Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Depuis la seconde moitié du XXe siècle, de nouveaux matériaux photoniques ont graduellement fait leur apparition dans la recherche fondamentale et industrielle, et ce, à l'échelle internationale. Les métasurfaces, l'équivalent bidimensionnel des métamatériaux et composées d'éléments artificiels de taille sous-longueur d'onde, ont révolutionné notre façon de manipuler la lumière en offrant un contrôle sans précédent sur son amplitude, sa phase et sa polarisation. Effectivement, le simple fait de pouvoir concevoir une surface artificielle qui peut plier l'onde électromagnétique aux désirs de son concepteur ouvre la porte à de nouveaux paradigmes optiques. Réfraction négative, cape d'invisibilité et miniaturisation sans précédent en sont de bons exemples. Bien évidemment, il n'y a qu'un pas entre un concept si novateur et ses applications potentielles. Le fait que ces méta-atomes (les nanostructures posées sur le substrat et qui composent la métasurface) doivent être individuellement analysés avec l'aide de simulations par éléments finis (FDTD) rend la conception et surtout l'optimisation de ces métasurfaces très difficiles. C'est pourquoi les modèles semi-analytiques sont si pertinents. Ces modèles permettent de reproduire avec suffisament de précision les résultats de ces longues simulations en une fraction du temps, souvent de plusieurs ordres de grandeurs inférieurs. La difficulté de ce genre de modélisation est que pour y arriver, plusieurs théories doivent être combinées afin de prendre en compte le plus de facteurs qui sont analysés par les simulations par éléments finis, qui reprennent sommairement les équations de Maxwell sur l'ensemble de la surface sous analyse. De plus, dépendamment du type de nanostructure (de sa forme, de sa taille, du matériau qui la compose), un modèle peut être mathématiquement adéquat et précis pour un méta-atome et être incorrect pour une autre forme. Cependant, si un modèle est validé pour une nanostructure précise, on peut s'en servir pour simuler très rapidement les différentes propriétés optiques qu'une métasurface composée de cette nanostructure aurait si elle était soumise à différents cas d'illumination. Finalement, si plusieurs modèles sont pertinents et validés, le fait de pouvoir les mélanger ouvre la porte à une grande liberté de conception pour un ingénieur qui souhaiterait concevoir une métasurface composée de différents méta-atomes, en permettant un processus d'optimisation itératif par exemple. / Since the second half of the 20th century, new photonic materials have gradually emerged in fundamental and industrial research on an international scale. Metasurfaces, the two-dimensional counterparts of metamaterials, composed of artificial elements with sizes below the wavelength, have revolutionized the way we manipulate light, offering unprecedented control over its amplitude, phase, and polarization. Indeed, the mere ability to design an artificial surface capable of bending electromagnetic waves to the designer's desires opens the door to new optical paradigms. Negative refraction, invisibility cloaks, and unprecedented miniaturization are among the most notable examples. Undoubtedly, there is more than just a step between such innovative concepts and their potential applications. The fact that these meta-atoms (nanostructures placed on the substrate and composing the metasurface) need to be individually analyzed using finite-difference time-domain simulations (FDTD) makes the design and, more importantly, the optimization of these metasurfaces very challenging. This is where semi-analytical models become highly relevant. These models allow reproducing the results of these lengthy simulations with sufficient accuracy in a fraction of the time, often several orders of magnitude faster. The difficulty in this type of modeling lies in the need to combine multiple theories to account for the numerous factors analyzed by finite-difference time-domain simulations, which, in summary, apply Maxwell's equations to the entire surface under analysis. Additionally, depending on the type of nanostructure (its shape, size, and the material it is composed of), a model that is mathematically adequate and accurate for one meta-atom may be incorrect for another form. However, once a model is validated for a specific nanostructure, it can be used to rapidly simulate the different optical properties that a metasurface composed of this nanostructure would exhibit under various illumination scenarios. Ultimately, if multiple models are relevant and validated, the ability to mix them opens the door to significant design freedom for an engineer wishing to create a metasurface composed of different meta-atoms. In this thesis, we will explore the key concepts of semi-analytical modeling of metasurfaces, emphasizing the advantages they offer in design and optimization. Our research aims to accelerate the development of these innovative structures, unlocking new possibilities for advanced and functional optical devices.

Des propriétés électromagnétiques nouvelles peuvent être réalisées à l'aide d'une méta-surface à travers des structures artificielles. La permittivité et la perméabilité effectives d'une méta-surface peuvent être conçues de façon flexible et même accordées de sorte à présenter des réponses électromagnétiques pouvant être très différentes de celles de leurs homologues naturels, ce qui conduit à des propriétés améliorées voire parfois à un comportement extraordinaire. Cette thèse porte sur la conception, la fabrication et l'expérimentation de méta-surfaces micro-fluidiques pour le contrôle de propriétés des ondes électromagnétiques. Leur réalisation est basée sur des technologies relevant de la photolithographie et de la micro-fluidique, mises en œuvre sur des substrats souples d'épaisseur sub-longueur d'onde. Plus spécifiquement, nous avons exploité l'incorporation de divers matériaux dans un réseau de canaux micro-fluidiques, y compris des diélectriques liquides, un métal liquide et un métal solide pour manipuler davantage les réponses électromagnétiques des méta-surfaces correspondantes, telles que l'absorption, la transmission et la chiralité. La première partie de la thèse présente une méta-surface très absorbante sur une ultra-large bande spectrale et. Elle est constituée d'un réseau de résonateurs formés de gouttelettes d'eau noyées dans le matériau diélectrique souple, le PDMS; l’absorption mesurée est presque parfaite sur les bandes Ku, K et Ka. La seconde partie de la thèse porte sur un absorbeur agile et indépendant de l'angle dans la gamme Térahertz ; il s’agit d’une méta-surface à base de métal liquide, où un réseau de puits métalliques liquides dont la hauteur est contrôlée de façon continue, ce qui brise la limitation d'accordabilité dans le plan 2D. La troisième partie de la thèse porte sur une méta-surface chirale active. La méta-surface peut être commutée de achiral à chiral en déformant la structure en spirale initialement plane vers une géométrie 3D. Cette fonctionnalité peut manipuler la transmission hyperfréquence de symétrique à asymétrique sous incidence avant et arrière. En conclusion, l'optimisation de l'absorption, de la transmission et de la chiralité d’ondes électromagnétiques a été réalisée grâce à des méta-surfaces micro-fluidiques, qui semblent ainsi présenter un important potentiel applicatif dans divers domaines tels que la technologie furtive, l'imagerie et la communication optique / Novel and tailored electromagnetic properties can be realized using a metasurface through artificially designed structures. The effective permittivity and permeability of a metasurface can be flexibly designed and even tuned so as to exhibit electromagnetic responses that can be very different from those of their natural counterparts, leading to enhanced properties and sometimes to extra-ordinary behaviour. This thesis focuses on the design, fabrication and experimentation of meta-liquid-based metasurfaces for electromagnetic wave control and modulation. These metasurfaces are based on the use of both photolithography-based microfabrication and microfluidic technologies implemented onto thin and flexible substrates of sub-wavelength thickness. More specifically, the incorporation within a microfluidic channel network of various materials, including liquid dielectric material, liquid metal and solid metal have been exploited to further manipulate the electromagnetic responses of the related metasurfaces, such as the absorption, transmission and chirality. The first part of the thesis reports an ultra-broadband and wide-angle absorbing material by water-resonator-based metasurface. It consists of an array of water droplets embedded in the soft dielectric material, PDMS; it exhibited an almost perfect absorptivity over the Ku, K and Ka bands. The second part of the thesis focuses on a frequency-agile and wide-angle absorber in terahertz by liquid-metal-based metasurface, where a liquid-metal-pillar array can be continuously controlled in the vertical direction hence breaking the tuning limitation in the 2D plane. The third part of the thesis focuses on an active chiral metasurface. The metasurface can be switched from achiral to chiral by changing the spiral structure from planar pattern to 3D pattern. This functionality can manipulate the microwave transmission from symmetric to asymmetric under forward and backward incidence. In conclusion, tunability on the absorption, transmission and chirality have been realized through microfluidic metasurfaces, which appear having high potential applications in various areas such as stealth technology, imaging system, and optical communication, to name a few

Dans ce rapport, une méthode pour l'implémentation de distributions de champ arbitraires utilisant des metasurfaces tensorielles est présentée. Les metasurfaces modulées sinusoïdalement sont utilisées afin de générer des ondes de fuite avec un contrôle de l'amplitude et de la phase. La distribution de phase du champ d'ouverture désirée est obtenue en utilisant une nouvelle formulation locale du principe de l'holographie. D'autre part, la distribution d'amplitude est contrôlée en faisant varier les indices de modulations ainsi que l'impédance moyenne en fonction de la position. Un contrôle indépendant de l'amplitude et de la phase est obtenu en modulant séparément les composantes du tenseur d'impédance. La formulation théorique est présentée en détails en prenant en compte la méthode d'implémentation ainsi que les contraintes d'adaptation. La méthode proposée est appliquée afin de générer plusieurs types de diagrammes de rayonnement aussi bien en champ lointain qu'en champ proche. La procédure de design a été validée numériquement avec des simulations pour une fréquence de travail de 20GHz. Les résultats obtenus sont en concordances avec les résultats théoriques attendus. Différentes metasurfaces ont ensuite été fabriquées et mesurées pour des fréquences de travail de 10GHz, 12.25GHz et 20GHz. Les résultats de mesures et de simulations démontrent qu'une large variété de distribution d'ouverture avec un contrôle d'amplitude et de phase peut être réalisée avec la méthode proposée. / In this thesis, a method for the implementation of arbitrary aperture field distributions using tensorial metasurfaces is introduced. Sinusoidally modulated metasurfaces are used in order to generate leaky waves with control on both phase and amplitude. The desired aperture phase distribution is obtained using a new local holography formulation. On the other hand, the amplitude distribution is controlled by varying modulation indices and average impedance depending on the position. A separate control of the aperture field components is achieved by modulating the impedance tensor elements independently. The theoretical formulation of the method is presented in details by taking into account the implementation method and antenna adaptation issues. The method is applied to design a wide range of radiation patterns examples both for far-field and near-field applications. The design procedure was first validated with simulations results for a working frequency of 20GHz giving a good agreement with the theoretical results. Several metasurfaces were then manufactured and measured for working frequencies of 10 GHz, 12.25 GHz and 20GHz. The consistency of the measurements and the simulation results proves that a good control of the aperture field phase and amplitude distributions is achieved using the proposed method.

Cette thèse est consacrée au développement de modèles semi-analytiques précis pour le calcul numérique de dispositifs nanophotoniques résonants. Il s'agit en particulier de membranes à cristaux photoniques, qui supportent des résonances avec des très grands facteurs de qualité, et d’ensembles composés de plusieurs nano-antennes plasmoniques, qui présentent des résonances avec des faibles facteurs de qualité. La thèse est divisée en deux parties.La première partie présente un modèle semi-analytique pour le calcul des modes supportés par des membranes à cristaux photoniques. Les modes à fuite (leaky modes) supportés par ces membranes structurées sont modélisés comme une résonance Fabry-Perot transverse composée de quelques ondes de Bloch propagatives qui vont et viennent verticalement à l'intérieur de la structure. Ce modèle est appliqué à l'étude des états liés dans le continuum (bound states in the continuum, ou BIC). Nous montrons que le modèle Fabry-Perot multimode est parfaitement adapté pour prédire l'existence des BICs ainsi que leur position dans l'espace des paramètres. Grâce à la semi-analyticité du modèle, nous étudions la dynamique des BICs avec l'épaisseur de la membrane pour des structures symétriques et asymétriques. Dans ce dernier cas, nous étudions des objets présentant soit une symétrie horizontale brisée, soit une symétrie verticale brisée (ajout d'un substrat). Le modèle Fabry-Perot nous permet d’obtenir des informations importantes sur la nature et le comportement des BICs. Nous démontrons que lorsque la symétrie miroir horizontale est brisée, les BICs dus à la symétrie du système, qui existent dans les structures symétriques au point Gamma du diagramme de dispersion, restent des BICs malgré l’absence de symétrie mais changent de nature. Ils deviennent des BICs dus à des interférences destructives entre les ondes de Bloch. La deuxième partie est consacrée au développement d'une théorie modale originale pour modéliser la diffusion de la lumière par des structures complexes composées d'un ensemble de plusieurs nano-antennes. L'objectif est de pouvoir modéliser la diffusion de la lumière par des métasurfaces à partir de la seule connaissance des modes de leurs constituants individuels. Pour ce faire, nous combinons un formalisme modal basé sur l’utilisation des modes quasi-normaux (QNM) avec la théorie multipolaire de la diffusion multiple basée sur le calcul de la matrice de transition (matrice T) d'un diffuseur unique. La matrice T fournit la relation entre le champ incident et le champ diffusé dans la base des harmoniques sphériques vectorielles. Elle contient toutes les propriétés de diffusion intrinsèques à l'objet. Le calcul de cette matrice représente une charge numérique lourde car elle nécessite de nombreux calculs rigoureux du champ diffusé. L'utilisation d'une décomposition modale avec des QNMs nous permet d’une part de rendre une partie du calcul analytique et d’autre part d'apporter une meilleure compréhension physique. Nous dérivons une décomposition modale de la matrice T et testons sa précision sur le cas de référence d'une nanosphère métallique.Enfin, la décomposition modale de la matrice T est appliquée à des cas pratiques d'intérêt en nanophotonique. A partir de la seule connaissance de quelques modes d'un nanocylindre plasmonique unique, nous calculons analytiquement la diffusion multiple de la lumière par un dimère et par une antenne Yagi-Uda composés de ces nanocylindres. Nous appliquons également l’approche modale à un réseau périodique bidimensionnel de nanocylindres . La comparaison avec les résultats d'une méthode numérique rigoureuse démontre un bon accord avec le calcul modal. Par rapport à des calculs entièrement rigoureux, la décomposition modale de la matrice T permet une réduction significative du temps de calcul. Comme les calculs sont analytiques une fois que les modes ont été calculés, l'approche modale est extrêmement utile pour les problèmes d'optimisation. / The presented thesis is dedicated to the development of semi-analytical accurate models for the numerical calculation of resonant nanophotonic devices. In particular, it concerns photonic crystal slabs, which can support resonances with high quality factors, and ensembles composed of several plasmonic nanoantennas, which exhibit resonances with low quality factors. The structure of the thesis is two-fold. In the first part, a semi-analytical model for the calculation of the modes supported by photonic crystal slabs (their dispersion and quality factors) is presented. Leaky modes supported by photonic crystal slabs are modeled as a transverse Fabry-Perot resonance composed of a few propagative Bloch waves bouncing back and forth vertically inside the slab. This model is applied to the study of bound states in the continuum (BICs). We show that the multimode Fabry-Perot model is perfectly suitable to predict the existence of BICs as well as their precise positions in the parameter space. We show that, regardless of the slab thickness, BICs cannot exist below a cut-off frequency, which is related to the existence of the second-order Bloch wave in the photonic crystal. Thanks to the semi-analyticity of the model, we investigate the dynamics of BICs with the slab thickness in symmetric and asymmetric photonic crystal slab. In the latter case, we investigate structures with either a broken horizontal symmetry or a broken vertical symmetry (addition of a substrate). As a result, we obtain some important insights into the nature and behavior of BICs. We evidence that, as the horizontal mirror symmetry is broken, the symmetry-protected BICs that exist in symmetric structures at the Gamma-point of the dispersion diagram are still BICs despite the absence of symmetry but change their nature. They become resonance-trapped BICs, but only for specific values of the slab thickness.The second part of the thesis is dedicated to the development of an original modal theory to model light scattering by complex structures composed of a small ensemble of plasmonic nanoantennas. The objective is to be able to model light scattering by metasurfaces from the sole knowledge of the eigenmodes of their individual constituents. For that purpose, we combine a quasi-normal mode (QNM) formalism with the multipole multiple-scattering theory based on the calculation of the so-called transition matrix (T-matrix) of a single scatterer. The T-matrix provides the relation between the incident and scattered fields in the vectorial spherical harmonics basis. It captures all the intrinsic scattering properties of the object that are due to its shape and refractive index distribution. Computation of the T-matrix is a heavy numerical burden since it requires numerous rigorous calculations of the scattered field— one for each harmonic in the basis. Using a modal expansion of the scattered field with QNMs allows us to bring both analyticity and physical understanding into the calculation. We derive a modal expansion of the T-matrix and test its accuracy on the reference case of a metallic nanosphere.Finally, we apply the modal expansion of the T-matrix to practical cases of interest in nanophotonics. From the sole knowledge of a few modes of a single plasmonic nanorod, we calculate analytically multiple light scattering by a dimer and a Yagi-Uda antenna composed of these nanorods. We apply also the modal approach to a periodic two-dimensional array of nanorods. Comparison with the results of a rigorous Maxwell’s equations solver demonstrates a good agreement with the QNM-based calculation. Compared to fully rigorous calculations, the QNM expansion of the T-matrix allows for a significant reduction of the computation time. Since the calculations are analytical once the modes have been calculated, the QNM approach is extremely useful for optimization problems.

Dans le moyen infrarouge, il n’existe pas à l’heure actuelle de source bon marché, compacte et modulable rapidement en amplitude. L’émission thermique est souvent écartée à cause des propriétés du rayonnement de corps noir : il est large spectralement, isotrope, non polarisé et la fréquence de modulation en intensité est limitée à quelques hertz par l’inertie thermique des émetteurs.Cependant, aucune limite fondamentale n’impose ces inconvénients. L’objectif de cette thèse est de concevoir, fabriquer et caractériser des sources infrarouges incandescentes, de spectre et polarisation contrôlés, modulables au-delà du mégahertz. Les dispositifs que nous présentons reposent sur la modulation rapide de la température d’un émetteur de faible épaisseur, posé sur un substrat qui demeure froid : en effet, la conduction permet de le refroidir en un temps qui dépend quadratiquement de l’épaisseur.Dans un premier temps, nous présentons une source émettant en bande II (3 – 5 microns) fondée sur le principe de l’écran de Salisbury ; sa réponse en fréquence est caractérisée jusqu’à la dizaine de mégahertz.Puis nous modifions cette structure pour utiliser un réseau métallique sub-longueur d’onde et faisons ainsi la démonstration d’une source en bande II modulable et polarisée linéairement.Enfin, nous proposons plusieurs dispositifs pouvant rayonner avec une polarisation circulaire ainsi qu’une source en bande III (8 – 12 microns) constituée d’une métasurface de nano-émetteurs chauds couplés à des nano-antennes froides. / Currently, there is no available source in the mid-infrared range which can be cheap, compact, and whose intensity can be modulated at high frequency. For this purpose, thermal radiation is often considered irrelevant because of the blackbody properties: it is intrinsically broadband, isotropic, unpolarized and the intensity modulation rate is usually limited to a few hertz by thermal inertia.However, there is no fundamental limit that imposes these properties. The goal of this thesis is to design, fabricate and experimentally characterize infrared incandescent sources with a controlled spectrum and polarization and with an intensity that can be modulated faster than 10 megahertz. We present devices which rely on fast temperature modulation of a thin emitter placed on a cold substrate. Indeed, thanks to heat conduction, this emitter can cool down within a characteristic time which varies as the square of its thickness.Firstly, we show a device emitting in MWIR (mid-wave infrared, 3 – 5 microns) based on the Salisbury screen’s principle. We characterize its frequency response up to 10 MHz.Then, we modify this structure and use instead a sub-wavelength metallic grating, thus demonstrating a MWIR source linearly polarized with the same modulation properties.Finally, we propose several devices which can emit circularly polarized infrared radiation and a source operating in LWIR (long-wave infrared, 8 – 12 microns) consisting in a metasurface of hot nano-emitters coupled to cold nano-antennas.

Cette thèse est consacrée à la fabrication et à l’étude d’une nouvelle classe de matériaux à gradient d’indice acoustique (GRIN) pour la manipulation des ondes acoustiques ultrasonores dans l’eau. Comme en optique, les « GRIN acoustiques » sont des matériaux non homogènes, dans lesquels l'indice de réfraction acoustique n =C_(L,eau/air)/C_(L,matériau) varie en fonction de la position à l'intérieur du matériau. Ici, C_(L,eau/air) and 〖 C〗_(L,matériau) sont respectivement les vitesses des ondes acoustiques dans un milieu de référence (l’eau pour l'acoustique sous-marine dont il est question ici) et dans le matériau. Nous décrivons ici la fabrication de matériaux GRIN ultra-minces (c’est-à-dire sub-longueur d’onde) que nous désignons de fait sous le terme de métasurfaces acoustiques « molles » à gradient d’indice, conçues à partir de silicone poreux à indice acoustique élevé. Nous montrons que ces matériaux permettent a priori la génération de tous types de fronts d’onde en milieu sous-marin, et ce sur une très large bande de fréquence des ondes ultrasonores. / This thesis is devoted to the fabrication and the study of a novel class of acoustic gradient index (GRIN) materials for the manipulation of waterborne acoustic waves. As in optics, acoustic GRIN are inhomogeneous materials, in which the acoustic refractive index n =C_(L,water/air)/C_(L,material) varies as a function of the position inside the material. Here, C_(L,water/air) and 〖 C〗_(L,material) are the acoustic wave speeds in a reference medium (water for underwater acoustics) and in the material respectively. We here describe the fabrication of ultrathin (i.e. sub-wavelength) GRIN materials named “Soft acoustic gradient index metasurfaces” engineered from soft graded-porous silicone rubbers with a high acoustic index for broadband ultrasonic three-dimensional wave-front shaping in water.

Artificiels structurés, présentent des propriétés inédites et des aptitudes uniques pour la manipulation d’ondes en général. L’avènement de ces nouveaux matériaux a permis de dépasser les limites classiques dans tout le domaine de l’acoustique-physique, et d’élargir l’horizon des recherches fondamentales. Plus récemment, une nouvelle classe de structures artificielles, les métasurfaces acoustiques, présentant une valeur ajoutée par rapport aux métamatériaux, avec des avantages en termes de flexibilité, de finesse et de légèreté de structures, a émergé. Inspirés par ces propriétés et fonctionnalités sans précédent, des concepts innovants pour la collecte d’énergie acoustique avec ces deux types de structures artificielles ont été réalisés dans le cadre de cette thèse. Tout d’abord, nous avons développé un concept à base d’un métamatériau en plaque en se basant sur le de l’approche de bande interdite et des modes de défaut permis par le mécanisme de Bragg. Dans la deuxième partie de cette thèse, des métasurfaces d’épaisseur sublongueur d’onde et ultra-minces composées d’unités labyrinthiques ou de résonateurs de Helmholtz ont été conçues et étudiées pour s’atteler à la focalisation et au confinement de l’énergie acoustique. Cette thèse propose un nouveau paradigme de collecte d’énergie des ondes acoustiques à base des métamatériaux et métasurfaces. La collecte de cette énergie acoustique renouvelable, très abondante et actuellement perdue, pourrait particulièrement être utile pour l’industrie de l’aéronautique, de l’automobile, du spatial, de l’urbanisme / Phononic crystals (PCs) and acoustic metamaterials (AMMs), well-known as artificially engineered materials, demonstrate anomalous properties and fascinating capabilities in various kinds of wave manipulations, which have breached the classical barriers and significantly broaden the horizon of the whole acoustics field. As a novel category of AMMs, acoustic metasurfaces share the functionalities of AMMs in exotic yet compelling wave tailoring. Inspired by these extraordinary capabilities, innovative concepts of scavenging acoustic energy with AMMs are primarily conceived and sufficiently explored in this thesis. Generally, a planar AMM acoustic energy harvesting (AEH) system and acoustic metasurfaces AEH systems are theoretically and numerically proposed and analyzed in this dissertation. At first, taking advantage of the properties of band gap and wave localization of defect mode, the AEH system based on planar AMM composed of a defected AMM and a structured piezoelectric material has been proposed and sufficiently analyzed. Secondly, subwavelength (λ/8) and ultrathin (λ/15) metasurfaces with various lateral configurations, composed of labyrinthine and Helmholtz-like elements, respectively, are designed and analyzed to effectively realize the acoustic focusing and AEH. This thesis provides new paradigms of AEH with AMMs and acoustic metasurfaces, which would contribute to the industries of micro electronic devices and noise abatement as well

La recherche de nouveaux matériaux a permis de nouveaux développements au cours de ces dernières décennies. Ce sont entre autres les diélectriques artificiels ou encore les métamatériaux. Cependant, si ces matériaux restent passifs, malgré tous les développements possibles, les performances des antennes, ou autres structures électromagnétiques qui découlent d’eux seront toujours confrontés aux mêmes limitations fondamentales. En intégrant des circuits actifs dans ces matériaux, par exemple des résistances négatives, des capacités négatives et des inductances négatives, il est possible de dépasser ces limitations ainsi les propriétés synthétisables et les applications d’ingénierie pourront être significativement élargies. En effet, cela permettrait de créer des matériaux et des dispositifs dont les propriétés ne seront pas possibles autrement et surpasseraient celles des matériaux existant dans la nature. Cette thèse a été l’occasion dans un premier temps d’utiliser les circuits non-Foster qui sont des circuits à rétroaction actif, pour l’adaptation d’une antenne électriquement petite à basses fréquence. Ceci a permis de mettre en évidence ses avantages par rapport à une adaptation passive plus conventionnelle.Ensuite, des capacités négatives ainsi que des inductances négatives et positives ont été conçues. Leur fonctionnement totalement différent des composants passifs a été mis en exergue. Ce qui nous a conduit à les appliquer sur des structures périodiques. Cela a donné des résultats intéressants comme la propagation supraluminique sur une ligne de transmission des ondes. Et en les appliquant à la cellule unitaire d’une surface de métamatériaux qui est aussi une structure périodique, sa taille est réduite pour une plus grande compacité des antennes à cavités conçues pour les basses fréquences où la longueur d’onde est très grande. / The search of new materials has enabled new developments in recent decades. Among these are artificial or dielectric metamaterials. However, if these materials are passive, despite all the possible developments, the antennas performances or other structures resulting from them will still face the same fundamental limitations. By adding active circuits in these materials, such as negative resistors, negatives capacitors and negative inductors, it is possible to overcome these limitations and the synthesized properties and engineering applications can be significantly expanded. Indeed, this would create materials and devices with properties which can allow us to obtain behavior nonexistent in nature. This open the way to new applications. In this thesis, we explore the opportunity at first to use non-Foster circuits that are active feedback circuit, in the matching network of an electrically small antenna for low frequency operation. This helped to highlight its advantages over more conventional passive matching. Then, negative capacitors and negative and positive inductors were fabricated. Their totally different behaviors with passive components were also highlighted. This led us to apply them on periodic structures. Interesting results were obtained as superluminal wave propagation on a transmission line. And by applying to the unit cell of a metamaterial surface which is also a periodic structure, the size is reduced to a more compact cavity antennas designed for low frequency where the wavelength is very large.