Academic literature on the topic 'Capteur de front d’onde'

Les analyseurs de front d’onde permettent de mesurer l’intensité et la phase de la lumière. Ce sont des instruments de mesure très flexibles qui trouvent leur place autant dans les laboratoires de recherche que dans les chaînes de contrôle de fabrication des optiques. Ils y ouvrent de nouveaux horizons pour des applications sans cesse renouvelées.

Depuis la fin des années 2000, les techniques de modulation du front d’onde ont connu un grand essor pour les applications aux milieux complexes. Ces milieux, en particulier les milieux biologiques épais et les fibres optiques multimodes, mélangent la lumière rendant l’imagerie impraticable. En permettant de focaliser la lumière ou de reconstruire des signaux à travers ces milieux, le contrôle du front d’onde a permis de nombreuses avancées pour l’imagerie et les télécommunications.

La diffusion de la lumière est souvent considérée comme un obstacle en optique, dont on souhaite s’affranchir. Alors que c’était encore inconcevable au début du siècle (il y a à peine 15 ans !), il est désormais possible de manipuler la lumière cohérente multidiffusée dans des échantillons complexes grâce aux modulateurs spatiaux de lumière. Cette nouvelle thématique, dite du « contrôle du front d’onde », s’avère très prometteuse pour l’imagerie en profondeur, mais également pour le contrôle de l’interaction lumière-matière en milieu désordonné.

Un vortex optique est un faisceau laser dont le front d’onde est hélicoïdal. Il est donc chiral, d’hélicité gauche ou droite selon le sens de l’hélice. En plus du moment angulaire de spin qui correspond à la polarisation, les photons possèdent aussi un moment angulaire orbital (OAM) qui est quantifié et caractérise l'hélicité du vortex. L’interaction non linéaire de vortex optiques avec des atomes conduit à l’échange d’OAM avec l‘ensemble atomique et la génération de nouveaux vortex. Les propriétés quantiques de ces vortex sont une ressource exploitable dans le cadre des technologies quantiques comme le stockage et le codage de l’information.

Objectif : Mesurer le niveau des aberrations d’ordres supérieurs (AOS) lors du port d’une lentille cornéenne (LC) souple asphérique, par rapport à une LC sphérique, chez des sujets myopes. Méthode : Des mesures de sécheresse oculaire et d’aberrométrie ont été effectuées sur un échantillon de 15 sujets myopes âgés de 20 à 30 ans. L’aberrométrie était mesurée dans trois conditions : 1. avec une LC sphérique, 2. asphérique ou 3. sans LC. Pour chacune de ces trois conditions, la racine des moindres carrés (RMC) des AOS, l’aberration sphérique (AS) et la coma ont été mesurées à cinq reprises dans un intervalle de 15 secondes durant lequel le sujet devait s’abstenir de cligner des yeux. Résultats : Les AOS augmentent lors du port d’une lentille sphérique. Avec les LC asphériques, l’augmentation des AOS tend à être plus faible. La LC sphérique provoque une augmentation significative de l’AS et de la coma horizontale par rapport à la condition sans LC. Pour la LC asphérique, on note une tendance vers une progression moins importante de ces aberrations, quoique les différences entre ces deux types de lentilles ne soient pas statistiquement significatives. Quant aux variations inter-clignement, il y a une augmentation semblable des AOS et des modes individuels dans le temps pour les trois situations. Conclusion : Il y a une tendance vers moins d’AS, de coma horizontale et d’AOS en général lors du port d’une LC asphérique par rapport au port d’une lentille sphérique. Par ailleurs, toutes les aberrations mesurées augmentent lors d’un intervalle prolongé entre les clignements, peu importe la condition testée.

La nanoindentation est couramment utilisée pour déterminer les propriétés mécaniques locales des matériaux. La matière est sollicitée de façon quasi statique en appliquant un indenteur sur la surface à analyser. À partir de la courbe représentant la charge appliquée par l’indenteur sur le matériau en fonction du déplacement de l’indenteur, les modèles classiques permettent de déterminer le module d’Young local en tout point de test [Oliver & Pharr, AIP Conference proceedings 7 (1992) 1564-1583; Doerner & Nix, J. Mater. Res. 1 (1986) 601-609; Loubet et al., Vickers indentation curves of elastoplastic materials, in American Society for Testing and Materials STP 889, Microindentation Techniques in Materials Science and Engineering, Blau & Lawn eds, 1986, pp. 72-89]. Cet essai est surtout utilisé sur de petites surfaces de matière (<1 cm2), qui doivent présenter un état de surface poli et plan afin de ne pas fausser la mesure, mais n’est pas adapté sur des pièces de structure de type tôle ou sandwich composite (>1000 cm2). Par extension de la méthode CSM (Continuous Stiffness Measurement) [Asif et al., Rev. Sci. Instrum. 70 (1999) 2408-2413], l’indenteur peut servir de générateur de vibrations. Pour cela l’indenteur est positionné sur un empilement de céramiques piézoélectriques et est appliqué sur la surface à analyser à une charge fixe de 1000 mN. L’indenteur est soumis à une oscillation à une fréquence de 5 kHz, alimenté à 10 V. Les ondes ultrasonores ainsi générées, dites «ondes de Lamb», induisent un déplacement nanométrique de la surface, détectable par un vibromètre laser. Il est alors possible de suivre la propagation du front d’onde et de détecter ses interactions avec d’éventuels défauts de la structure inspectée [Boro Djordjevic, Quantitative ultrasonic guided wave testing of composites, The 39th Annual Review of Progress, 2013]. Il en résulte une cartographie complète de la surface. L’indenteur peut aussi être utilisé comme récepteur de l’onde générée. Le positionnement d’indenteurs récepteurs en plusieurs endroits de la structure permet de mesurer le temps de vol de l’onde entre l’indenteur émetteur et l’indenteur récepteur. La connaissance précise de la distance entre les points d’émission et de réception de l’onde permet de mesurer les vitesses en fonction de l’anisotropie du matériau, ce qui, à terme, peut permettre de remonter à ses constantes d’élasticité.

L'objectif de cette thèse consiste en le développement d'une technique d'imagerie X de phase basée sur l'utilisation d'un senseur de front d'onde de type Hartmann pour être exploité sur différentes applications et de comparer ce nouveau système avec des techniques bien connues d'imagerie en contraste de phase. L'imagerie de phase sera principalement réalisée en 3D par tomographie. L'application principale inclue l'étude d'altérations du système nerveux central induites par des maladies neurodégénératives. La première section d'introduction décrit les aspects de base de l'interaction rayons X-matière et de la théorie de la cohérence avec des applications spécifiques à la conception de senseur de front d'onde de Hartmann. Dans le deuxième chapitre, une introduction à l'imagerie par contraste de phase est donnée, avec une attention particulière sur la technique en propagation libre. Le troisième chapitre examine les principes de la tomographie et des logiciels de reconstruction disponibles. Un chapitre séparé, numéroté 4, est dédié à la théorie des senseurs de front d'onde de Hartmann. Un modèle de propagation en 3D basé sur le propagateur de Fresnel a été développé pour optimiser l'architecture du senseur complet incluant la plaque de Hartmann, les distances entre les différents éléments du montage et enfin les propriétés de la source X. Le modèle peut gérer n'importe quel degré de cohérence spatiale, permettant de réaliser des modélisations précises d'une grande variété de source X. Différentes simulations de situation expérimentales sont décrites pour valider le programme. Puis, les programmes principaux de reconstruction du front d'onde ont été analysés. Dans le chapitre 5, nous allons présenter des résultats expérimentaux obtenus avec le senseur de font d'onde X en géométrie de faisceau parallèle (synchrotron) ou conique (mesure en laboratoire). Différentes plaques de Hartmann ont été utilisé sur le montage de laboratoire pour visualiser une série d'échantillons test et biologiques. De plus, sur synchrotron, nous avons testé le senseur de Hartmann pour retrouver la composition chimique d'objets composés de matériaux connus. La composition chimique peut être estimée à partir de mesures directes et indépendantes de la partie réelle (proportionnelle à l'absorption) de l'indice de réfraction de l'échantillon. Dans le chapitre 6, les résultats expérimentaux obtenus en tomographie X par contraste de phase en propagation libre seront discutés. Nous avons exploité la capacité de l'imagerie X par contraste de phase pour étudier les effets des maladies neurodégénératives du système nerveux central
The aim of this PhD thesis is to develop the technic of X-ray phase imaging with Hartmann wavefront sensor for various applications and to compare this new system against well-established phase-contrast techniques. The X-ray phase imaging will be mainly performed in 3D using tomographic setup. The main application includes the study of alteractions in the central nervous system induced by neurodegenerative diseases. The first introductory section describes the basic aspects of X-ray interaction with matter and of yhe coherence theory with specific application to the Hartmann wavefront sensor design. In the second chapter, an introduction to the free-space propagation technique. The third chapter examines the principles of tomography acquisitions and the available reconstruction algorithms. A separate chapter, labeled 4, is dedicated to the theory of Hartmann wavefront sensor. A 3D wave propagation model based on Fresnel propagator was developed to optimize the architecture of the full wavefront sensor including the Hartmann plate, the distances between the different elements of the set-up as well as the X-ray source. The model can manage any degree of spatial coherence, enabling the accurate simulation of a wide range of X-ray sources. Several simulations of standard experimental situations are described to valid the program. Then, the main wavefront reconstruction algorithms have been analyzed. In chapter 5, we will present experimental results obtained with the X-ray Hartmann wavefront sensor using both a parallel beam geometry (synchrotron measurements) and a cone beam geometry (laboratory measurements). Different Hartmann plates were used with the laboratory set-up to visualize a series of test and biological samples. also, using synchrotron, we tested the Hartmann sensor to retrieve the chemical composition of objects composed of known materials. The chemical composition could be inferred starting from direct and independent measurements of the real part (proportional to the phase) and the imaginary part (proportional to the absorption) of the sample refractive index. In chapter 6, the experimental results obtained with free space propagation X-ray phase contrast tomography will be discussed. We exploited the capability of X-ray phase contrast imaging to investigate the effects of neurodegenerative diseases on the central nervous system

Les défaut de la vision sont analysés et classés à partir des caractéristiques mathématiques du front d’onde de l’oeil considéré. Après avoir présenté la méthode actuelle basée sur la décomposition du front d’onde dans la base orthonormale de Zernike ainsi que certaines de ses limitations, on propose ici une nouvelle base de décomposition. Celle-ci repose sur l’utilisation del’espace des fronts d’onde polynomiaux de valuation supérieure ou égale à L + 1 (où L est un entier naturel) et permet de décomposer de manière unique un front d’onde polynomial en la somme d’un front d’onde polynomial de bas degré (inférieur ou égal à L) et un front d’onde polynomial de haute valuation (supérieure ou égal à L + 1). En choisissant L = 2, une nouvelle décomposition est obtenue, appelée D2V3, où le front d’onde polynomial de haut degré ne comporte pas de termes de degré radial inférieur ou égal à deux. Cette approche permet de dissocier parfaitement les aberrations optiques corrigibles ou non par le port de lunettes. Différents cas cliniques présentés dans la dernière section permettent de mettre en évidence l’intérêt de cette nouvelle base de décomposition
The eye vision defaults are analyzed and classified by studyingthe corresponding eye wavefront. After presenting the orthogonal basis, called the Zernike basis, that is currently used for the medical diagnosis, a new decomposition basis is built. It is based on the use of the space of polynomials of valuation greater or equal to L+1 (for L a natural integer). It allows to uniquely decompose a polynomial wavefront into the sum of a polynomial of low degree (lesser or equal to L) and a polynomial of high valuation (greater or equal to L +1). By choosing L = 2, a new decomposition, called D2V3, is obtained where the polynomial wavefront of high degree does not include terms of radial degree lesser or equal to 2. In particular, it allows to quantify perfectly the aberrations that can be corrected by eyeglasses or not. Various clinical examples clearly show the interest of this new basis compared to a diagnosis based on the Zernike decomposition

Des projets futuristes tels que la production d’énergie par fusion nucléaire, ou encore la navigation interstellaire par voiles solaires, requièrent l’utilisation d’une source de lumière de luminance extrême. Dans l’objectif d’augmenter la luminance de sources lasers, mes travaux de thèse ont porté sur la combinaison cohérente de réseaux de lasers. Ils ont conduit au développement d’un nouveau procédé de contrôle compact du front d’onde de synthèse formé par le réseau de faisceaux lasers. Ce procédé permet de sculpter à façon la figure intensimétrique du champ lointain et donc de contrôler la distribution angulaire d’énergie émise par le réseau de faisceaux lasers. Le procédé développé utilise un module convertisseur phase/amplitude intégrant un élément diffuseur. Une méthode de mesure de la matrice de transfert d’un système optique a été développée pour caractériser ce module convertisseur de champ. A tout instant, le front d’onde de synthèse est estimé par une boucle numérique de recouvrement de phase basée sur un algorithme à projections alternées. Ce calcul approché permet d’ajuster progressivement les relations de phases du réseau de faisceaux lasers jusqu’au jeu de phases arbitraire souhaité. Le procédé permet le contrôle d’un front d’onde de synthèse en moins de 10 corrections de phases, quasi-indépendamment du nombre de faisceaux lasers à contrôler. Il est robuste aux défauts environnementaux et indépendant du jeu de phases initiales. J’ai démontré la compacité du système étudié en analysant et contrôlant une pupille de synthèse de 4 cm de côté, constituée de 16 faisceaux, à l’aide d’un module d’analyse mesurant seulement 30 cm. J’ai également montré expérimentalement le contrôle des phases de réseaux de 16 à 100 faisceaux lasers avec des erreurs résiduelles valant respectivement λ/30 et λ/20 rms. Les capacités de cette méthode peuvent être étendues au contrôle des ordres de Zernike supérieurs du front d’onde de synthèse, ou bien plus généralement pour mesurer directement le front d’onde d’un rayonnement cohérent
Futuristic projects such as nuclear fusion power generation, or interstellar navigation by solar sails, require the use of a light source of extreme brightness. In order to increase the brightness of laser sources, my thesis work focused on the coherent beam combination of laser arrays. They led to the development of a new compact control process for the synthetic wavefront formed by the laser beam array. This process makes it possible to tailor the intensity pattern of the far field and thus control the angular distribution of energy emitted by the laser beam array. The process developed uses a phase/amplitude converter module with an integrated diffuser element. A method of measuring the transfer matrix of an optical system has been developed to characterize this field converter module. At any time, the synthetic wavefront is estimated by a phase recovery loop based on an alternating projections algorithm. This approximate calculation makes it possible to gradually adjust the phase relationships of the laser beam array to the desired arbitrary phase set. The process allows the control of a synthetic wavefront in less than 10 phase corrections, almost independently of the number of laser beams to be controlled. It is resistant to environmental defects and independent of the initial phase set. I demonstrated the compactness of the system studied by analyzing and controlling a 4 cm large synthetic pupil, composed of 16 beams, using an analysis module measuring only 30 cm. I also experimentally showed the control of the network phases of 16 to 100 laser beams with residual errors of λ/30 and λ/20 rms respectively. The capabilities of this method can be extended to control the higher Zernike orders of the synthetic wavefront, or more generally to directly measure the wavefront of coherent radiation

L’utilisation des ondes ultrasonores pour sonder la structure de pièces industrielles est très répandue dans différents secteurs où les techniques piézoélectriques sont largement utilisées. L’expansion de l’optique a permis l’apparition de nouveaux systèmes pour la génération et la détection des ultrasons, regroupés sous le nom générique « ultrasons-laser ». Leurs principaux avantages par rapport aux techniques piézoélectriques sont leurs caractères sans contact et non destructifs. Ils traduisent le problème de la détection des ondes ultrasonores en terme de démodulation d’une modulation de phase induite sur un faisceau laser rétrodiffusé par le matériau dans lequel se propagent les ondes. Le fonctionnement du capteur holographique d’ultrasons repose sur l’exploitation de l’interférométrie dynamique en temps réel pour la démodulation à partir d’un matériau photoréfractif. Ce capteur est insensible aux tavelures, qualité indispensable pour le contrôle d’objets présentant des surfaces non polies. Le travail décrit dans le manuscrit comporte deux axes. D’une part, la recherche de l’amélioration des performances du capteur avec la confrontation entre les propriétés expérimentales de cristaux semi-conducteurs (InP et CdTe) et le modèle théorique caractérisant leurs comportements photoréfractifs respectifs, et aussi une étude sur de nouveaux matériaux, des hétérostructures : les multipuits quantiques photoréfractifs. D’autre part, le développement du capteur en version multicanal comportant une étude sur l’imagerie nécessaire et le comportement attendu en terme de diaphonie suivie de l’implantation expérimentale du montage et de sa validation
Ultrasonic waves are often used by industrials to test the structure of parts. Most of time, they work with piezoelectric transducers to generate and detect these waves but this technique needs a contact between the object to test and the transducers whereas optics allows to have non-contact and non-destructive systems (“laser-ultrasonic”). The optical detection of ultrasonic waves consists in the demodulation of the phase modulation carried by the laser beam that is backscattered by the part in which ultrasonic waves propagate. An interferometer operates this demodulation. Because of the roughness of the object’s surface, the interferometer has to be speckle insensitive. The holographic ultrasonic sensor is an interferometer that demodulates the phase in real time thanks to dynamical gratings written in a photorefractive material. The presented work can be divided into two parts. First, we studied photorefractive materials to improve the results achieved by the sensor. We compared experimental measurements for semi-conductors crystals (InP, CdTe) with the theoretical model describing their photorefractive properties. We also created a new method to characterize photorefractive multiquantum wells at a fixed wavelength and compared their efficiency in the sensor with the one obtained with bulk crystals. Second, we developed the multichannel photorefractive ultrasonic sensor. We studied the means to implement the imaging systems necessary to work with several testing points on the object, and the consequences on the eventual presence of cross-talk. Then, we implemented the experimental setup and demonstrated the simultaneous demodulation of different ultrasonic signals

En complément aux méthodes traditionnelles d’observation et de stimulation en neuroscience, l’optogénétique, combinant l’expression ciblée de protéines photosensibles dans les neurones et l’utilisation de nouvelles techniques de microscopies, a connu un essor important ces dernières années. Ce nouveau procédé permet d’enregistrer de manière non invasive les signaux fonctionnels de circuits intacts tels que les changements de potentiel de membrane ou de concentration intracellulaire de calcium mais également de moduler l’excitabilité des neurones. Pour illuminer ces protéines photosensibles, de nouvelles méthodes de microscopie ont été développées. En particulier, afin d’obtenir une résolution spatiale optimale au sein d’un tissu biologique, il devient nécessaire d’utiliser l’illumination bi-photonique et d’utiliser des techniques permettant la mise en forme du faisceau lumineux pour s’adapter à la morphologie des circuits ou même des neurones étudiés.Au cours de ma thèse, j’ai développé une combinaison de méthodes optiques (associant le contraste de phase généralisé avec la focalisation temporelle) afin d’activer le canal cationique channelrhodopsin-2 en excitation bi-photonique. Ce travail a démontré, pour la première fois, l’activation simultanée de potentiels d’action dans plusieurs cellules tout en conservant une résolution axiale à l’échelle cellulaire (~10 μm).La mise en forme du faisceau lumineux semble très avantageuse pour améliorer la spécificité de l’activation. Il restait à démontrer que les faisceaux ainsi modulés conservaient leur intégrité spatiale en se propageant à l’intérieur de tissus biologiques diffusants. J’ai donc étudié la propagation de faisceaux lasers modulés par les techniques du contraste de phase généralisé et de l’holographie numérique en combinaison avec la focalisation temporelle. L’utilisation de la focalisation temporelle permet aux volumes d’excitation de rester confinés sur l’axe de propagation comme observé précédemment, mais aussi de reconstruire un profil d’excitation en profondeur dans le tissu, qui correspond au profile généré sans milieu diffusant. Cet effet est plus important pour le contraste de phase généralisé que pour l’holographie numérique et se dégrade en fonction de la profondeur à laquelle l’activation a lieu. J’ai démontré pour la première fois, l’activation en profondeur (> 200 μm) de neurones grâces à ces méthodes.Enfin, j’ai testé les mêmes techniques d’illumination sur d’autres protéines photosensibles, telles que la C1V1 et l’halorhodopsin. Après avoir établi les spectres d’activation afin de trouver la longueur d’onde optimale pour l’activation bi-photonique, j’ai exprimé ces protéines dans des tranches de cerveaux. Les deux protéines requièrent une activation à 1040 nm à la limite du laser Ti:Sapphire utilisé dans de nombreux laboratoires biologiques. La C1V1 a généré des courants similaires à la ChR2 en terme d’amplitude tout en conservant la lente cinétique de fermeture caractéristique de ce canal. L’halorhodopsin, quant à elle, reste difficile à activer avec de faibles courants et ne permet pas une inhibition sélective de trains de potentiels d’action. Ce problème est probablement dû à un faible taux d’expression observé dans les neurones étudiés et serait peut-être résolu en changeant de construction virale
Optogenetics relies on the genetically targeted expression of light sensitive proteins in specific cell populations. This novel field has had a large impact in neuroscience, allowing both monitoring and stimulating the activity of specific neuronal populations, in intact brain preparations. Optogenetic tools have been used to record functional signals, such as changes in membrane potential or intracellular calcium concentration, as well as to modulate the excitability of neurons. To fully exploit the potentiality of optogenetics, new microscopy techniques have been developed to optimize illumination of photo-active compounds in situ. In particular, an important effort has been directed towards improving the spatial and temporal resolution of light stimulation, in order to match the dynamics of physiological processes. In this frame, the use of two-photon excitation becomes necessary to ensure penetration of light in scattering biological tissues, as well as confining the excitation volume and improve the specificity of illumination. My thesis was dedicated to the development and use of advanced optical methods for two-photon excitation of optogenetic tools. In a first project, we combined optical approaches (generalized phase contrast and temporal focusing) to perform two-photon activation of neurons expressing the light-sensitive cationic channel channelrhodopsin-2 (ChR2). Our work demonstrated for the first time the simultaneous generation of action potentials in multiple neurons, while maintaining a micrometric axial and lateral resolution. These results pointed out the advantages of light sculpting to increase both the specificity and the flexibility of photo-stimulation.In order to investigate the potential of this technique for efficient in-depth stimulation, we therefore studied the propagation through scattering biological media of laser beams generated by two different light patterning techniques, generalized phase contrast and digital holography in combination with temporal focusing. We demonstrated that temporal focusing enabled the excitation volumes to maintain micrometric axial confinement, as well as to maintain well defined patterns deep inside tissues. We also demonstrated for the first time the activation of ChR2 at depth over 200 μm.Finally, the last part of my PhD was focused on testing light patterning methods for the activation of two other photosensitive proteins, the excitatory channel C1V1 and the inhibitory pump, halorhodopsin

La filière solaire thermodynamique concentrée est une des voies les plus prometteuses pour la production des énergies renouvelables du futur. L’efficacité des surfaces optiques est un des facteurs clés influant sur les performances d’une centrale. Un des défis technologiques restant à résoudre concerne le temps et les efforts nécessaires à l’ajustement et l’orientation de tous ces miroirs, ainsi que la calibration des héliostats pour assurer un suivi précis de la course du soleil et une concentration contrôlée. Le travail présenté dans ce manuscrit propose une réponse à ce problème par le développement d’une méthode de caractérisation des héliostats dite de « rétrovisée », consistant à placer quatre caméras au voisinage du récepteur pour enregistrer les répartitions de luminance occasionnées par la réflexion du soleil sur l’héliostat. La connaissance du profil de luminance solaire, combiné à ces quatre images, permet de reconstruire les pentes des erreurs optiques de l’héliostat.La première étape de l’étude de la méthode a consisté à établir les différentes équations permettant de reconstruire les pentes des surfaces optiques à partir des différents paramètres du système. Ces différents développements théoriques ont ensuite permis la réalisation de simulations numériques pour valider la méthode et définir ses possibilités et ses limites. Enfin, des tests expérimentaux ont été réalisés sur le site de la centrale Thémis. À la suite de ces expériences, des pistes d’améliorations ont été identifiées pour améliorer la précision expérimentale et envisager son déploiement industriel
Concentrated solar power is a promising way for renewable energy production. Optical efficiency of the mirrors is one of the key factors influencing a power plant performance. Methods which allow the operator to adjust all the heliostat of a plant quickly, in addition of calibration and tracking, are essential for the rise of the technology. The work presented in this thesis is the study of a “backward-gazing” method consisting in placing four cameras near the receiver simultaneously recording brightness images of the sun reflected by the heliostat. The optical errors of the mirrors are retrieved from these four images and the knowledge of the one dimension sun radiance profile.The first step of the study consists in the theoretical description of the method. Then numerical simulations are performed to estimate the general accuracy and the limits of the backward-gazing method. In a third phase, experimental tests have been fulfilled at Themis solar power plant. Finally, ideas of improvement are proposed based on the experiments performed

Cette thèse étudie le façonnage de champs électromagnétiques micro-ondes dans des cavités présentant des conditions aux limites reconfigurables. Le dispositif expérimental s'appuie sur une metasurface électroniquement reconfigurable qui couvre partialement les parois d'une cavité et qui permet ainsi de contrôler la façon dont les ondes y sont réfléchies. Le premier chapitre explore des aspects fondamentaux. D’abord, une étude paramétrique du façonnage d'un champ d'ondes électromagnétiques monochromatique et stationnaire en cavité est proposée en fonction d'un degré de contrôle introduit. Selon la valeur de ce paramètre, il est possible de concentrer de l'énergie en un endroit donné de la cavité de façon prédictible, de reconfigurer totalement cette cavité, ou bien de décider d'obtenir une résonance à une fréquence qui n'en supportait pas auparavant. Ensuite, l’imposition d’un comportement chaotique à une cavité de géométrie régulière est démontrée et une application au brassage des modes en chambre réverbérante est donnée. Dans la suite, la possibilité d’ajuster le couplage antenne-cavité est abordée, et une adaptation parfaite et dynamiquement configurable de l’impédance est proposée. Le reste du premier chapitre considère des champs transitoires. Dans un premier temps, la focalisation spatio-temporelle d’une impulsion fortement réverbérée dans une cavité en utilisant uniquement le contrôle spatial des ondes offert par la metasurface est démontrée, puis le lien avec le couplage entre les dégrées de liberté spatiaux et temporels du milieu de propagation est fait. Enfin, un dispositif permettant la reconfiguration répétée des conditions aux limites d'une cavité en un laps de temps inférieur au temps de vie des photons est réalisé, et des résultats préliminaires sont montrés. Dans le deuxième chapitre, des applications aux systèmes de communication sans fil multi-utilisateurs sont proposées. D’abord, dans la limite d’un bas facteur de qualité de la cavité, il est montré qu’un formalisme matriciel permet de décrire l’impact de la metasurface sur le champ. Cette matrice, mesurée sans information de phase, permet alors de focaliser le champ sur une ou plusieurs positions simultanément. Ensuite, la possibilité d’obtenir une diversité de canaux optimale (orthogonalité des canaux) en façonnant idéalement le désordre d’un milieu de propagation à l'aide de metasurfaces est établie. Finalement, le formalisme matriciel est utilisé afin d’introduire un concept de calcul analogique réalisé par le milieu désordonné en façonnant le front d’onde incident. Il est dès lors conclu qu’avec une infrastructure standard de Wi-Fi dans une maison, en combinaison avec une metasurface simple, cette idée peut être implémentée. Le concept est enfin transposé au domaine optique avec une fibre multimode. Au cours du troisième chapitre, quelques applications du façonnage d'ondes en milieux réverbérants aux capteurs des environnements connectés sont étudiées. D’abord, la possibilité de concentrer des champs électromagnétiques ambients sur des circuits redresseurs afin d’obtenir des tensions de sortie utiles est démontrée. De plus, grâce aux non-linéarités intrinsèques du redresseur, ceci est possible même sans avoir un retour direct du redresseur sur l’intensité du champ incident. Ensuite, un détecteur de mouvement hors ligne de vue et « intelligent » est proposé, qui profite d’un co-design de sa couche physique et du traitement de données. Enfin, il est démontré que même des objets non-coopératifs dans un environnement complexe peuvent être localisés grâce à leur contribution à la diffusion des ondes dans ledit milieu. L’équivalence d’utiliser la diversité fréquentielle ou bien le façonnage d’ondes dans ce contexte est établie
In this thesis, the shaping of microwave fields in chaotic cavities with tunable boundary conditions is studied experimentally. The experiments leverage a metasurface reflect-array that partially covers the cavity walls to tune the reverberation of waves inside the cavity. The first chapter explores several fundamental aspects. First, the achievable degree of control over stationary monochromatic wave fields is thoroughly investigated, and various regimes are identified, ranging from partial control over the wave field up to the limiting case of discrete resonances that can be tuned at wish. Next, the possibility to convert a cavity of regular geometry into one displaying chaotic characteristics by modulating the boundary conditions is examined and an application to non-mechanical mode-stirring in reverberation chambers is given. Then, the ability to tune the coupling between an antenna inside a cavity and the cavity itself is studied, revealing the opportunity of achieving (dynamically tunable) perfect impedance matching. The chapter goes on to consider spatio-temporal wave fields, and the re-focusing of such transient fields at a desired instant with the purely spatial control of the metasurface is demonstrated; moreover, the interplay of spatial and temporal degrees of freedom is addressed. Finally, an experimental platform enabling the rapid modulation of cavity boundary conditions within the photon lifetime is presented. The second chapter considers applications to multi-user wireless communication systems. First, it is shown that a matrix formalism to capture the impact of the metasurface on the wave field can be formulated in the regime of low reverberation, and even without access to phase information focusing on a single as well as on multiple targets is demonstrated. Second, it is shown that the channel diversity, which dominates the achievable capacity of information transfer, can be optimized by tweaking the environment’s disorder; perfectly orthogonal channels are obtained without any software or hardware efforts on the transmit or receive side, and the benefits of the implied minimal cross-talk are illustrated for the scenario of wirelessly transmitting a full-color image. Third, the matrix formalism is leveraged to propose a scheme of analog computation that counter-intuitively uses a disordered instead of a carefully tailored propagation medium, by appropriately shaping the incident wave front. A proof-of-concept demonstration suggests that combining ubiquitous Wi-Fi hardware in an indoor environment with a simple metasurface is sufficient to implement the concept. Finally, the concept is also implemented in the optical domain using a multimode fiber. The third chapter outlines a few applications for sensors in context-aware environments. First, it is shown that by shaping ambient wave fields, they may be concentrated on harvesting devices to increase the output voltage available for sensor powering; moreover, the non-linear nature of the harvesting device enables to do so without direct feedback from the target, using indirect feedback from the second harmonic. Second, a smart around-the-corner motion detector for complex environments is presented, enjoying a co-design of hardware and processing software by using a dynamic metasurface aperture; the latter is essentially a small (but still electrically large) disordered cavity with tunable boundaries that leaks tunable random radiation patterns that couple differently to the environment’s modes. Third, it is shown that objects may be precisely localized in complex environments even if they are non-cooperative by establishing signatures of their location that leverage their scattering contribution; this is demonstrated both with a frequency diverse and a wavefront shaping scheme, and the equivalence of the respective degrees of freedom is established

Ce travail porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation de lentilles planaires nano-structurées dédiées aux capteurs d’images CMOS dans le proche-infrarouge. L’étude des applications et des systèmes d’imagerie optronique mis en jeu ont mis en évidence l’intérêt de l’utilisation des capteurs d’images CMOS dans la bande 800-1100 nm. Les inconvénients liés au silicium et à la structure du pixel justifient l’intégration de lentilles planaires nano-structurées compatibles avec le procédé de fabrication CMOS : une lentille plasmonique, une lentille diffractive métallique dite de Huygens, une lentille diélectrique dite de phase de Fresnel et une lentille à gradient d’indice effectif. Les simulationsélectromagnétiques 2D d’un pixel CMOS complet avec chaque lentille planaire ont démontré l’intérêt de la lentille métallique dans un pixel à faible facteur de remplissage et de la lentille de phase de Fresnel pour un pixel standard. Les simulations électromagnétiques 3D ont permis la conception de ces deux dernières lentilles pour leur fabrication tandis que la lentille à gradient d’indice effectif, susceptible d’approcher le profil de phase idéal, a montré son potentiel pour les pixels CMOS. La caractérisation électro-optique a mis en évidence la performance expérimentale de la lentille de phase de Fresnel fabriquée en "post-process" au LPN-CNRS et de la lentille de Huygens fabriquée "in-process" en fonderie CMOS. Les nombreuses perspectives de ce travail liés à la fabrication et à la marge de progression des lentilles ont été explorées
This work deals with the design, fabrication and characterization of nanostructuredplanar lenses dedicated to near infrared detection for CMOS image sensors.Applications and optronic systems involved in near infrared imaging have been investigatedin order to highlight the strong interest of CMOS images sensors for the 800-1100 nmspectral band. Limitations of silicon and pixel structure explain the integration of nanostructuredplanar lenses compatible with CMOS fabrication process : a plasmonic lens, a dielectricphase-Fresnel lens, a metallic Huygens lens and a gradient-index lens. 2D electromagneticsimulations of a CMOS pixel with each planar lens have demonstrated the good performanceof the Huygens lens for low fill factor pixels and the phase-Fresnel lens for standard pixels.3D simulations of these lenses have been performed for their integration and fabrication inCMOS image sensors. The 3D design by numerical simulations of a gradient-index lens hasshown its potential interest for CMOS pixels. The experimental performance of a dielectriclens "post-process" integrated/fabricated at LPN-CNRS and a metallic lens "in-process" by aCMOS foundy have been evaluated by electro-optical characterization. Several perspectivesof this work about lens fabrication and potential for improvement have been explored

Ce document présente une synthèse de mes travaux de recherche postérieurement à la thèse de doctorat. Depuis le début de mes travaux de thèse en 1992 et jusqu'au début de l'année 2000, mes recherches ont été effectuées dans le domaine du traitement optique du signal. Depuis, mes principales activités de recherche concernent le domaine de la microsonique, et plus précisément des ondes élastiques guidées ou de surface. Je présente successivement mes contributions à ces deux domaines, puis les perspectives de cette thématique de recherche, et les directions que j'entends prendre dans les années à venir. A partir de 1995, à la suite de ma thèse, j'ai poursuivi mes travaux en corrélation optique. Je me suis intéressé aux aspects théoriques de la corrélation optique, ainsi qu'à des moyens pratiques d'utiliser les solutions optimales obtenues dans les corrélateurs existants. J'ai également étudié de nouvelles applications des modulateurs spatiaux de lumière pour le traitement optique du signal, et plus particulièrement des systèmes originaux d'imagerie programmable et un capteur de front d'onde à balayage. Par la suite, je me suis intéressé au traitement des impulsions laser ultrabrèves, domaine dans lequel le contrôle de la forme temporelle des impulsions présente un intérêt considérable. J'ai étudié plus particulièrement des moyens de contrôler et de mesurer la dispersion des impulsions ultrabrèves. J'ai également mené des études sur la possibilité d'obtenir des temps de groupe superluminaux pour les ondes optiques. Dans le domaine de la microsonique, mes travaux sont orientés vers la compréhension de la propagation des ondes électro-acoustiques (liées aux milieux piézoélectriques) dans les microstructures.

Ce chapitre présente l’intérêt d’analyser la forme d’un front d’onde dans le plan image d’un microscope optique pour en déduire un ensemble de propriétés d’échantillons transparents. On produit ainsi des cartes d’épaisseur optique conduisant à un contraste marqué, ou encore l’imagerie sélective de composants optiquement anisotropes. Surtout, la méthode est quantitative et permet certaines mesures, comme le suivi de la masse sèche de cellules biologiques vivantes.