Brevet FR3061962A1 — publié le 20180720

LENTILLE À MÉTASURFACE FOCALISANTE ET FAIBLE ABERRATION CHROMATIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'objet de la présente invention concerne des lentilles planes à métasurface, en particulier à métasurface focalisante. La présente invention peut notamment s'appliquer au triage spectral. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les lentilles optiques conventionnelles utilisent les propriétés de réfraction des matériaux qui les composent pour modifier les fronts d'onde et contrôler les chemins optiques des faisceaux qui les traversent. Ces lentilles optiques sont généralement épaisses notamment pour de courtes distances focales. Pour obtenir des épaisseurs plus faibles, il est bien connu de recourir à des lentilles de Fresnel. En pratique, on réalise les lentilles de Fresnel par des nombreux niveaux de lithographie de manière à discrétiser la variation d'épaisseur de diélectrique nécessaire pour obtenir la forme désirée de front d'onde en sortie. En outre, les lentilles de Fresnel ne présentent pas de sélectivité spectrale. Les lentilles à métasurfaces permettent de réaliser une variation de phase continue avec une bonne sélectivité spectrale tout en présentant une faible épaisseur. Ces lentilles à métasurfaces utilisent généralement des réseaux de résonateurs optiques élémentaires (encore dénommés antennes optiques) avec une densité sensiblement inférieure à la longueur d'onde incidente d'intérêt. La forme, la taille et l'orientation de ces antennes optiques sont choisies pour obtenir la forme de front d'onde souhaitée. De manière générale, on sait réaliser des lentilles plates à métasurface. On appelle métasurface une surface structurée pour créer un réseau de résonateurs dont les dimensions et le pas de réseau sont inférieurs à la longueur d'onde. Les résonateurs sub- 3061962 2 longueur d'onde sont généralement obtenus par lithographie à partir d'une couche diélectrique ou métallique déposée sur un substrat. La phase et l'amplitude de l'onde lumineuse réémise par chaque résonateur sub-longueur d'onde élémentaire dépendent de sa géométrie, de son orientation par rapport à la polarisation de l'onde incidente et des 5 matériaux qui le constituent. Cette onde peut être considérée comme une onde sphérique affectée d'un retard de phase par rapport à l'onde incidente. On trouvera une introduction générale aux lentilles à métasurface dans l'article de N. Yu et al. intitulé « Flat optics with designer metasurfaces » publié dans Nature Materials, Vol. 13, Feb. 2014, pp. 139-150. 10 Un exemple de lentille à métasurface convergente a été proposé dans l'article de X. M. Goh et al. intitulé « Plasmonic lenses for wavefront control applications using twodimensional nanometric cross-shaped aperture arrays » publié dans J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 28, No. 3, Mars 2011, pp. 547-553. Cette lentille est formée par un réseau périodique de croix de taille variable (taille décroissante du centre vers la périphérie pour une lentille 15 convergente et croissante du centre vers la périphérie pour une lentille divergente). Toutefois, si cette structure de lentille est simple, elle présente un inconvénient majeur dans la mesure où il n'est pas possible de contrôler de manière indépendante la phase et la loi de transmission en longueur d'onde (en particulier le coefficient de transmission en longueur d'onde). Il en résulte une apodisation de la pupille à une longueur d'onde 20 déterminée. En outre, ce type de lentille possède une forte aberration chromatique. En d'autres termes, la distance focale de ce type de lentille varie sensiblement avec la longueur d'onde. Enfin, ce type de lentille présente une faible sélectivité spectrale. L'objet de la présente invention est par conséquent de proposer des lentilles à métasurface ne présentant qu'une faible aberration chromatique dans une bande 25 spectrale prédéterminée, tout en garantissant une distribution uniforme du coefficient de transmission pour une longueur d'onde donnée, ainsi qu'une meilleure sélectivité spectrale. 3061962 3 EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention est définie par une lentille à métasurface destinée à recevoir une onde incidente de longueur d'onde donnée, comprenant au moins un premier réseau de résonateurs, situé dans un plan de la lentille, lesdits résonateurs du premier réseau 5 étant des croix de formes identiques, chaque croix comprenant au moins un premier bras, dit bras long, s'étendant selon un premier axe et un second bras, dit bras court, de longueur strictement inférieure au bras long et s'étendant selon un second axe, sensiblement orthogonal au premier axe, chaque croix déphasant l'onde incidente en introduisant un déphasage propre dépendant de l'orientation de la croix par rapport à une direction de 10 référence dans le plan de la lentille. La longueur du bras long est typiquement supérieure de 5% à 10% à la longueur du bras court. Avantageusement, les longueurs des bras long et court sont choisies de manière à ce que l'écart entre la fréquence de résonance du bras long et la fréquence de résonance 15 du bras court soit inférieur à la largeur à mi-hauteur de la réponse spectrale en transmission de chacun desdits bras. De préférence, les croix sont réalisées par des évidements au sein d'une couche métallique, la couche métallique étant déposée sur une première couche diélectrique transparente à ladite longueur d'onde donnée. 20 En outre, ces évidements peuvent être comblés par un matériau d'indice optique plus élevé que l'indice optique de la première couche diélectrique. La première couche diélectrique peut être elle-même déposée sur un substrat semi- conducteur transparent à ladite longueur d'onde donnée, l'indice optique du substrat étant supérieur à l'indice de la première couche diélectrique. 25 En outre, une seconde couche diélectrique peut être déposée sur la couche métallique, ladite seconde couche diélectrique étant réalisée dans le même matériau que la première couche diélectrique et étant d'épaisseur 1 où 2 est ladite longueur d'onde 2n donnée et ri est l'indice des première et seconde couches diélectriques. 3061962 4 Selon un premier mode de réalisation, la lentille à métasurface est une lentille convergente, de distance focale f et l'orientation d'une croix dont le centre est situé en un point p, de coordonnées (x,, ) dans un repère (0,x, y) dans le plan de la lentille est 211-no choisie de manière à générer un déphasage propre _ ( v ,2 2 2 X + y, + i) avec 5 lv I REVENDICATIONS1. Lentille à métasurface destinée à recevoir une onde incidente de longueur d'onde donnée, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un premier réseau de résonateurs, lesdits résonateurs du premier réseau étant des croix de formes identiques, ledit premier réseau étant situé dans un plan de la lentille, chaque croix comprenant au moins un premier bras (110), dit bras long, s'étendant selon un premier axe et un second bras (120), dit bras court, de longueur strictement inférieure au bras long et s'étendant selon un second axe, sensiblement orthogonal au premier axe, chaque croix déphasant l'onde incidente en introduisant un déphasage propre (yo, ) dépendant de l'orientation de la croix ( ) par rapport à une direction de référence dans le plan de la lentille. 2. Lentille à métasurface selon la revendication 1, caractérisée en ce que la longueur du bras long est supérieure de 5% à 10% à la longueur du bras court. 3. Lentille à métasurface selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les longueurs des bras long et court sont choisies de manière à ce que l'écart entre la fréquence de résonance du bras long et la fréquence de résonance du bras court soit inférieur à la largeur à mi-hauteur de la réponse spectrale en transmission de chacun desdits bras. 4. Lentille à métasurface selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les croix sont réalisées par des évidements au sein d'une couche métallique, la couche métallique étant déposée sur une première couche diélectrique transparente à ladite longueur d'onde donnée. 3061962 18 5. Lentille à métasurface selon la revendication 4, caractérisée en ce que les évidements sont comblés par un matériau d'indice optique plus élevé que l'indice optique de la première couche diélectrique. 5 6. Lentille à métasurface selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que la première couche diélectrique est elle-même déposée sur un substrat semi-conducteur transparent à ladite longueur d'onde donnée, l'indice optique du substrat étant supérieur à l'indice de la première couche diélectrique. 10 7. Lentille à métasurface selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce qu'une seconde couche diélectrique est déposée sur la couche métallique, ladite seconde couche diélectrique étant réalisée dans le même matériau que la première couche diélectrique et étant d'épaisseur -2 où 2 est ladite longueur d'onde donnée et ri est 2n l'indice des première et seconde couches diélectriques. 15 8. Lentille à métasurface selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que la lentille à métasurface est une lentille convergente, de distance focale f et que l'orientation d'une croix dont le centre est situé en un point p, de coordonnées (x,, ) dans un repère ( 0, x, y ) dans le plan de la lentille est choisie de manière à générer un 20 déphasage propre ça. - 27° (f Vx2 ± 2 ± f 2 ) avec lel 9. Lentille à métasurface selon la revendication 7, caractérisée en ce que la lentille à métasurface est une lentille convergente, de distance focale f et que l'orientation d'une 25 croix dont le centre est situé en un point p, de coordonnées (x,, y,) dans un repère ( 0,x, y ) dans le plan de la lentille est choisie de manière à générer un déphasage propre V, =0, mod - avec0, - Drn° (f + +j 2 n, est l'indice du milieu de sortie de 2 3061962 19 , la lentille, une troisième couche diélectrique d'épaisseur -- étant déposée uniquement 2n au-dessus des croix pour lesquelles -il- 10. Lentille à métasurface selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 caractérisée en ce que l'orientation des croix ne peut prendre qu'un ensemble fini de valeurs angulaires discrètes. 11. Lentille à métasurface selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier réseau est périodique. 10 12. Lentille à métasurface selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend un second réseau de résonateurs, les résonateurs du second réseau étant des croix de formes identiques, le second réseau étant situé dans le plan de la lentille, chaque croix du second réseau étant en outre située dans une section efficace de taille (-22 15 - d'une croix du premier réseau, les croix du second réseau étant de taille inférieure à 2 celle des croix du premier réseau, chaque croix du second réseau comportant également un bras long et un bras court, chaque croix du second réseau déphasant l'onde incidente par un déphasage propre dépendant de son orientation, au sein du plan de la lentille, par rapport à ladite direction de référence. 20 13. Lentille à métasurface selon la revendication 12, caractérisée en ce que l'onde incidente comprend une première composante spectrale à une première longueur d'onde 2, et une seconde composante spectrale à une seconde longueur d'onde 22 que la lentille à métasurface est une lentille convergente, de distance focale f , que l'orientation d'une 25 croix du premier réseau dont le centre est situé en un point p, de coordonnées (x,, y, ) dans un repère (0,x, y ) du plan de la lentille est choisie de manière à générer un 3061962 20 271-n1 x1)2 ±(y, y1 )2 ± déphasage propre ça o i, 111 kf j avec I