Conception graphique : © CNRS - Communication INSIS / Valérie PIERREPhotos : © Rémi Carminati - Institut Langevin - © Institut Fresnel, équipe CONCEPT

Mardi 2 décembre 2014CNRS, Campus Gérard-Mégie – Auditorium Marie-Curie

3, rue Michel-Ange, Paris 16e

Un workshop organisé parl’Institut des sciences de l’ingénierie et des systèmes (INSIS) du CNRSwww.cnrs.fr/insis/

Optique ElectromagnétiqueLes nano-objets au cœur de la lumière

www.cnrs.fr

Préambule

L’optique/photonique est à l’origine de nombreuses ruptures conceptuelles, technologiques et sociétales. Ce domaine concerne près d’une centaine d’unités de recherche sur le territoire national (http://www.cnrs.fr/insis/recherche/photonique-et-horizons.htm), où les travaux autour de la lumière bénéfi cient d’approches variées : optique géométrique, optique phy-sique, optique statistique, optique électromagnétique, optique quantique, optique relativiste, optique atomique…

En s’appuyant sur la physique mathématique et la puissance accrue des calculateurs, l’optique électroma-gnétique a pris son essor en même temps que les nano-technologies, et a ainsi favorisé la conception d’ob-jets photoniques aux dimensions sub-longueurs d’onde. Cette discipline a connu des progrès et un im-pact considérables au cours des deux dernières décades : compression temporelle et confi nement spatial,super-résolution, exaltation géante et lumière lente, indices négatifs, cristaux photoniques et méta-matériaux, fi bres micro-structurées, plasmonique et nano-antennes, laser aléatoire, imagerie en milieu désordonné, polarisation de speckle… Les applications couvrent de nombreux secteurs : télécommunications, éclairage, spatial, santé, énergie et environnement, dé-fense…

Cette journée sera l’occasion de débats autour d’exposés centrés sur les verrous historiques, les avancées récentes, les aspects fondamentaux, les domaines d’applications et les perspectives à court et moyen terme.

Claude Amra, directeur de recherche au CNRS, Institut FresnelLaurent Nicolas, directeur adjoint scientifi que à l’INSIS

Programme

9h15-9h30 Accueil

9h30-10h10 La dispersion en électromagnétisme Boris Gralak, Institut Fresnel (CNRS/Aix-Marseille Université/Ecole Centrale Marseille)

10h10-10h50 Electromagnetic modes in nanophotonics Philippe Lalanne, Laboratoire de Photonique, Numériques et Nanosciences (LP2N, Institut d’Optique d’Aquitaine/Université de Bordeaux/CNRS)

10h50-11h10 Pause

11h10-11h50 Speckle produit par des nano-sources dans des milieux désordonnés Rémi Carminati, Institut Langevin (CNRS/ESPCI ParisTech)

11h50-12h30 Photonique : un panorama des applications récentes Bruno Desruelle, société MUQUANS

12h30-14h Repas

14h-14h40 Nano-antennes résonantesJean-Jacques Greffet, Laboratoire Charles-Fabry (Institut d’Optique/CNRS)

14h40-15h20 Méthodes asymptotiques en électromagnétismeHabib Ammari, Département de Mathématiques et Applications de l’ENS (DMA, CNRS/Ecole

Normale Supérieure)

15h20-15h30 Pause

15h30-16h10 Frontières et défi s de l’optique non linéaireJohn Dudley, Institut Femto-ST (CNRS/Université de Franche-Comté/Ecole Nationale

Supérieure de Mécanique et de Microtechniques/Université de technologie Belfort- Montbéliard)

16h10-17h Futur et table ronde

Pour plus d’informations sur le programme : Claude.Amra@fresnel.fr

La dispersion en électromagnétisme

Boris Gralak, Institut Fresnel (CNRS/Aix-Marseille Université/Ecole Centrale Marseille)

La dispersion est un phénomène essentiel de l’électromagnétisme sur lequel reposent de nombreuses applications en optique, par exemple les fi ltres. Après un rappel des principes fondamentaux qui créent et façonnent la dispersion - inertie, linéarité, causalité, et passivité -, différents modèles de permittivité avec dispersion seront présentés. En particulier, le carac-tère universel d’une nouvelle version des relations de Kramers-Kronig sera montré. Cet exposé sera également l’occasion d’introduire quelques résultats théoriques récents obtenus dans les équations de Maxwell depuis l’arrivée des cristaux photoniques et des méta-matériaux : la simplifi cation de l’absorption, la simplifi cation de la dispersion en fréquence, et la quantifi cation du champ électromagnétique dans les milieux hétérogènes, dispersifs et absorbants.

Boris Gralak est chargé de recherche CNRS affecté à l’Institut Fresnel à Marseille, où il effectue des recherches sur les méta-matériaux en optique. Ingénieur de l’Ecole Polytechnique, il a reçu une formation mixte en photonique et physique mathématique avec un doctorat de l’Université d’Aix-Marseille et trois années au FOM-Institute Amolf à Amsterdam. Il s’intéresse actuellement à des aspects fondamentaux de l’électromagnétisme comme le phénomène de dispersion et des modèles effectifs de méta-matériaux. Ses recherches lui permettent également de contribuer à la conception de composants en optique intégrée, et d’aborder des sujets comme la couleur d’origine structurelle, les indices négatifs, et l’invisibilité.

Electromagnetic modes in nanophotonics

Philippe Lalanne, Laboratoire de Photonique, Numériques et Nanosciences (LP2N, Institut d’Optique d’Aquitaine/Université de Bordeaux/CNRS)

La conception de nano-composants optiques ne peut se faire uniquement par l’expérimentation ou la simulation numérique. Il faut aussi comprendre les mécanismes qui régissent l’interaction de la lumière avec des micro et nano objets pour en déduire les règles du jeu et tirer ainsi, comme le marionnettiste, sur les bonnes tringles et fi ls lors de la conception. Cette étape néces-saire peut s’avérer parfois plus diffi cile que la validation directe par l’expérience ou la simulation. Sur des exemples de base issus de travaux fondamentaux en plasmonique, cristaux photoniques et méta-matériaux, souvent autour de la notion de mode électromagnétique, je vais essayer d’illustrer comment on peut établir certaines règles de ce jeu.Jean-Paul Hugonin, Haitao Liu and Christophe Sauvan sont remerciés.

F. van Beijnum, C. Rétif, C. B. Smiet, H. T. Liu, P. Lalanne and M. P. van Exter, «Quasi-cylindrical wave contribution in expe-riments on extraordinary optical transmission», Nature 492, 411-414 (2012).C. Sauvan, J.P. Hugonin, I.S. Maksymov and P. Lalanne, «Theory of the spontaneous optical emission of nanosize photonic and plasmon resonators», Phys. Rev. Lett 110, 237401 (2013)

Philippe Lalanne, directeur de recherche au CNRS, est un expert en nano-photonique. Dans le groupe de Pierre Chavel à l’Institut d’Optique à Orsay, il a débuté avec des travaux sur le traitement optique de l’information, les réseaux de neurones optiques et les rétines artifi cielles. En 1996, il a passé une année sabbatique dans le groupe de Mike Morris à l’Institute of Optics à Rochester, où il a com-mencé à mener des travaux dans le domaine de l’optique diffractive et de la théorie électro-magnétique de la diffraction. A Palaiseau, il a ensuite travaillé sur les microcavités à cristaux photoniques et sur la transmission optique extraordinaire. Actuellement en poste à l’Institut d’Optique d’Aquitaine, il y anime l’axe Matter and light waves in artifi cial media, avec des projets sur la lumière lente, les systèmes complexes ou hybrides. Il est «fellow» de l’IOP, la SPIE et l’OSA et a reçu le prix Fabry-de-Gramont de la SFO et la médaille de bronze du CNRS.

Speckle produit par des nano-sourcesdans des milieux désordonnés

Rémi Carminati, Institut Langevin (CNRS/ESPCI ParisTech)

L’interaction entre des sources localisées (par exemple des molécules fl uorescentes) et des milieux désordonnés diffusants est au centre de questions d’actualité en photonique : peut-on détecter et localiser des molécules fl uorescentes dans un milieu diffusant comme des tissus biologiques ? Peut-on concevoir des matériaux amorphes pour amplifi er l’interaction lumière-matière en vue de la fabrication de sources ou d’absorbeurs effi caces ? Peut-on sonder des propriétés microsco-piques d’un milieu complexe sans imagerie ?L’intensité émise par une nano-source placée à l’intérieur d’un milieu désordonné diffusant (ou à très courte distance de sa surface) forme une fi gure de speckle dont les propriétés statistiques s’écartent de celles décrites par le modèle classique de speckle pleinement développé. Les fl uctuations et les corrélations spatiales d’intensité portent la signature des interactions de champ proche entre la source et le milieu environnant, et deviennent fortement non universelles [1]. Ceci permet d’utiliser la nanosource comme une sonde de la structure interne du milieu à des échelles sub-longueur d’onde [2], ou inversement d’utiliser le milieu pour modifi er l’émission (ou l’absorption) de la nanosource [3]. Nous discutons du rôle central joué par la densité d’états locale (LDOS) photonique [1], qui pilote la dynamique d’émission de la nano-source, et par la densité d’états croisée (CDOS) qui décrit la cohérence spatiale [4,5]. Nous montrons que la sensibilité aux interactions de champ proche à courte portée permet en principe d’améliorer la précision de méthodes inverses de localisation de sources [6,7], ou de foca-lisation d’ondes dans des milieux complexes [8]. Lorsque la fi gure de speckle est produite par deux sources mutuellement incohérentes, il est possible de déduire la distance séparant les deux sources à partir d’une mesure du contraste de speckle en un point, avec une précision qui n’est pas limitée par la diffraction [9]. Ces comportements non universels des fl uctuations et des corrélations d’intensité apportent une richesse exploitable dans les techniques d’imagerie et de contrôle des ondes dans les milieux complexes.

[1] A. Cazé, R. Pierrat and R. Carminati, Phys. Rev. A 82, 043823 (2010).[2] V. Krachmalnicoff, E. Castanié, Y. De Wilde and R. Carminati, Phys. Rev. Lett. 105, 183901 (2010).[3] R. Sapienza, P. Bondareff. R. Pierrat, B. Habert, R. Carminati and N. F. van Hulst, Phys. Rev. Lett. 106, 163902 (2011).[4] A. Cazé, R. Pierrat and R. Carminati, Phy. Rev. Lett. 110, 063903 (2013).[5] K. Vynck, R. Pierrat and R. Carminati, Phys. Rev. A 89, 013842 (2014).[6] N. Irishina, M. Moscoso and R. Carminati, Opt. Lett. 37, 951 (2012).[7] N. Irishina, M. Moscoso and R. Carminati, Opt. Express 21, 421 (2013).[8] R. Pierrat, C. Vandenbem, M. Fink and R. Carminati, Phys. Rev. A 87, 041801(R) (2013).[9] R. Carminati, G. Cwilich, L.S. Froufe-Pérez and J.J. Sáenz, arXiv:1407.5222 (2014).

Rémi Carminati est professeur à l’ESPCI Paris Tech, et directeur adjoint de l’Institut Langevin (UMR 7587, ESPCI Paristech/CNRS). Il y anime le thème de recherche « Optique Mésos-copique et Théorique », dont les activités couvrent la diffusion et le transport des ondes en milieux complexes, la nanophotonique et la plasmonique. Il est l’auteur de plus de 100 publi-cations scientifi ques, de 50 conférences invitées dans des conférences et des écoles théma-tiques internationales, et a contribué à une dizaine d’ouvrages collectifs. Il a été lauréat du prix Fabry-De Grammont en 2006, et du prix de la fondation iXCore pour la recherche en 2009.

Photonique : un panorama des applications récentes

Bruno Desruelle, société MUQUANS

Près de 50 ans après la découverte du laser, la lumière reste un objet d’intérêt de tout premier plan, et l’étude de ses pro-priétés suscite un fort engouement de la part de la communauté scientifi que. Les études menées dans les laboratoires se caractérisent ainsi par une grande richesse, et les résultats obtenus présentent un potentiel d’impact important pour un grand nombre d’applications. L’exposé vise à dresser un panorama des applications récentes les plus emblématiques des technologies photoniques, en mettant en évidence les fonctions que la lumière permet de réaliser, et l’impact dans les domaines d’activité concernés.

Bruno Desruelle, 43 ans, dirige la société MUQUANS depuis sa création en 2011. Ingénieur de l’Institut d’Optique Graduate School, il rejoint le groupe d’Alain Aspect en 1994 pour sa thèse de doctorat consacrée au dévelop-pement d’une expérience de condensation de Bose-Einstein d’un gaz d’atomes de rubidium ultra-froids. A la fi n de sa thèse, il rejoint la société Corning Incorporated où il prend la responsabilité d’une équipe de R&D et se consacre au développement de différents sous-ensembles destinés aux systèmes de communication par fi bre optique. En 2002, il est recruté par la société THALES Optronique et prend en charge le développement de différents sous-sys-tèmes optiques. Il rejoint la DGA en 2003 et est nommé responsable du domaine scientifi que Photonique au sein de la Mission pour la Recherche et l’Innovation Scientifi que, et prend la responsabilité des orientations scientifi ques en photonique pour le Ministère de la Défense. A la même époque, il est nommé chef de fi le interministériel pour les Pôles de compétitivité OPTITEC

et Route des lasers. Il quitte son poste fi n 2010 pour se consacrer au développement de MUQUANS.

Nanoantennes résonantes

Jean-Jacques Greffet, Laboratoire Charles-Fabry (Institut d’Optique/CNRS)

Le but de cet exposé est d’introduire la notion d’antenne dans le domaine de l’optique. Après avoir fait un parallèle avec les antennes dans le domaine des ondes radioélectriques, les différences et analogies seront explorées. Quelques applications au stockage de données, et au contrôle de l’émission spontanée d’émetteurs quantiques seront ensuite discutées. L’analyse de la notion d’impédance permettra d’établir un lien entre la vision quantique et la vision classique du processus d’émission de lumière.

Jean-Jacques Greffet est un ancien élève de l’Ecole Normale Supérieure de Cachan. Il a obtenu un doctorat en physique du solide de l’Université Paris Sud en 1988 et l’HDR en 1992. Professeur à l’Ecole Centrale Paris de 1994 à 2008, il est actuellement professeur à l’Institut d’Optique et membre senior de l’Institut Universitaire de France. Il a travaillé sur la propagation des ondes en milieu complexe puis sur la formation des images en micros-copie de champ proche de 1994 à 2004. Depuis 1998, il étudie le rayonnement thermique à l’échelle du nanomètre et notamment la possibilité de contrôler les processus d’émission par des corps incandescents ou les fl ux de chaleur radiatifs échangés en champ proche. Ses travaux actuels se poursuivent dans le domaine de la nano-photonique : nano-an-tennes pour le contrôle de l’émission spontanée et plasmonique quantique. Il a publié plus de 160 articles dans des revues à comité de lecture qui ont été cités plus de 5000 fois.

Méthodes asymptotiques en électromagnétisme

Habib Ammari, Département de Mathématiques et Applications de l’ENS (DMA, CNRS/Ecole Normale Supérieure)

Nous décrivons des outils mathématiques pour l’étude des résonances des nano-particules et des résonances anormales dans les méta-matériaux. Nous introduisons des concepts mathématiques qui permettent à la fois de comprendre l’invisibilité électromagnétique et le phénomène de super-résolution. Nous présentons également l’utilisation de la théorie des milieux effectifs en électromagnétisme, en particulier dans l’étude des propriétés spectrales des cristaux.

Habib Ammari est directeur de recherche CNRS au Département de Mathématiques et Applications de l’Ecole Normale Supérieure. Il est spécialiste des méthodes asympto-tiques et de la propagation d’ondes électromagnétiques, acoustiques et élastiques dans les milieux complexes. Habib Ammari a publié plusieurs ouvrages de référence sur le sujet. Ses travaux ont étés couronnés par plusieurs distinctions internationales dont un ERC Advanced Grant sur les mathématiques de l’imagerie.

Frontières et défi s de l’optique non linéaire

John Dudley, Institut Femto-ST (CNRS/Université de Franche-Comté/Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et de Microtechniques/Université de technologie Belfort-Montbéliard)

La génération de nouvelles composantes fréquentielles via l’exploitation de la réponse non linéaire des matériaux optiques est connue depuis le début des années 1960, soit peu de temps après l’invention des lasers. Depuis ces résultats précur-seurs, l’optique non linéaire est devenue un domaine de recherche à part entière, permettant de mettre en évidence différents aspects majeurs de la physique fondamentale des interactions lumière-matière, et de développer des applications diverses telles que la métrologie fréquentielle, la microscopie ou les télécommunications.Le but de cet exposé sera de présenter un large aperçu de ce domaine qu’est l’optique non linéaire. Nous porterons un intérêt particulier sur les nouvelles possibilités offertes par le développement de matériaux novateurs et la réalisation de nouvelles classes de guides d’ondes photoniques.

John Dudley est chercheur en physique théorique et expérimentale de dynamiques optiques non linéaires, et est responsable de l’équipe Optoélectronique, Photonique et Télécommunications Optiques de l’Institut FEMTO-ST. Il est nommé membre junior de l’Institut Universitaire de France de 2005 à 2010, membre d’honneur de la Société Américaine d’Optique (OSA) en 2007, lauréat du Grand prix général Ferrié de la Société des Electriciens et Electroniciens en 2009, membre d’honneur d’Institut des Ingénieurs Electriciens et Electroniciens en 2011 (IEEE) et de la Société Européenne d’Optique (EOS) en 2012. Il est actuellement colauréat d’un ERC Advanced Grant 2011 pour le projet plu-ridisciplinaire MULTIWAVE - Modélisation mathématique et étude expérimentale des ins-tabilités non linéaires, des vagues scélérates et des phénomènes extrêmes. John Dudley a été élu en 2013 président de la Société Européenne de Physique, et il est fondateur et porteur du projet Année Internationale de la lumière 2015 déclaré par les Nations Unies.

Conception graphique : © CNRS - Communication INSIS / Valérie PIERREPhotos : © Rémi Carminati - Institut Langevin - © Institut Fresnel, équipe CONCEPT