Cristaux photoniques

Définition Les cristaux photoniques sont des matériaux présentant une architecture périodique à une échelle micro- ou nano-scopique. Cette architecture peut être orientée de façon unidimensionnelle (1D), bidimensionnelle (2D) ou tridimensionnelle (3D) comme présenté sur la Figure I 1. La périodicité de l’indice optique crée alors l’apparition de bandes interdites de propagation de la lumière au sein du cristal dans certaines plages de longueurs d’ondes. Ces plages dépendent des indices et des dimensions des différents domaines composant le cristal. La lumière ne pouvant pas se propager dans le cristal elle est réfléchie et il n’y a pas de perte par absorption. L’interaction très singulière des cristaux photoniques avec la lumière en fait des éléments de choix pour de nombreuses applications telles que les fibres optiques à réseau de Bragg [8] ou des techniques de conception d’éléments optiques perfectionnées .

Propriétés physiques remarquables

Dans cette partie, nous faisons un rappel des propriétés remarquables des cristaux photoniques en nous appuyant sur les multicouches unidimensionnelles, communément appelées miroirs de Bragg. Les miroirs de Bragg sont des structures multicouches composées de deux matériaux d’indices optiques différents, alternés de manière périodique (Figure I 2). Ils sont caractérisés par leur réflectivité très importante dans une certaine gamme de longueur d’onde. Si on considère un miroir de Bragg composé d’un matériau 1 et d’un matériau 2 d’épaisseurs respectives e1 et e2, d’indices N1 et N2 et contenant n périodes La longueur d’onde réfléchie par ce miroir de Bragg est donnée par la relation : Figure I 2 Représentation schématique d’un miroir de Bragg composé d’un matériau 1 et d’un matériau 2. Dans cet empilement, trois caractéristiques clés sont présentes : le nombre de couches et, comme le montre l’ Eq. I 1, l’indice de réfraction optique des couches ainsi que leurs épaisseurs. Plus la structure comporte de périodes plus la sélectivité spectrale autour des longueurs d’ondes de Bragg est importante comme l’illustre la Figure I 3. (a) (b) Figure I 3 Spectre de réflectivité d’un miroir de Bragg composé de polymère/oxyde de titane obtenu par simulation de 3 périodes (a). Spectre de réflectivité d’un miroir de Bragg polymère/oxyde de titane avec 10 périodes (b). Sur la Figure I 3, on observe que l’augmentation du nombre de périodes améliore la sélectivité spectrale au niveau des ordres de Bragg. De plus, avec l’augmentation du nombre de périodes on observe l’apparition de lobes secondaires. Pour un miroir de n périodes, on observera n-1 lobes secondaires. Par ailleurs, la différence d’indice de réfraction entre les deux matériaux est également particulièrement importante, elle détermine les coefficients de réflexion/transmission aux interfaces et donc les intensités des rayons interférants. La 8 Figure I 4 montre des spectres de réflectivité pour différents couples d’indices de réfractions. (a) (b) (c) Figure I 4 Spectre de réflectivité obtenu par simulation pour un miroir de Bragg composé de 10 couches avec des matériaux de différents indices optiques: (a) 2,5 / 2,6 (b) 2,5 / 2 (c) 2,5 / 1,5. Sur la Figure I 4, on observe que plus la différence d’indice de réfraction est marquée plus la réflexion est importante et la bande interdite large. Ainsi, les trois paramètres que sont les épaisseurs des couches, les écarts d’indices de réfractions entre les couches et le nombre de couches permettent d’ajuster les propriétés optiques des miroirs de Bragg. B. Cristaux photoniques stimulables Les couleurs naturelles les plus iridescentes et vives sont généralement d’origine physique. En outre, certaines espèces vivantes sont capables de modifier leurs microstructures en réponse à un stimulus afin de modifier leur aspect. Ce phénomène de microstructures modulables très présent dans la nature a inspiré de nombreuses études pour développer des systèmes innovants. Nous présentons dans un premier temps quelques exemples d’études de cristaux photoniques modulables naturels puis nous étudierons des systèmes artificiels. 1. Inspiration naturelle On peut observer ce phénomène d’iridescence par exemple avec les ailes du papillon Morpho, exposées en Figure I 5. Les couleurs iridescentes observées sont provoquées par la microstructure lamellaire régulière et l’écart d’indice de réfraction entre les ailes et l’air. Les travaux de l’équipe de E. Olson ont mis en évidence la dépendance du spectre de réflexion de ces ailes de papillons avec la composition de la vapeur environnante [11]. Ici, ils exploitent le changement d’indice optique au sein d’un des composants de la structure interférentielle pour changer le chemin optique et créer ainsi un détecteur très sélectif de vapeur chimique.