Métrologie interférentielle (22h) [3 ECTS]

Fiche U.E.
Master ISTI – parcours recherche: « optique et lasers » - Semestre 3
INTITULE DE L’U.E. :
Ouverture scientifique
RESPONSABLE :
Nom, prénom : PFEIFFER Pierre
Discipline : Pluridisciplinaires
Adresse : Ecole Nationale Supérieure de Physique
Bld s. Brant 67400 ILLKIRCH
Tél:0390 244 630 fax : 0 390 244 6 19 [email protected]
PROGRAMME :
Matières enseignées **
CM
Métrologie interférentielle
Composants diffractifs
Biophotonique
Nanophotonique
Photonique de puissance
Photonique expérimentale
20
23
20
CI
TD
TP
16
8
Travail
perso
étudiant
34
15
8
8
8
8
20
25
30
25
30
20
Coeff
matière
CT*
CC*
3
oui
oui
3
3
3
3
3
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
**Liste non exhaustive, des matières pouvant être rajoutées d'autres LMD (matériaux, physique .. ) à
condition qu'il y ait compatibilité sur le plan organisationnel au niveau de l'emploi du temps
* CT : contrôle terminal, CC contrôle continu
COMPETENCES A ACQUERIR :
Métrologie interférentielle
Cette deuxième partie concernera davantage l’évaluation interférométrique de la phase dans des
applications scientifiques et industrielles. La notion de cohérence et son importance, aussi bien temporelle
que spatiale sont développées. Le théorème de Wiener-Knitching est introduit et rapporté à la fonction
d’autocorrélation et la visibilité de franges d’interférence. La technique d’ombrage et les techniques de
Schlieren pour l’analyse des ondes de choc sont rapidement revues. L’interférométrie holographique et de
speckle sont également traitées. Les techniques FFT et de décalage de phase pour des évaluations
quantitatives de l’information interférométrique sont étudiées. Des applications industrielles sont illustrées et
le cours se termine par l’interférométrie à plusieurs longueurs d’onde.
Composants diffractifs
Ce cours permettra aux étudiants de comprendre les éléments optiques diffractifs et les fonctions associés.
Il présentera leurs caractéristiques, les principales techniques de conception ( algorithmes de Fourier
itératifs) et de fabrication.
Nanophotonique
Dans ce cours les étudiants apprendront les principes de nanostructuration de la matères et les bandgap
photoniques. Les étudiants vont également apprendre comment manipuler les matériaux nanostructurés et
et les applications en nanophotonique.
Photonique de puissance
L’objectif de ce cours est d’offrir aux étudiants une ouverture opérationnelle sur les différents domaines
utilisant l’énergie des photons, couvrant aussi bien les aspects fondamentaux que leurs applications
industrielles existantes et à venir. Les étudiants vont apprendre la physique du traitement laser, le transfert
d’énergie entre lumière et matière, la propagation de faisceaux lasers de puissance dans l’atmosphère et
les gaz et l’enginierie du traitement de la matière par laser.
Photonique expérimentale
TP 1 : Capteur à fibre optique à modulation de phase ; TP 2 : Communication optique et multiplexage de
longueur d’onde ; TP 3 : Polarimétrie ; TP 4 : Fibre optique à réseau de Bragg ;
TP 5 : Synthèse d’un EOD TP 6 : Photonique de puissance – TP 7 et 8 : Impulsions laser femtoseconde –
spectroscopie laser (IPCMS – GONLO)
TYPE D’ENSEIGNEMENT :
CM : 70h présentielles
TD : h présentielles
TP : 20h présentielles
Autre : (spécifier, exposés, visites …) h présentielles
Charge horaire totale pour l’étudiant : 175
Crédits ECTS : 12
Les enseignements assurés par des intervenants extérieurs :
MUTUALISATION :
UE obligatoire pour le master :oui
UE : Photonique
ECTS : 3
Peut constituer une UE optionnelle Peut constituer une UE libre : OUI
pour d’autres masters : OUI sauf sauf les matières expérimentales
les matières expérimentales
METROLOGIE INTERFERENTIELLE
COURS
16
TD
TP
4
Semestre S3
Projet
Total d’heures
eq TD
28
Enseignant :
Vukicevic Dalibor, Professeur, section 63, Module au choix : oui
Laboratoire des systèmes photoniques, tél 039024
4510, fax 0390244545, [email protected]
Pré-requis : Optique physique, géométrique et ondulatoire, Notions de base de physique atomique, et d'
analyse de Fourier, quantification et échantillonnage du signal.
OBJECTIFS DE L’ENSEIGNEMENT
Fournir aux étudiants des compétences approfondies sur les méthodes expérimentales des mesures en
utilisant l'interférence et la lumière structuré .
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -----------------PROGRAMME DETAILLE
Cohérence temporaire et spatiale de la lumière naturelle et laser. Temps et longueur de cohérence.
Modifications de la cohérence. Interférométrie a deux ondes, Fonction instrumentale. Localisation des
franges. Interférométrie synchrone, et interférométrie diachrone. Hétérodynage optique. Principes de
l'interférométrie holographique et speckle. Méthodes en temps réel ou en temps moyenné. Application au
contrôle non destructif et à la métrologie d'objet de phase, des déformations et des vibrations de structure
mécanique. Ombroscopie et strioscopie (Schlieren). Interférométrie a plusieurs ondes. Fonction d'Airy.
Pouvoir optique et résolution. Introduction à l'interférométrie de haute précision. Analyse modale d'une
source laser opérande en mode continue et en mode impulsion. Interférométrie à l'amplification de la phase.
Méthodes d'exploitation automatique des interférogrammes. Échantillonnage. Méthode globale, ( FFT ),
Méthodes locale; (balayage de phase, décalage de phase). Granularité laser (speckle), objective et
subjective. Spectre de Wiener. Détection d'une image "specklé". Interférométrie speckle (ESPI). Holographie
numérique. Interférométrie speckle vis-à-vis l'interférométrie holographique. Applications industrielles
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ ----APPLICATIONS (TD ou TP)
Les étudiants effectueront 2 TP choisis parmi 8 sujets proposés :
CAO optique (2x), Optique intégrée, Couplage de modes dans une fibre optique, Capteur à fibre optique
polarimétrique, OTDR, Mesure de bande passante dans une fibre optique, Analyse d’un réseau blazé,
Laser de puissance
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------COMPETENCES ACQUISES
Compréhension des principales techniques de la métrologie optique et de la physique associée en mesure
interférométriques. Méthodologie expérimentale, prise de mesures, anticipation et prise en compte des
problèmes spécifiques d'interférométrie, de quantification et d'exploitation d'interférogrammes.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -----------------------------Dispositif d’évaluation des enseignements et modalités d'examen : examen écrit 2h
UE :
Ouverture scientifique
ECTS : 3
TITRE DU MODULE
Composants diffractifs
COURS
15
TD
TP
Semestre S3
OS-M26
Projet
Total d’heures
eq TD
20 h
Enseignants :
Twardowski Patrice, Maître de conférences, section Module au choix : oui
63, ULP-LSP, EA3426,
0390 244 613 fax : 0 390 244 619
patrice [email protected]
Pré-requis : L’optique géométrique, l’optique physique (ondulatoire) et les bases de l’optique
électromagnétique.
OBJECTIFS DE L’ENSEIGNEMENT
Les composants diffractifs sont des microstructures dont le comportement est essentiellement décrit
par les phénomènes de diffraction. Ils sont utilisés dans de nombreux domaines comme par exemple la
spectroscopie, les systèmes anti-fraude et le façonnage de faisceaux lasers. Dans ce module on présente
les caractéristiques de ces composants avec les principales méthodes de conception et de fabrication en
traitant de façon privilégiée les éléments de phase à travers de nombreux exemples.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------PROGRAMME DETAILLE
1- Utilisation du modèle de l’optique ondulatoire (points approfondis : holographie, fonction de transfert
de phase, réseau à relief de surface, présentation de l’holographie numérique)
2- Utilisation du modèle de l’optique électromagnétique (présentation détaillée de la théorie des ondes
couplées et d’une approximation à 2 ondes, influence de la polarisation)
3- Présentation succincte des méthodes de fabrication et de réplication des structures diffractives
4- Présentation des caractéristiques des principaux logiciels professionnels disponibles pour l’aide à la
conception
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -----------------APPLICATIONS (TD ou TP)
En complément et au choix, deux TP consacrés aux éléments diffractifs (conception et mesure de
caractéristiques) sont proposés dans le module physique expérimental.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------COMPETENCES ACQUISES
A l’issu de cet enseignement, l’étudiant connaîtra les caractéristiques des composants diffractifs ainsi que
les principales techniques de conception et de fabrication employées.
BIBLIOGRAPHIE :
Notes de cours polycopiées,
Turunen J. and Wyrowski F., Diffractive optics for industrial and commercial applications, Akademic Verlag,
Berlin 1997
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Dispositif d’évaluation des enseignements et modalités d'examen :
Contrôle terminal sous la forme d’un examen écrit de synthèse avec documents (2h)
UE :
Optique et Signal
ECTS : 3
TITRE DU MODULE
Photonique de puissance
COURS
20h
TD
TP
4
Enseignants : Patrick MEYRUEIS
PR , 63ème section CNU, Directeur Laboratoire des systèmes photoniques
[email protected]
Joël FONTAINE PR. INSA Tél : 03 90 24 46 15 fax : 03 90 24 46 19
Semestre S3
Total d’heures
eq TD
34h
Module au choix : oui
Projet
Pré-requis : Connaissances générales en physique. Optique géométrique, ondulatoire et quantique, niveau
licence, CAO-CFAO optique, connaissances souhaitées mais non indispensables en mécanique,
métallurgie, plasturgie, bio médical, selon domaine applicatif visé.
OBJECTIFS DE L’ENSEIGNEMENT
L'objectif de ce cours est de mettre les étudiants en contact avec l'ensemble des connaissances de
l'énergétique photonique en alliant des aspects fondamentaux aux applications industrielles existantes et à
venir. Les étudiants seront aussi aptes à continuer à se spécialiser dans ces domaines pour qu'ils soient, au
coeur de leur carrière ou bien pour que l'ensemble de connaissances soient exploitées au cours des
développements photoniques appliqués ou non auxquels ils auront à contribuer.
Ce cours est un cours qui présente deux orientations : fondamentales et appliquées. Ce qui permet
d'aborder aussi bien des problèmes d'ingénierie en énergétique photonique que des problèmes de
développement théorique en ce domaine. Il n'a pas pour ambition de couvrir de façon encyclopédique tous
les aspects de l'énergétique photonique mais d'aborder les points principaux qui permettront à l'étudiant de
progresser ultérieurement vers un niveau d'expertise élevé s'il le souhaite.
L'énergétique photonique est un domaine à forte composante pluridisciplinaire surtout pour la partie
applications.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------PROGRAMME DETAILLE
1. Rappels : Radiométrie, physique des lasers, thermodynamique, physique des plasmas
2. Transfert énergétique rayonnement matière
3. Physique de l'usinage laser et bases technologiques :
4. Propagation des faisceaux lasers de puissance dans l'atmosphère :
5. Ingénierie de l'usinage laser :
6. Sécurité de l'usinage laser
7. Etude de cas : exemples
8. Introduction à la photonique de puissance solaire
9. Ingénierie de quelques dispositifs pour l'énergie solaire et mise en œuvre :
10. Progrès à attendre des matériaux, rôle des nanotechnologies photoniques
11. Prospective de l'énergétique photonique, rôle à attendre des micro et nanotechnologies
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------APPLICATIONS (TD ou TP)
Les étudiants effectueront 2 TP choisis parmi 8 sujets proposés :
CAO optique (2x), Optique intégrée, Couplage de modes dans une fibre optique, capteur à fibre optique
polarimétrique, OTDR, Mesure de bande passante dans une fibre optique, Analyse d’un réseau blazé,
Laser de puissance
------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------COMPETENCES ACQUISES
Les compétences acquises sont de nature à la fois opérationnelle et potentielle. C'est-à-dire qu'à l'issu de ce
cours, l'étudiant sera à même de traiter des problèmes d'énergétique photonique y compris des problèmes
pratiques mais il aura aussi les bases lui permettant de continuer sa formation pour maîtriser une ou
plusieurs composantes de l'énergétique photonique à un haut niveau, dans le cadre d'une étude doctorale
par exemple. Il aura pris connaissance des spécificités de l'énergétique photonique, il aura connaissance
des principaux outils, méthodes, procédés à mettre en œuvre aussi bien d'un point de vue théorique
qu'expérimental. Ceci inclut les responsabilités que doit prendre un ingénieur ou un chercheur en matière de
sécurité. L'énergétique photonique est en développement rapide aussi bien d'un point de vue scientifique
qu'économique, car ses avantages sont de mieux en mieux perçus et exploités. Ce cours permettra de
suivre l'évolution attendue dans les prochaines années avec profit en offrant de plus la possibilité d'y jouer
un rôle.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -----------------Dispositif d’évaluation des enseignements et modalités d'examen :
Mixte contrôle continu + examen final, + note sur projets d'élèves et éventuellement stages.
UE :
Decouverte
scientifique
ECTS : 3
TITRE DU MODULE
Nanophotonique
COURS
23
TD
TP
4
Semestre S3
Total d’heures
eq TD
37
Module au choix : oui
Projet
Enseignant : Patrick MEYRUEIS
PR , 63ème section CNU, Directeur Laboratoire des systèmes photoniques
Tél : 03 90 24 46 15 fax : 03 90 24 46 19
[email protected]
Pré-requis : Optique de base géométrique ondulatoire quantique, CAO optique connaissance de base,
mathématique pour l'ingénieur, connaissance générale en physique
OBJECTIFS DE L’ENSEIGNEMENT
Les matériaux nanostructurés ont des propriétés spécifiques par rapport à leur interaction avec des photons.
Selon la longueur d'onde de ces photons, leur direction, ces photons seront traités par le matériau
nanostructuré selon la nature du matériau (conducteur ou diélectrique), selon la morphologie des
nanostructurations et selon leur nature mono, bi ou tridimensionnelle, les photons incidents auront un
cheminement différent selon ces paramètres dans le matériau et à sa sortie. Par rapport à des matériaux
micro structurés, des fonctions nouvelles pourront être ainsi implémentées. Les matériaux nanostructurés
vont se comporter comme des matériaux à band gap, mais par rapport aux fréquences. Ainsi il sera possible
notamment de réaliser des guides d’ondes n'ayant pas de perte dans les courbures ou des miroirs
mutlidirectionnels.
Ce cours a pour objectif d'introduire les principes et méthodes de la nanophotonique, de présenter et
discuter des résultats expérimentaux à partir d'une approche partant de la modélisation des ondes
évanescentes jusqu'aux réalisations technologiques.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------PROGRAMME DETAILLE
1. Rappels : équation de Maxwell, diffusion, diffraction de la lumière, onde évanescente, miroir de Bragg
2. Principe des cristaux photoniques
3. Cristaux photoniques en une, deux ou trois dimensions, différents types de cristaux photoniques,
méthodes de conception et de fabrication
4. Propriétés remarquables des cristaux photoniques, cas des cristaux photoniques dans la nature,
caractérisation des cristaux photoniques, cristaux photoniques et méta matériaux, matériaux à bande
interdite
5. Fibres optiques et guide d'onde à cristaux photoniques, méthode de production, premières applications
linéaires et non linéaires
6. utilisation biomédicale de cristaux photoniques
7. Autres nanotechnologies photoniques, les bases physiques et les applications
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -----------------APPLICATIONS (TD ou TP)
Les étudiants effectueront 2 TP choisis parmi 8 sujets proposés :
CAO optique (2x), Optique intégrée, Couplage de modes dans une fibre optique, capteur à fibre optique
polarimétrique, OTDR, Mesure de bande passante dans une fibre optique, Analyse d’un réseau blazé,
Laser de puissance
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -----------------COMPETENCES ACQUISES
A l'issu de cet enseignement, l'étudiant aura des connaissances générales et spécifiques sur les
nanotechnologies photoniques. Il sera à même de déterminer les outils les plus appropriés et jusqu'à un
certain niveau à les mettre en œuvre pour élaborer des nano composants, des nano systèmes destinés à
mesurer, transformer, ou transmettre un signal avec de la lumière pour créer, produire, ou communiquer.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -----------------Dispositif d’évaluation des enseignements et modalités d'examen :
L'évaluation sera le fait d'une note de contrôle continu et d'une note d'examen en fin de module, et
d'évaluation de projet.
UE :
Ouverture scientifique
Credits : 3
TITRE DU MODULE
Photonique Expérimentale
COURS
TD
TP
20h
Semestre S3
Projet
Total d’heures
13,5h
Enseignants :
Module au choix : non
Takakura Yoshitate, MC, 63, LSIIT UMR
CNRS/ULP 7005, Tél : +33(3)90244612, Fax :
+33(3)90244531
[email protected]
Pfeiffer Pierre, MC, 63, LSP EA , tél : 03 90 24 46
30 , fax : 03 90 24 46 19
[email protected]
Pré-requis : Théorie des guides d’ondes optiques : propagation, modulation et multiplexage. Diffraction de
la lumière par les milieux périodiques. Interférences d’ondes. Méthodes de formation d’images.
OBJECTIFS DE L’ENSEIGNEMENT
L’objectif de ce module expérimental est de mettre en pratique les connaissances acquises en optique
ou photonique à l’issue de l’enseignement théorique. Il s’agit de sensibiliser les étudiants à la rigueur
expérimentale caractéristique de la métrologie optique pour observer puis mesurer des observables dans le
but d’une confrontation avec les calculs ou simulations ; une démarche quantitative est donc adoptée.
Les thèmes abordés sont : les capteurs, le multiplexage en longueur d’onde, la modulation, les
réseaux ou la microscopie interférentielle , spectroscipie laser femtoseconde ; les aspects « signal optique »
aussi bien qu’« image » sont ainsi considérés.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------PROGRAMME DETAILLE
TP 1 : Capteur à fibre optique à modulation de phase ; TP 2 : Communication optique et multiplexage de
longueur d’onde ; TP 3 : Polarimétrie ; TP 4 : Fibre optique à réseau de Bragg ;
TP 5 : Synthèse d’un EOD – TP 6 : Photonique de puissance – TP 7 et 8 : Spectroscopie laser
femtoseconde.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------APPLICATIONS (TD ou TP)
Voir volumes horaires ci-dessus.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------COMPETENCES ACQUISES
A l’issue de cet enseignement, les étudiants se seront familiarisés avec les composants optiques d’actualité
ainsi que l’instrumentation associée. Ils seront à mesure de mettre en œuvre un dispositif expérimental pour
observer, analyser ou transmettre avec la lumière et pourront rapidement être opérationnels dans un
laboratoire de recherche ou dans l’industrie.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------Dispositif d’évaluation des enseignements et modalités d'examen :
Contrôle continu.