Métasurfaces reconfigurables pour le contrôle des fronts d'onde - Application à la génération de faisceaux complexes

Due to their capability to control electromagnetic waves, metasurfaces have attracted enormous research interests these last two decades. Nevertheless, most of the works concern passive metasurfaces which allow, in most cases, only a single functionality and operate on a narrow frequency band. This PhD thesis aims at providing flexibility in wavefronts control through the design of reconfigurable metasurfaces. The works have been done jointly between Université Paris-Saclay and Xidian University. In a first step, electronically reconfigurable metasurfaces incorporating varactor diodes are developed. Then, several functionalities for controlling electromagnetic waves are implemented and experimentally validated. Directional beaming of electromagnetic waves through a subwavelength aperture where the radiation direction can be controlled is successfully performed at different frequencies. Phase plates allowing to generate diffraction-free Airy beams and zeroth-order Bessel beams and vortex beams are also implemented utilizing the designed reconfigurable metasurfaces. In the case of the vortex beams carrying orbital angular momentum, focusing and non-diffracting features are further superposed to the vortex beams, producing the focusing vortex beams and non-diffracting vortex beams and validating the versatility of the designed reconfigurable metasurface. Furthermore, the simultaneous generation of four focusing vortex beams in different directions is also achieved. Finally, three types of holographic images, including focusing spots, Arabic numbers, and Alphabet letters, and multibit spatial energy coding in different channels are realized based on the weighted Gerchberg-Saxton algorithm. The reconfigurability mechanism allows to implement several functionalities in a single metasurface, while having a certain flexibility in frequency operation.En raison de leur capacité à contrôler les ondes électromagnétiques, les métasurfaces ont suscité d'énormes intérêts en recherche au cours de ces deux dernières décennies. Cependant, la plupart des travaux concernent des métasurfaces passives qui ne permettent, dans la majorité des cas, qu'une seule fonctionnalité et qui fonctionnent sur une bande de fréquences étroite. Cette thèse de doctorat vise à fournir une flexibilité dans le contrôle des fronts d'onde grâce à la conception de métasurfaces reconfigurables. Les travaux ont été réalisés conjointement à l'Université Paris-Saclay et Xidian University. Dans un premier temps, des métasurfaces électroniquement reconfigurables incorporant des diodes varactor sont développées. Ensuite, plusieurs fonctionnalités de contrôle d'ondes électromagnétiques sont mises en œuvre et validées expérimentalement. Le rayonnement directionnel d'ondes électromagnétiques à travers une ouverture sub-longueur d'onde et où la direction du rayonnement peut être contrôlée, est réalisé avec succès à différentes fréquences. Des plaques de phase permettant de générer des faisceaux non-diffractants d'Airy et de Bessel d'ordre zéro et des faisceaux vortex sont également implémentées en utilisant les métasurfaces reconfigurables conçues. Dans le cas des faisceaux vortex transportant un moment cinétique orbital, des propriétés de focalisation et de non-diffraction sont de plus superposées aux faisceaux vortex, générant des faisceaux vortex focalisés et non-diffractants et validant ainsi la polyvalence des métasurfaces reconfigurables proposées. De plus, la génération simultanée de quatre faisceaux vortex focalisés dans différentes directions est aussi réalisé. Enfin, trois types d'images holographiques, comprenant des points focaux, des nombres et des lettres de l'alphabet, et le codage d'énergie spatiale multibits dans différents canaux sont réalisés en se basant sur l'algorithme pondéré de Gerchberg-Saxton. Le mécanisme de reconfigurabilité permet d'implémenter plusieurs fonctions dans une seule métasurface, tout en ayant une certaine flexibilité dans le fonctionnement en fréquence