Thermal illusion based on metamaterials and metasurfaces: conduction and radiation

Illusions thermiques basées sur les métamatériaux et les métasurfaces : conduction et rayonnement

Ahmed Alwakil (1)

1 CONCEPT - CONCEPT

Mimetism, camouflage or invisibility have motivated numerous efforts in the last decade, which are now extended with metasurfaces. This Ph.D. work fits this international context and was first focused on inverse problems in heat conduction before we address thermal radiation and metasurfaces, field transformation, and the mimetism of moving objects. After we generalize the mimetism techniques to heat diffusion, we solved the associated inverse problem which consists in the camouflage of given objects, that is, objects with shape or conductivity that are beforehand chosen. The results allowed us to emphasize the class of transformations which hold the physical parameters, hence giving more pragmatism to the field of mimetism. Then we addressed the case of thermal radiation and proved for the first time that mimetism effects could also be controlled in this field, on the basis of the fluctuation/dissipation theorem. In a second step, we built an original technique able to predict the thermal radiation from objects of arbitrary shapes. This technique involves inhomogeneous, anisotropic, chiral and nonlocal metasurfaces. We also show how to take more benefits of metasurfaces in order to replace the bulk mimetism cloaks. We believe this technique to give again more push forward to the field, though the mimetism efficiency now relies on the illumination conditions. Similar techniques are further developed to allow a practical use of discontinuous space transformations. Eventually, field transformation is introduced to complete all these results.

Les techniques de camouflage, mimétisme ou invisibilité ont récemment connu une forte émergence, qui se poursuit aujourd'hui avec l'apparition des méta-surfaces. C'est dans ce contexte que ce travail de doctorat a été réalisé, notamment avec un premier objectif d'étendre ces outils et concepts aux problèmes inverses du domaine de la diffusion de la chaleur. La suite du travail a concerné le rayonnement thermique, les méta-surfaces, les transformations de champ, et enfin le mimétisme d'objets en mouvement. Après avoir étendu les techniques de mimétisme au domaine de la conduction, nous avons résolu le problème inverse associé, qui consiste à camoufler des objets imposés en forme ou conductivité. Ce premier travail a permis de mettre en évidence les classes de transformation qui laissent invariantes les paramètres physiques, conférant ainsi plus de pragmatisme au domaine du mimétisme. Nous avons ensuite considéré le cas du rayonnement thermique, et démontré pour la première fois que les illusions par rayonnement étaient envisageables, en appui sur l'invariance du théorème de fluctuation/dissipation. Dans une deuxième étape, nous avons mis au point une nouvelle méthode pour calculer le rayonnement thermique par des objets de forme arbitraire, mettant en jeu des méta-surfaces inhomogènes, anisotropes, chirales et non locales. Nous montrons également comment tirer profit des méta-surfaces pour remplacer les capes volumiques tout en conservant la fonction de camouflage. Cette technique est particulièrement prometteuse pour les applications, même si elle reste intrinsèquement liée à l'éclairement. Des techniques similaires sont développées pour que soit facilitée l'utilisation de transformations discontinues de l'espace.

Mots clés: Thermal illusions; metamaterial; Thermal radiation; Space transformations

Mots clés: Illusions thermiques; radiation thermique; métamatériaux; transformations de l'espace

Domaines: Optique / photonique; Electromagnétisme; Optique [physics.optics]; Autre; Thermique [physics.class-ph]

Ahmed Alwakil. Thermal illusion based on metamaterials and metasurfaces: conduction and radiation. Optics / Photonic. Aix-Marseille Université, 2018. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02472870⟩