Qu'est-ce qu'une métasurface ?

Les métasurfaces sont des métamatériaux à l'échelle nanométrique ultrafins, plats et plus petits que la longueur d'onde de la lumière. Les métasurfaces sont composées de nanostructures et d'éléments de sub-longueur d'onde capables de modifier la phase, la polarisation et l'amplitude d'une onde lumineuse incidente. Au-delà de la lumière visible, les métasurfaces peuvent également servir à manipuler les longueurs d'onde infrarouges à ondes moyennes et longues dans les secteurs de l'aérospatiale et de la défense.

Les métamatériaux sont des matériaux synthétiques composés de blocs de construction à l'échelle nanométrique appelés « méta-atomes », disposés en colonnes ou en cylindres. Leurs propriétés uniques ne sont pas présentes dans les matériaux naturels. Les métamatériaux servent à manipuler les ondes optiques, acoustiques et autres ondes électromagnétiques. Ces dernières années, les métamatériaux ont connu une croissance rapide dans les domaines des matériaux de pointe et de la nanophotonique.

Les méta-lentilles (également appelées méta-optiques) sont un type spécial de métamatériau servant à contrôler et manipuler la lumière dans divers composants optiques. Les optiques traditionnelles commencent à être remplacées par des métasurfaces optiques beaucoup plus petites. Les méta-lentilles étant plates, les lentilles et autres composants optiques qui en contiennent ne présentent aucune courbure.

Les cylindres et colonnes qui composent la surface des métamatériaux et des métasurfaces sont capables de manipuler et contrôler le comportement des différentes ondes. Organisées en structures périodiques, les colonnes permettent à la métasurface d'interagir de différentes manières en fonction de la conception.

Il existe diverses formes et tailles de métasurface, toutes constituées de différents blocs de construction formant des cellules unitaires. Elles peuvent être fabriquées à partir de différents matériaux en fonction de l'application et des propriétés optiques prévues de la métasurface.

Les métamatériaux présentent des capacités différentes en fonction de leur géométrie ou de leur composition. Par exemple, certains métamatériaux ajustent simplement la phase de la lumière, tandis que d'autres peuvent aider à la propagation de la lumière.

Il existe deux principaux types de métasurface : diélectrique et plasmonique. Toutes les métasurfaces peuvent être composées de différentes nanostructures pour personnaliser davantage leurs propriétés topologiques et optiques. Les ingénieurs peuvent ainsi créer des dispositifs optiques dotés de propriétés multifonctionnelles.

Métasurfaces diélectriques

Les métasurfaces diélectriques sont des métasurfaces présentant un contraste d'indice de réfraction élevé et dont les colonnes diélectriques ou semi-conductrices à échelle nanométrique, dotées de sections transversales carrées ou cylindriques, sont entourées d'air. Les métasurfaces diélectriques présentent généralement des pertes par absorption plus faibles que les métasurfaces plasmoniques. En effet, elles utilisent des matériaux transparents à la longueur d'onde concernée, couvrant à la fois le domaine visible et l'infrarouge.

Voici quelques-uns des matériaux utilisés pour la fabrication de métasurfaces diélectriques :

• Silicium (Si)
• Nitrure de silicium (Si₃N₄)
• Germanium (Ge)
• Semi-conducteurs III-V (GaAs, GaP, etc.)
• Niobate de lithium (LiNbO₃)
• Dioxyde de titane (TiO₂)
• Titanate de baryum (BaTiO₃)
• Semi-conducteurs 2D (WS₂, GaSe, etc.)

Métasurfaces plasmoniques

Les métasurfaces plasmoniques sont des métasurfaces métal-diélectrique qui contiennent des nanoparticules plasmoniques ou des nanostructures plasmoniques (telles que des antennes) à leur surface. Elles sont disposées à des distances inférieures à la longueur d'onde en espace libre, ou à la longueur de l'onde électromagnétique dans un vide. Les métasurfaces plasmoniques utilisent des plasmons de surface, c'est-à-dire des mouvements collectifs d'électrons à la limite entre un métal et un diélectrique (matériau isolant). La taille réduite des plasmons de surface permet aux ingénieurs de contrôler et d'utiliser la lumière à très petite échelle dans des applications telles que la détection ou l'imagerie. L'argent et l'or sont les deux métaux les plus couramment utilisés, car leurs propriétés optiques favorisent le comportement attendu des plasmons de surface.

Les métasurfaces plasmoniques sont similaires aux cristaux photoniques, dans lesquels le motif périodique du métamatériau contrôle le comportement des ondes électromagnétiques. Les plasmons se forment à la surface du métamatériau lorsque les électrons libres dans le métal se déplacent ensemble en réaction à la lumière. Lorsque la lumière touche le métal, une partie de son énergie est absorbée et fait osciller les électrons. Ce comportement de résonance permet de coupler les électrons aux ondes lumineuses. L'onde peut ainsi se propager le long de l'interface métal-diélectrique de manière autonome.

Nanostructures dans les métasurfaces

Outre le motif périodique de base qui définit la cellule unitaire des méta-atomes, les métamatériaux peuvent être composés de diverses nanostructures spécialement conçues et capables d'optimiser leurs propriétés. Voici quelques exemples en action :

• Antennes nanométriques à la surface du métamatériau. Ces petites antennes peuvent être courbées ou droites, et leur forme détermine si elles ont des propriétés optiques homogènes ou non linéaires.
• De petites rainures ou fentes (appelées nanoparticules et nanofentes) peuvent être réalisées en graphène ou en films métalliques pour modifier le champ optique. Ces caractéristiques modifient le comportement de la lumière en la confinant ou en augmentant son intensité.
• Dans certains cas, plusieurs couches de métamatériaux nanostructurés permettent de réduire les reflets et de faire circuler la lumière plus facilement dans le matériau. Ce processus est appelé « modulation d'impédance ».

Géométrie de métasurface composée de trois types de méta-atomes (colonnes triangulaires, rondes et carrées)

Les méta-lentilles sont de plus en plus présentes dans diverses applications et secteurs industriels.

Détection

La détection est le plus vaste domaine d'application des méta-lentilles. En effet, leur taille compacte et la nature multifonctionnelle des optiques en métamatériaux permettent de les appliquer à un grand nombre de domaines différents. 

Les ingénieurs qui manipulent des méta-lentilles peuvent sélectionner des longueurs d'onde et des polarisations spécifiques de la lumière. À l'aide de métamatériaux, ils peuvent intégrer des capteurs ultra-fins dans des appareils photo et des smartphones. Il est alors possible de capturer des photons uniques afin d'améliorer la qualité de l'image et ajouter des fonctionnalités multiples aux appareils. Dans le secteur de la défense, les capteurs avancés contenant des métasurfaces sont capables de détecter à la fois la lumière infrarouge et la lumière visible, en filtrant les réflexions par polarisation. La taille compacte des méta-lentilles est également intéressante pour les applications d'imagerie médicale, telles que les endoscopes, dans lesquelles les capteurs miniaturisés sont essentiels pour aider les médecins à voir à l'intérieur du corps.

Automobile

Plusieurs applications pour les métasurfaces sont également en cours de développement dans l'industrie automobile. Un cas d'utilisation est directement lié au secteur de la détection : celui des capteurs lidar de pointe, largement utilisés dans les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) et les véhicules autonomes. Autre application principale : le développement de petits phares plats assurant un éclairage toujours plus efficace.

L'industrie automobile n'a pas encore largement adopté les métasurfaces, car il s'agit d'un domaine technologique très réglementé qui exige un niveau de qualité constant, sans compter les nombreux défis liés à la fabrication de métasurfaces ultra-petites. Les experts prévoient toutefois prochainement une croissance rapide dans ce domaine.

Imagerie

À l'instar des autres formes d'optiques diffractives, la lumière de diverses longueurs d'onde interagit différemment avec les méta-lentilles. Les différentes interactions produites sont appelées effets chromatiques. Cette caractéristique s'avère utile pour certaines applications d'imagerie dans lesquelles il peut être pertinent de filtrer des couleurs spécifiques. D'autre part, des aberrations chromatiques fortes peuvent être indésirables pour les applications d'imagerie à large bande (c'est-à-dire fonctionnant sur une gamme de longueurs d'onde). Le domaine du développement de méta-lentilles présentant des capacités d'imagerie à large bande fait l'objet de recherches appliquées.

Dans le secteur médical, les métasurfaces permettent notamment d'améliorer la résolution et la clarté des images capturées à l'aide d'endoscopes. Les métasurfaces peuvent provoquer un changement de phase au niveau de la lumière entrante pour réduire les distorsions (appelées aberrations monochromatiques) et étendre la profondeur de champ de l'endoscope. Dans un système de caméra classique, les métasurfaces permettent de combiner différentes mesures de polarisation à l'intérieur de la caméra en un même élément optique, réduisant ainsi le nombre de composants nécessaires. L'intégration de métasurfaces dans les caméras pourrait révolutionner les applications de vision industrielle et de télédétection.

Réalité augmentée et réalité virtuelle (AR/VR)

Outre d'autres composants optiques avancés, les métasurfaces améliorent les casques AR/VR, car leur nature fine, légère et plate les rend parfaits pour projeter des images à l'intérieur d'un casque. Les projections utilisent un guide d'ondes, également appelé guide lumineux, sur une grande surface pour diriger les images vers l'œil. Les guides lumineux sont beaucoup plus grands que les petits guides d'ondes optiques utilisés pour les communications à large bande.

Les composants optiques encombrants constituent une part importante du poids du casque. Pour le confort de l'utilisateur, les casques AR/VR doivent être aussi légers que possible afin de limiter le poids appliqué sur la nuque. Les métasurfaces pourraient alléger le poids de ces casques.

Spectrométrie

Le comportement fortement chromatique des méta-lentilles, ainsi que leur taille compacte, les rendent naturellement adaptées aux applications de spectroscopie. Les métasurfaces peuvent être intégrées aux instruments de spectroscopie optique utilisés pour les applications de caractérisation et de diagnostic dans l'industrie agroalimentaire et le domaine médical.

Du fait que les éléments de focalisation des spectromètres peuvent introduire des aberrations optiques, les concepteurs de spectromètres sont souvent confrontés à un compromis entre la résolution et la taille de l'appareil. Les métasurfaces fines et planes permettent de créer des lentilles garantissant une haute résolution sur une large bande passante sans augmenter la taille du spectromètre.

Les métasurfaces sont conçues avec les techniques employées pour la fabrication de semi-conducteurs classiques, telles que la lithographie, la gravure et le dépôt ascendant. De ce fait, elles sont parfaitement compatibles avec les techniques de fabrication existantes utilisées en fonderie. Cependant, en raison de leur petite taille, un modèle très précis est nécessaire pour que chaque lot de métasurfaces soit uniforme, assurant ainsi des performances élevées.

La création de prototypes pour les métamatériaux est un processus difficile, coûteux et long. Chaque prototype de métamatériau est produit à petite échelle. De ce fait, il n'est pas toujours avantageux d'un point de vue économique de le produire. Il existe également de grandes différences entre les types de métasurfaces et les ondes électromagnétiques auxquelles elles sont destinées. Par exemple, les métamatériaux peuvent interagir avec les longueurs d'onde ultraviolettes (UV). En revanche, ils subissent généralement une perte optique importante, ou perte d'intensité lumineuse, lorsqu'ils traversent ou interagissent avec un matériau. En outre, ces types de métamatériau sont plus difficiles à fabriquer que ceux conçus pour les longueurs d'onde visibles et infrarouges.

Usage de la simulation dans la conception de métasurfaces

L'une des méthodes de conception des métasurfaces les plus efficaces consiste à avoir recours à des simulations plutôt qu'à la création de séries de prototypes. Il est ainsi possible de réduire le nombre de prototypes nécessaires avant la fabrication.

Bien que les métasurfaces soient fines, leur surface étendue est constituée de nombreuses caractéristiques sensibles à l'échelle nanométrique. Un aspect qui entraîne une grande complexité de calcul. Ainsi, le traitement des demandes de mémoire des algorithmes de résolution nécessite l'emploi de calculs hautes performances (HPC) ou l'accélération du processeur graphique (GPU).

La réalisation indépendante de ce matériel peut être coûteuse. C'est pourquoi le partenariat avec des éditeurs de logiciels spécialisés peut rendre le processus plus abordable et plus pratique. Ceux qui disposent déjà des ressources matérielles nécessaires peuvent profiter de bibliothèques de méta-atomes contenant des collections de formes de colonnes possibles. Ces bibliothèques aident les ingénieurs à développer des conceptions plus robustes en interne avant la fabrication.

Conception de métasurfaces via les solutions Ansys

 Le principal défi de la conception de métasurfaces est qu'il faut intervenir à différentes échelles de taille (les cellules unitaires à l'échelle nanométrique doivent être disposées pour former des optiques à l'échelle centimétrique), avec des techniques de simulation différentes pour chaque échelle.

Les méta-lentilles sont souvent soumises à de fortes aberrations chromatiques, ce qui constitue un réel défi. En effet, les métasurfaces ont tendance à fonctionner uniquement avec leur longueur d'onde prévue et à mal fonctionner dans les autres cas. Cependant, cela peut être un avantage dans certaines conceptions de méta-lentilles, y compris celles utilisées pour créer des filtres optiques efficaces.

Certaines conceptions permettent également aux ingénieurs de créer des méta-lentilles présentant des aberrations plus faibles ou achromatiques afin de diriger différentes longueurs d'onde vers un seul point focal. D'autres utilisent les métasurfaces pour faciliter la mise au point par sous-diffraction. L'on est désormais capable de développer des méta-lentilles réglables à partir de cristaux liquides. De nombreuses considérations de conception différentes doivent donc être prises en compte.

Ansys, qui appartient à Synopsys, propose une solution de simulation avancée des ondes électromagnétiques (plateforme Ansys Lumerical) et un logiciel de lancer de rayons (logiciel Ansys Zemax OpticStudio) capables de simuler tous les effets dépendants de la longueur d'onde d'une métasurface avant toute prise de décision concernant la conception finale. Les deux outils étant parfaitement compatibles, les données peuvent être importées de la plateforme Lumerical vers le logiciel OpticStudio afin d'obtenir des informations dans toutes les échelles de taille. Ainsi, les deux simulations peuvent utiliser les mêmes données de métasurface pour que les résultats soient aussi fiables que possible avant la phase de prototype.

La simulation de métasurfaces entraîne une grande complexité de calcul qui peut être résolue en ayant recours à des algorithmes d'apprentissage automatique. Au lieu de calculer individuellement chaque cellule unitaire, la simulation est remplacée par un métamodèle entraîné, limitant ainsi les ressources nécessaires.

L'apprentissage automatique est également utilisé pour la conception inverse. Ce processus consiste à partir du résultat recherché en commençant par identifier les structures de matériaux présentant les propriétés souhaitées, à la différence des méthodes de conception traditionnelles où l'on commence par le matériau avant d'identifier ses propriétés. La conception inverse avec l'apprentissage machine identifie les structures et géométries de matériaux spécifiques qui ont les propriétés requises. La simulation est alors moins coûteuse.

L'apprentissage automatique améliore également les applications de métasurface. En imagerie, il permet de reconstruire les images après leur capture, offrant ainsi un degré d'efficacité et de flexibilité bien plus élevé que les optiques réfractives traditionnelles.

Pour en savoir plus sur la façon dont la simulation peut soutenir la conception et la fabrication de composants optiques plus avancés avec des métasurfaces, n'hésitez pas à contacter notre équipe technique.

Ressources connexes