Theoretical study of light emission by an ensemble of thermalized emitters in a resonator
Étude théorique de l'émission de lumière par une assemblée d'émetteurs thermalisés dans un résonateur
Résumé
The control of the light emission properties (spontaneous emission rate, spectrum, directivity, polarization, etc) is at the heart of many present applications. A remarkably successful approach consists in using a resonator, such as a cavity or a nanoantenna, to modify the emission process of one or several emitter(s). In particular, numerous resonant devices based on solid-state emitters have been studied. However, theoretical modeling of these devices is more challenging than that of devices featuring a two-level emitter, and few possibilities have been explored. In this thesis, we develop and test new theories for the study of light emission by solid-state emitters through a resonator, in the particular case of locally thermalized emitters. In this hypothesis, the variables quantifying the emission are simply the system absorptivity, the carriers temperature, and their quasi-Fermi levels. In this context, it has been argued recently that an extension of the Kirchhoff law of thermal radiation to locally thermalized systems enables a quantitative prediction of the emission properties. This modeling tool is central to this thesis. Four problems are addressed: (i) The control by a metasurface of the spontaneous emission by an assembly of colloidal quantum dots is studied. An excellent agreement between simulations with the Kirchhoff law and existing experimental data is found, showing the validity of this new modeling tool. (ii) A comprehensive study of the generalization of the Kirchhoff's law is made, that reveals its validity in the laser regime. (iii) The phenomenon of photoluminescence by a metal pumped by a laser is studied. Under continuous wave pumping, approximations enable the writing of a generalized Kirchhoff's law, although the emitters are not thermalized. A good agreement between this model and experimental data is found. (iv) The phenomenon of photons Bose-Einstein condensation is studied, and in particular its link with the laser regime of thermalized emitters in a resonator. An out-of-equilibrium generalization of the Bose-Einstein distribution is introduced, that enables linking these two regimes and rethinking the laser regime of a multimode resonator.
Le contrôle des propriétés de l'émission de lumière (taux d'émission spontanée, spectre, directivité, polarisation…) est aux cœur de nombreuses applications actuelles. Une approche remarquablement efficace est l'utilisation d'un résonateur, tel qu'une cavité ou une nanoantenne, pour modifier le processus d'émission par un/des émetteur(s). En particulier, de nombreux dispositifs résonants basés sur des émetteurs à l'état solide ont été étudiés. Cependant, la modélisation théorique de ces dispositifs est plus complexe que pour ceux reposant sur un émetteur unique, et a été peu explorée. Dans cette thèse, nous développons et testons de nouvelles théories pour l'étude de l'émission de lumière par des d'émetteurs à l'état solide via un résonateur, dans le cas particulier où les émetteurs sont localement thermalisés. Dans cette hypothèse, les grandeurs caractérisant l'émission sont simplement l'absorptivité du système, la température des porteurs et leurs quasi-niveaux de Fermi. Il a été ainsi récemment avancé qu'une extension de la loi de Kirchhoff aux systèmes localement thermalisés permet de prédire quantitativement les propriétés de l'émission. Cet outil de modélisation est central dans cette thèse. Quatre problèmes sont abordés : (i) Le contrôle par une métasurface de l'émission spontanée par un ensemble de boîtes quantiques colloïdales est étudié. Un excellent accord entre des simulations avec la loi de Kirchhoff généralisée et des données expérimentales existantes est exposé, démontrant la validité de ce nouvel outil théorique. (ii) Une étude approfondie de la loi de Kirchhoff généralisée est menée, permettant de mettre en évidence sa validité dans le régime laser. (iii) Le phénomène de photoluminescence par un métal pompé par un laser est étudié. Sous pompage continu, des approximations permettent d'établir une loi de Kirchhoff généralisée, bien que les émetteurs ne soient pas thermalisés. Un bon accord entre ce modèle et des données expérimentales est trouvé. (iv) Le phénomène de condensation de Bose-Einstein de photons est étudié, et en particulier son lien avec le régime laser d'émetteurs thermalisés dans un résonateur. Une généralisation hors-équilibre de la distribution de Bose-Einstein est introduite, permettant de relier ces deux régimes et de repenser le régime laser d'un résonateur multimode.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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