est-à-dire 25 fois plus qu’un film plein du même matériau et de même épaisseur. Ces propriétés ouvrent de nouvelles perspectives pour renforcer l’interaction lumière-matière, par exemple pour des applications de spectroscopie de molécules ou de gaz autour des barreaux, ou dans des expériences d’opto-mécanique qui visent au contrôle optique de modes mécaniques d’objets de très faible masse dans le régime quantique.

: Photographie d’un réseau suspendu de nano-barreaux au microscope électronique à balayage (MEB).

: Photographie d’un échantillon fixé sur le banc de mesure. Les membranes semi-transparentes sont fabriquées dans des fenêtres percées dans un substrat de silicium.

En savoir plus

Optical Extinction in a Single Layer of Nanorods, P. Ghenuche^1,2, G. Vincent², M. Laroche³, N. Bardou¹, R. Haïdar², J-L Pelouard¹ et S. Collin¹, Physical Review Letters (2012).

Retrouvez l’article de la publication sur la base ouverte arXiv.