Revêtements D'optique De Transformation En Hyperfréquences
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Revêtements d’optique de transformation en hyperfréquences Geoffroy Klotz To cite this version: Geoffroy Klotz. Revêtements d’optique de transformation en hyperfréquences. Physique [physics]. Aix Marseille Université, 2020. Français. tel-02991237 HAL Id: tel-02991237 https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-02991237 Submitted on 5 Nov 2020 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. AIX-MARSEILLE UNIVERSITÉ ED 352 - Physique et Sciences de la Matière Institut Fresnel - CEA DAM / Le Ripault Direction Générale de l’Armement Thèse présentée pour obtenir le grade universitaire de docteur Spécialité : Énergie, rayonnement et plasma Geoffroy KLOTZ Revêtements d’optique de transformation en hyperfréquences Soutenue le 30/06/2020 devant le jury composé de : E. LHEURETTE Professeur - IEMN Rapporteur N. VUKADINOVIC Docteur Ingénieur (HDR) - Dassault Aviation Rapporteur A.-Cl. TAROT Enseignant chercheur (HDR) - IETR Examinateur V. VIGNERAS Professeur - ENSCBP Examinateur Ph. POULIGUEN Docteur Ingénieur (HDR) - DGA Invité S. ENOCH Directeur de recherche (HDR) - Institut Fresnel Directeur de thèse N. MALLÉJAC Docteur Ingénieur CEA DAM / Le Ripault Co-directeur de thèse Numéro national de thèse/suffixe local : 2017AIXM0001/001ED62 Cette œuvre est mise à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons Attribution - Pas d’Utilisation Commerciale - Pas de Modification 4.0 International. Résumé Ce travail de thèse porte sur l’optique transformationnelle et ses applications. Les capes et tapis d’invisibilité, ainsi que les revêtements mimétiques sont étudiés au tra- vers de simulations dans les hyperfréquences à l’aide du logiciel COMSOL Multiphysics. Ces simulations permettent de comprendre les phénomènes en jeu et d’appréhender les difficultés de réalisation expérimentale. Nous abordons divers systèmes et discutons de leurs performances ainsi que de leur faisabilité. La réalisation de revêtements d’optique transformationnelle (OT) est un challenge important, pour lequel nous proposons une architecture des revêtements sous la forme d’une structuration multicouches. Les per- mittivités diélectriques et perméabilités magnétiques requises dans les revêtements d’OT étant peu communes, une part importante de ce travail s’est concentré sur les métamaté- riaux constitués de réseaux d’inclusions résonantes. Leur phénoménologie est abordée, ainsi que les techniques d’homogénéisation, permettant de leur affecter des propriétés effectives homogènes. Enfin, nous envisageons l’intégration de matériaux dispersifs en fréquence dans des capes, et proposons une méthodologie permettant aux revêtements de fonctionner sur une large bande fréquentielle. Mots clés : métamatériaux, optique de transformation, cape d’invisibilité, tapis d’invi- sibilité, hyperfréquences, homogénéisation 3 Abstract The present thesis work relates to transformational optics and its applications. In- visibility cloaks and carpets, as well as mimetic coatings, are studied using simulations with the commercial software COMSOL Multiphysics in the micro-wave domain. First, these simulations help in the understanding of the phenomena at stake and allow us to evaluate how challenging it would be to develop experimental devices. Based on ob- jective criteria, we consider multiple systems and discuss their efficiency and feasibility. The realization of transformation optics coatings is a difficult challenge, so we suggest a multilayer design for the coatings. As dielectric permittivity and magnetic permeability required in the OT coatings are unusual among natural materials, we worked on reso- nant metamaterials composed of a lattice of small conducting structures. The physical origin of the phenomenon is investigated, as the homogenization technics allowing com- putation of effective homogeneous parameters. Finally, we consider the realization of invisibility cloaks using frequency dispersive metamaterials and developed a design al- lowing broadband operations. Keywords: metamaterials, transformation optics, invisibility cloak, invisibility carpet, microwave, homogenization 4 Remerciements Les trois années passées à réaliser ce travail de thèse ont été pour moi une expérience riche d’enseignements. Elles m’ont permis de mieux connaître le monde de la recherche et ses enjeux et de découvrir de l’intérieur ce qu’est un centre de recherche tel que celui du Ripault. Je suis très heureux d’avoir pu rencontrer au sein de mon laboratoire au CEA des techniciens, ingénieurs, doctorants, stagiaires et alternants qui m’ont fait découvrir leurs métiers et m’ont communiqué leurs savoir-faire. En particulier, j’ai eu la chance de par- tager le bureau de Xavier Faget puis de Thomas Nussle avec qui j’ai eu des relations de travail enrichissantes et que je tiens à remercier. Merci également à Amira Guediche, Marie Darcheville, Julien Marchand et Romain Claveau, doctorants au CEA, pour leurs conseils avisés et leur soutien. J’ai également une pensée pour Isabelle Delpech, secré- taire du service, pour sa bienveillance et sa bonne humeur au quotidien. Enfin, je porte une attention particulière à Michaël Charles, ingénieur au CEA, qui m’a beaucoup aidé en me partageant son expertise et son expérience. Merci à la DGA d’avoir été partenaire de ce projet de thèse, et à Philippe Pouliguen pour les discussions enrichissantes que nous avons eu. Merci à Nicolas Malléjac et Stefan Enoch, mes encadrants, pour le temps qu’ils m’ont accordé durant ces trois années. Merci à ma femme, Lucille, pour sa patience et son soutien. 5 Table des matières Résumé 3 Abstract 4 Remerciements 5 Table des matières 6 Table des figures 9 Introduction 14 1 Optique de transformation et cloaking 15 1.1 Introduction................................... 15 1.2 Description de l’optique de transformation.................. 16 1.2.1 Déformation de l’espace........................ 16 1.2.2 Propriétés matériau équivalentes ................... 18 1.3 Point de vue mathématique.......................... 20 1.4 Applications de l’optique de transformation................. 24 1.4.1 Invisibilité................................ 24 1.4.2 Mimétisme ............................... 35 1.5 Difficultés de réalisation d’un revêtement d’OT............... 36 1.5.1 Sensibilité de l’anisotropie....................... 36 1.5.2 Sensibilité de la discrétisation..................... 38 1.5.3 Sensibilité des valeurs extrêmes de permittivité et perméabilité . 38 1.6 Métamatériaux................................. 41 1.6.1 Introduction sur les métamatériaux.................. 41 1.6.2 Métamatériaux à faible indice..................... 42 1.6.3 Chiralité artificielle........................... 43 1.6.4 Circuits maxwelliens.......................... 44 1.7 Conclusion ................................... 44 2 Applications de l’Optique transformationnelles 45 2.1 Introduction................................... 45 2.2 Etat de l’art des réalisations.......................... 46 2.2.1 Capes d’invisibilité........................... 46 2.2.2 Mapping conforme et quasi-conforme................. 46 2.2.3 Tapis par contrôle de phase...................... 47 2.2.4 Capes par annulation de la diffusion ................. 48 2.2.5 Conclusion ............................... 50 6 2.3 Notion de mimétisme, qualification des revêtements d’optique transforma- tionnelle..................................... 50 2.3.1 Introduction............................... 50 2.3.2 Vocabulaire............................... 51 2.3.3 Critère de mimétisme ......................... 51 2.4 Revêtement mimétique : transformer les carrés en cercles.......... 52 2.5 Tapis d’invisibilité par troncature de cape.................. 55 2.5.1 Motivations et objectif......................... 55 2.5.2 Description de l’approche ....................... 55 2.5.3 Simulations full-wave.......................... 59 2.6 Invisibilité d’un objet longiligne........................ 63 2.6.1 Positionnement de l’étude....................... 63 2.6.2 Résultats et écarts par rapport aux attentes............. 69 2.6.3 Cape par compression sphérique ................... 71 2.7 Conclusion ................................... 74 3 Structuration des revêtements 75 3.1 Introduction................................... 75 3.2 Homogénéisation, création d’anisotropie ................... 77 3.2.1 Bornes de Wiener............................ 77 3.2.2 Cape sphérique et structure multicouche............... 79 3.2.3 Cape cylindrique et structure multicouche.............. 85 3.3 Vers un revêtement réaliste .......................... 93 3.3.1 Tapis d’invisibilité ........................... 93 3.3.2 Tapis de mimétisme .......................... 96 3.4 Intégration de matériaux anisotropes..................... 99 3.5 Perspectives...................................100 3.5.1 Structuration en voxels ........................100 3.5.2 Conclusion ...............................100 4 Métamatériaux conducteurs résonants 101 4.1 Introduction...................................101 4.2 Bibliographie ..................................102 4.2.1 Étude de la diffraction d’un objet...................102