Descriptif des cours de séquence 3

COURS ELECTIFS Séq. 3
1
COURS ELECTIFS DE SEQUENCE 3 :
Conception optique avec Zemax (Stage à St Etienne) ...................................................................................................... 3 Géométrie pour l’ingénieur (St Etienne) .............................................................................................................................. 4 Programmation objet en C++ Initiation à Code V [ C++ ] .............................................................................................................................. 5 [ Code V ] & Conception de systèmes optiques avancée [ Conc Sys Opt Av ] .............. 6 Modalités d’Imagerie [ Modalités ] ................................................................................................................................... 7 Projets de traitements d’images [ Trait Images ] ........................................................................................................ 8 Fonction et Intégration Photonique [ FoncIntPhot ] .................................................................................................... 9 Visualisation [ Visualisation ] ........................................................................................................................................... 12 Optique de l'Extrême [ Extrem ] .................................................................................................................................... 13 Technologie des Lasers [ TechnoLaser ] ................................................................................................................... 14 Fibres Optiques Avancées Biophotonics (A) [ Fibres avancées ] ........................................................................................................... 15 [ BioPhot (A) ] ...................................................................................................................................... 16 Near-­‐field microscopies (A) [ NearField (A) ] ............................................................................................................ 17 Physique Statistique Quantique Advanced Photonics (A) [ PhysStatQuant ] .................................................................................................. 18 [ Adv Phototnics(A) ] ........................................................................................................... 19 Optique des Milieux Complexes [ Opt M Complexe ] ................................................................................................ 20 2
Conception optique avec Zemax (Stage à St Etienne)
Enseignant : Thierry Lépine Semaine du 7-­‐11 janvier 2013, à St-­‐Etienne. Cours : 30h Places disponibles : 5 minimum à 20 maximum
Programme : -­‐ rappels généraux sur les aberrations, les critères de qualités (dont le WFE et la FTM), -­‐ présentation de Zemax et de l'optimisation -­‐ Etudes de cas simples : Doublet (avec l'apochromatisation et tolérancement), Triplet de Cooke Objectif double Gauss Systèmes à miroirs (dont parabole hors axe) Correcteurs d'ouverture et de champ En fonction du temps disponible : systèmes infrarouges (avec tolérancement thermique), objectif vidéo... 3
Géométrie pour l’ingénieur (St Etienne)
Enseignant : Jean-­‐Marie Becker Semaine du 7-­‐11 janvier 2013, à St-­‐Etienne. Cours : 10h, TP sous Matlab : 20h. Places disponibles : 14. Description : Droites, cercles, triangles… Ces formes géométriques simples dont on croit tout savoir recèlent une quantité inépuisable de propriétés étonnantes dont certaines, astucieusement utilisées, conduisent à des méthodes très efficaces pour résoudre des problèmes concrets dans de nombreuses disciplines scientifiques, notamment en optique et en traitement des images. Ce module d’une semaine propose un aperçu de théories et d’outils utiles à l’ingénieur dans une large palette d’applications. Programme : - Géométrie barycentrique (7h) : Points, droites et cercles remarquables attachés à un triangle, Courbes de Bezier et splines. - Géométrie métrique (7h) : Coniques, propriétés et formes quadratiques associées (invariants, dualité, faisceaux de coniques...) ; Développées et fonctions support: caustiques, application à l'optique de miroirs courbes. - Géométrie projective (3h) : Tracés en perspective. - Geométrie algorithmique (4h) : Tracés de droites et cercles discrets (Bresenham) Diagrammes de Voronoi et Delaunay ; - Géométrie sphérique (3h) - Synthèse (6h) : Espaces de représentation des cercles et application à la détection de droites dans une image. L’évaluation se fera sur la base d’un compte rendu à rendre ultérieurement. 4
Programmation objet en C++
[ C++ ]
Ce module est un stage d’initiation au C++ pendant la première semaine de janvier 2013, suivi d’un projet sur
cinq semaines, avec du temps réservé à l’EDT tous les vendredis, 2 demi-journées encadrées, et une
soutenance.
Les élèves du M2 Optque ont la possibilité de suivre le stage, dans la limite des places disponibles et si leur
emploi du temps le permet, mais il ne validera aucun ECTS pour le master
Volume horaire :
32 h de stage + Projet
Nombre d’élèves maximum : 22
Coordinateur :
Arnaud BECHE
Intervenants :
Arnaud BECHE, Cyril KEIME (Thales)TD,5 h :
Examens :
Soutenance
Cours 1,5 h :
Cours 2,0 h :
TD 2,0 h :
Objectifs Connaître le langage C++ et être capable de l’utiliser pour programmer.
Apprendre les concepts de la programmation orientée objet et être capable de les utiliser pour analyser / décomposer un problème
complexe.
Appréhender une méthode de développement d’un projet (phases de spécification, conception, développement, validation) au travers
d’un projet logiciel réalisé en équipe.
Plan du cours 1. Introduction au langage C++
1.1 Historique
1.2 Évolutions par rapport au langage C
1.3 Allocation dynamique de mémoire en C++
1.4 Pointeurs et références
2. Classes et relations entre classes
2.1 Introduction aux classes
2.2 Constructeurs de classe
2.3 Destructeur de classe
2.4 Agrégation
2.5 Héritage
2.6 Polymorphisme
3. Interfaces graphiques avec la bibliothèque wxWidgets
Polycopié ou notes de cours disponibles Polycopié (cours + exercices)
Site internet (corrigé des exercices, bibliothèques et liens utiles, documentation)
Pré-­‐requis Bonne connaissance du langage C
5
Initiation à Code V
& Conception de systèmes optiques avancée
[ Code V ]
[ Conc Sys Opt Av ]
Ce cours, obligatoires pour les élèves du parcours « Ingénierie des Systèmes Optiques Avancés », est
ouvert comme cours optionnel aux autres élèves, dans la limite des 13 places disponibles restantes.
La structure de ce cours sera modifiée cette année : un semaine d’initiation à Code V sera organisée
pendant la première semaine de janvier 2013, de façon à pouvoir approfondir l’enseignement décrit ici
Volume horaire :
15h Code V + 30h Conc. Sys Opt Av
Nombre d’élèves maximum : 32
Coordinateur :
Intervenants :
Mr Hervé SAUER
Cours
Hervé SAUER, Jérôme PRIMOT (ONERA-DOTA)TD 1,5 h : TD
2,0 h :
Évaluation :
Mots clés :
Contrôle continu
Dimensionnement des systèmes optiques – Conception optique – CodeVTP 8,0 h :
Signet
Objectifs
La capacité de conception demeure la force et la particularité de la formation d’ingénieur dont elle constitue le véritable
aboutissement. Elle consiste à utiliser les connaissances acquises au cours des nombreuses années d’enseignements
scientifiques pour inventer des réponses efficaces et maîtrisées aux besoins de la société. Ce module, au travers du cas
particulier des systèmes optiques, est une ouverture sur cette démarche que l’ingénieur développera par la suite dans son
exercice professionnel et comporte deux thèmes liés :
-
Esquisse d’un système optique. L'objectif est de mettre les étudiants en situation de pré-conception d'un système
optique. À partir d'études de cas didactiques, les premières phases de la conception seront abordées à partir d'expressions
de besoin purement littérales, parfois incomplètes. Le but du travail sera de fournir les grandes lignes d'un avant-projet
cohérent en se posant les bonnes questions, et ceci en quelques heures. Différents outils méthodologiques seront
présentés pour donner les ordres de grandeur nécessaires à la bonne prise en compte des données du problème. Pour
faire un parallèle avec le monde graphique, la compétence recherchée ici est celle du "roughman", ce dessinateur qui
donne une consistance aux projets en quelques traits sur un carnet de croquis.
-
Conception optique ‘avancée’ avec le logiciel CodeV de la société Optical Research Associates. L’objectif est de
devenir capable de mener à bien avec ce logiciel la conception détaillée de systèmes optiques d'imagerie réalistes, simples
à moyennement complexes.
-
Association des deux compétences. Savoir passer d'une expression de besoin informelle à un système optique précis,
fonctionnel et réaliste, via les deux étapes précédentes.
®
Plan du cours
Ces enseignements sont essentiellement construits autour de séances de 3h (ou parfois 4h) de cours/TD, c'est-à-dire
d'alternance de séquences de cours et de TD applicatifs, permettant aux élèves de découvrir et maîtriser progressivement les
concepts, méthodes et outils présentés. Les deux thèmes sont traités en parallèle dans les premières semaines puis combinés
dans les dernières.
Esquisse d’un système optique
•
Exemple du dimensionnement d'un système imageur IR
•
Quelques exemples de demandes en conception
•
Étude de cas
®
Conception optique avancée avec le logiciel CodeV
•
Introduction d'un système optique (dioptres, miroirs, surfaces asphériques, obturations,
éléments basculés et décentrés, ...)
•
Analyses de la qualité optique (courbes d'aberration, spot-diagram, FTM, ...)
•
Optimisation de systèmes optiques (avec contraintes standard et contraintes plus complexes
définies par l'utilisateur)
•
Exemples de conception optique (télescope de Newton, oculaire avec contrôle de la conjugaison
et des aberrations pupillaires, …)
•
Manipulation de systèmes multiconfigurations (zooms) simples…
•
Notions de base du tolérancement de systèmes optiques…
Association des compétences
•
Études de cas
Polycopié ou notes de cours disponibles : Photocopies des transparents de cours. Textes et documents de TD
Bibliographie
SMITH W.J., Modern Optical Engineering, 4thEd, SPIE Press, 2008 ou 2000
FISHER R.E. et al., Optical System Design, McGraw-Hill, 2008
GROSS H., Handbook of optical systems, Vol 4 : survey of optical instruments, Wiley-VCH, 2008
Pré-requis . Connaissances générales en optique géométrique, radiométrie, aberration et conception optique comme données
par les enseignements de 1ère et 2ème années du cursus ingénieur de l'IOGS
6
Modalités d’Imagerie
[ Modalités ]
Ce cours, obligatoires pour les élèves du parcours « Traitement de l’information : signal, images,
communications optiques », pourrait être ouvert comme cours optionnel aux autres élèves., mais pour un
nombre extrêmement réduit de places (moins de 3 places)
Volume horaire :
30,0 h
Coordinateur :
Rémi MICHEL
Intervenants :
Examens :
Mots clés :
Nombre d’élèves maximum : 34
Cours
Cours
Rémi MICHEL
TD
TD
Compte-rendu de TP (50%) et examen sur ordinateur (50%)TP
1,5 h :
2,0 h :
1,5 h :
2,0 h :
4,5 h :
Objectifs
La formation et l’analyse de plusieurs types d’images parmi les plus couramment utilisées mettent en œuvre des algorithmes
spécifiques et de haut niveau nécessitant une compréhension détaillée de la physique des signaux mesurés et des
phénomènes étudiés.
Concernant les traitements les plus en amont, plusieurs systèmes imageurs nécessitent ainsi un traitement algorithmique des
mesures pour former l’image brute ; c’est notamment le cas de l’imagerie radar à synthèse d’ouverture, de la tomographie X, de
l’imagerie par résonnance magnétique ou encore de l’imagerie échographique ultrason.
Concernant les traitements avals, l’analyse des hologrammes radars (interférométrie), spectrale et hyperspectrales
(composition physico-chimique de la scène) se caractérise par la mise en œuvre d’outils de traitement sophistiqués (filtrage
adaptatif linéaire et non-linéaire, déroulement de franges, analyse en composantes principales, etc.).
L’objectif de ce cours est de présenter ces différentes modalités d’imagerie.
Cet enseignement se compose pour moitié de cours magistral « interactif » et pour moitié de TD d’application sous IDL-ENVI.
Prérequis
Cours de la sequence 1 : “Fundamentals of estimation and detection in signals and images” et “Problèmes inverses“.
Plan du cours
1. Formation d’Images Nécessitant la Mise en Œuvre d’un Algorithme
1.1 L’imagerie radar à synthèse d’ouverture
1.2 La tomographie X
1.3 L’imagerie par résonnance magnétique
1.4 L’imagerie échographique ultrason
2. Traitement des Images Radars et Hyperspectrales
2.1 Formation et Analyse des interférogrammes en imagerie radar
2.2 L’analyse des images spectrales et hyperspectrales en microscopie et en télédétection
Polycopié ou notes de cours disponibles :
R. Michel, Modalité d’Imagerie : Traitements Avancés pour la Formation et l’Analyse d’Images.
Bibliographie
1.
2.
3.
4.
5.
Hendee, William R; Morgan, Christopher J (1984). "Magnetic Resonance Imaging Part I—Physical
Principles". West J Med. 141 (4): 491–500, 1984.
Gao, J. (2009) Digital Analysis of Remotely Sensed Imagery. McGraw Hill Professional. ISBN 0071604650, 2009
Processing of Synthetic Aperture Radar (SAR) Images, Ed. H. Maître, Wiley, 2008
Techniques and Applications of Hyperspectral Image Analysis, Eds G. Hans and P. Geladi, Wiley, 2007.
Herman, G. T., Fundamentals of computerized tomography: Image reconstruction from projection, 2nd edition,
Springer, 2009
7
Projets de traitements d’images
[ Trait Images ]
Ce cours, s’adresse prioritairement aux élèves du parcours « Signal, images, communications
optiques » : en cas de dépassement de l’effectif maximal, la priorité sera d’abord aux élèves de ce
parcours, et ensuite au rang d’arrivée de la demande.
Volume horaire : 15 h
Nombre d’élèves maximum : 20
Coordinateurs : G. Druart et Y. Ferrec
Intervenants : G. Druart et Y. Ferrec
Examens : Compte rendu du projet + soutenance
Mots clés : traitements d’images, projets
Objectifs L’objectif de ce module est d’appliquer à un projet concret les connaissances vues durant l’année dans les divers
cours de traitements d’images. Le sujet du projet est décrit succinctement (contexte et résultats espérés) de
manière à laisser aux étudiants une grande autonomie. La manière dont ils analysent le projet et leur attitude face
aux difficultés rencontrées importent plus que la résolution complète du problème posé.
Le travail sera mené en binôme. Plusieurs binômes peuvent travailler sur un même projet. Il leur sera demandé
de s’organiser afin d’adopter des démarches complémentaires pour aborder le projet.
Les étudiants ont le choix entre IDL et Matlab comme langage de programmation.
Plan du cours 1) prise en main du sujet 2) mise en œuvre du traitement d’images 3) rédaction d’un rapport et préparation de la présentation Polycopié ou notes de cours disponibles Une liste de sujets sera proposée.
Bibliographie 8
Fonction et Intégration Photonique
[ FoncIntPhot ]
Volume horaire :
30,0 h
Coordinateur :
Henri BENISTY
Intervenants :
B. Dagens (IEF), G.H.Duan (3-5 Lab), H. Benisty (IOGS) , D. Dolfi et J.P. Huignard (TRT Thales)
Examens :
Examen oral (à base d’articles, binomage possible) TP 4,5 h :
Mots clés :
Technologies, Semiconducteurs, Codage optique, Composants, Structures quantiques.
Objectifs Expliciter les principes de fonctionnement et les technologies des dispositifs photoniques semi-­‐conducteurs, dans une perspective d’intégration. On s’appuiera d’abord sur un cas mature, les télécoms optiques pour les réseaux actuels et les tendances émergentes prochainement déployées. On donner dans la fin du cours les méthodes de traitement du signal par voie électro-­‐optique et acousto-­‐optique, tels qu’elles sont utilisées au-­‐delà des télécom en photonique micro-­‐onde et dans les lidars. Plan du cours 1) Couplages d’ondes, dispositifs emblématiques : On commencera par un rappel des descriptions de couplage d’onde et de semi-­‐conducteur. Puis on étudiera à titre de base générale l’application de ces concept au travers de dispositifs emblématiques (QW laser,DFB, VCSEL,QD laser) (6h, H. Benisty) 2) le cycle performance – technologie des composants télécoms : Béatrice Dagens • On revisite ensuite plus en détail des composants individuels puis intégrés en les resituant dans le contexte des réseaux télécoms et en montrant leur apport à la performance globale. • Nous considérerons d’abord en détail le cas « élémentaire » du laser à semi-­‐conducteur, pour introduire progressivement les principes physiques sous-­‐jacents à l’ensemble des composants optoélectroniques, leur technologie de fabrication, les principes et les degrés de liberté de leur conception. Cela nous conduira jusqu’à l’intégration des composants en circuits photoniques et les compromis supplémentaires sur la conception liés à l’ensemble de la technologie. Nous aborderons également les autres technologies de composants optoélectroniques (verre, SOI, LiNbO3), et nous évoquerons les circuits photoniques développés pour des applications non télécom (bioplasmonique). Ces bases étant acquises, nous pourrons approfondir la physique du fonctionnement et certains principes de caractérisation des composants phares de l’optoélectronique évoqués au début du cours. 3) Composants télécom et datacom : tendances émergentes : Guang-­‐Hua DUAN • On traitera dans cette partie plusieurs tendances observées ces dernières années dans le domaine de télécommunications et de data communication : le multiplexage et le routage en longueur d’onde, les nouveaux formats de modulation et l’intégration photonique sur silicium. Dans la partie multiplexage et routage en longueur d’onde l’accent sera mis sur les sources accordables en longueurs d’onde et la manipulation de la longueur d’onde (filtrage, routage, translation etc.). • Sur les nouveaux formats de modulation, on détaillera les circuits photoniques utilisant par exemple une combinaison de plusieurs interféromètres Mach-­‐Zehnder. Sur l’intégration photonique sur silicium, on expliquera les différentes briques de base : laser, modulateur, photo-­‐détecteurs, guides passifs sur silicium, etc. On montera plusieurs exemples d’intégration pour les applications en télécommunications et en "data communication". 4) Traitement du signal électro-­‐ et acousto-­‐optique, applications micro-­‐ondes et lidar • Electro-­‐optic and acousto-­‐optic phenomena and applications : Induced birefringence in crystals and ceramics, operation in free space and guided modes, light modulators for optical telecommunications, acousto-­‐optic and electro-­‐optic laser beam switching and scanning • Optical and electro-­‐optical properties of liquid crystals: Liquid crystal phases, Optical and EO properties,Technology of liquid crystal cells. …/… 9
• Applications : display, light valves, nonlinear optics Comparisons with other technologies, Applications of wave mixing in materials, Volume holography; Materials : photorefractives, gain media, Brillouin scattering ; Application of wave mixing to image amplification, and wave conjugation, Applications to signal processing, laser beam control, and thermal effect compensation, • Opto-­‐electronic links, from telecommunications to radars, Opto-­‐electronic links main characteristics (gain, noise figure, linearity, dynamic range): from system requirements to component physics; Applications to opto-­‐electronic processing of radar signals (phased array antenna, agile filtering, correlation, spectrum analysis, oscillators, high precision clocks, ..); Photonic generation and detection of millimetre-­‐wave and THz signals ;Basics of lidar systems Polycopié ou notes de cours disponibles Copie des transparents des différents cours Bibliographie The principles of nonlinear optics, Y.R. Shen (Wiley-­‐Interscience Wave Mechanics applied to semiconductor heterostructures, G.Bastard (Springer) Quantum semiconductor Structures : Fundamentals and applications, C. Weisbuch and B. Vinter (Academic Press) H. C. Casey, Jr. and M. B. Panish, « Heterostructure Lasers », Academic Press, 1978 G. H. B. Thomson, « Physics of semiconductor Laser Devices », John Wiley, 1980 Govind P. Agrawal, Niloy K. Dutta, « Semiconductor Lasers », Van Nostrand Reinhold, 2nd ed. 1993, Philippe Brosson, « Semiconductor lasers and integrated devices », Les Houches, summer school on « lasers and applications », June 2000 Pré-­‐requis Diode laser de base (Fabry-Perot), milieux à gain et électro-optiques, bases des télécoms optiques (fibres, modes, débit).
10
Micro-systèmes optiques
[ MicroSystèmes ]
Volume horaire :
30 h
Coordinateur :
Intervenants :
Franck DELMOTTE
Cours 1,5 h :
E. Dufour-Gergam (IEF), P. Bondavali (Thales), B. Ea-Kim, F. Delmotte 1,5 h :
TD 2,0 h :
RapportTP
4,5 h :
TP
8,0 h :
Signet
Examens :
Mots clés :
Houba
Nombre d’élèves maximum : 18
Objectifs
Ce module a pour objectif de fournir aux élèves une connaissance à la fois théorique et pratique des microsystèmes optiques élaborés par des techniques de fabrication issues de la microélectronique. Nous
abordons, au travers de cours et de TP, les notions de base sur la conception des microsystèmes optiques
(MOEMS) et sur les applications qui existent à ce jour.
Plan du cours
Le cours (15h au total) est assuré par plusieurs spécialiste du domaine et porte sur les points suivants :
1) Les techniques de dépôt et de caractérisation de films minces
2) Les microtechnologies : photolithographie, gravure
3) Les procédés spécifiques aux MOEMS
4) le concept de "lab on chips"
5) Les MOEMS en technologie III-V : applications industrielles
6) Initiation à COMSOL Multiphysics (suivi d'un projet de simulation des MOEMS réalisés en TP)
7) Présentation des outils de recherche bibliographique (suivi d'un projet de synthèse bibliographique)
Deux demi-journées de travaux pratiques sont organisées dans la Plateforme de Technologie Commune
(PTC Thales/IO/X). L'objectif de ces séances est de réaliser des micro-miroirs commutables. Les principales
étapes sont détaillées ci-dessous :
1ère séance : Spin coating, Sputtering, photolithographie.
2ème séance : Wet Etching of TiW/Au and resist removing, Photolithography with alignment – Electrical
contacts, Electro-optical testing
Polycopié ou notes de cours disponibles
Photocopie des transparents de cours. Polycopié de Travaux Pratique.
Bibliographie
“Principles of plasma discharges and materials processing ”, LIEBERMAN (Michael A.), LICHTENBERG
(Allan J.), WILEY & SONS , 1994, XXVI - 572p.
« MOEMS: micro-opto-electro-mechanical systems », M. Edward Motamedi, SPIE Press, 2005 - 614 pages
« Thin film processes II », John L. Vossen, Werner Kern, Gulf Professional Publishing, 1991 - 866 pages
« Surfaces interfaces et films minces :Observation et analyse, » B. Agius, François Abel, Luc Beaunier,
Michel Froment et [al], Dunod, 1990 - 469 p.
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Visualisation
[ Visualisation ]
Volume horaire :
15,0 h
Intervenants :
Yvan BONNASSIEUX
Examens :
Examen Oral
Mots clés :
Ecrans plats, LCD, OLED, Electronique en grande surface
Objectifs Donner aux étudiants une vue d’ensemble des différentes familles d’écrans plats, en décrivant les principes physiques de même que les matériaux et les technologies utilisés pour leur fabrication. Plan du cours Le cours est organisé en 3 blocs principaux, correspondant aux effets physiques et optiques exploités dans les écrans plats : 1-­‐ Ecrans plats basés sur la modulation de la lumière Les écrans plats à cristaux liquides sont les principaux écrans dans cette catégorie. Nous présenterons les différentes familles de cristaux liquides, ainsi que la façon dont ils sont utilisés pour obtenir des effets electro-­‐optiques contrôlés par de faibles tensions.  Principes d’adressage et limitation du multiplexage (critère dit de « Alt et Pleshko »),  Adressage par matrice active,  Technologies de transistors en couches minces : le silicium amorphe hydrogéné, le silicium micro-­‐cristallin, le silicium polycristallin, les transistors organiques et les technologies émergentes (nanofils de semiconducteurs, nanotubes de carbone…). 2-­‐ Ecrans plats basés sur un principe émissif (écrans luminescents). Différents types de luminescence sont exploités dans les écrans plats :  Electroluminescence : organic light emitting diodes (OLEDs) et adressage correspondant des écrans.  -­‐Photoluminescence : écrans plasma. 3-­‐ Projection. Les principales techniques de projection (vidéoprojecteur) utilisées seront présentées, basées sur l’utilisation de LCDs ou de micro-­‐mirroirs (MEMS). La dernière partie du cours se focalisera sur le futur et la recherche actuelle sur les écrans plats (3D, très haute résolution, écrans conformables flexibles ou pliables. Pré-­‐requis : Bonnes bases en électronique du solide et en sciences des matériaux. 12
Optique de l'Extrême
Volume horaire :
15,0 h
Coordinateur :
Sébastien DE ROSSI
[ Extrem ]
Examens :
Cours
Cours
Thierry Ruchon, Victor Malka, Franck Delmotte, François Polack, Olivier GuilbaudTD
TD
Etude bibliographique et soutenance oral en binômeTP
Mots clés :
impulsions ultracourtes, interaction à ultra-haute intensité, extrême ultraviolet, laser X, synchrotron, plasma
Intervenants :
1,5 h :
2,0 h :
1,5 h :
2,0 h :
4,5 h :
Objectifs L’objectif de ce module est d’initier les élèves au domaine de l’Extrême Ultraviolet (composants et systèmes optiques aux très courtes longueurs d’onde), au domaine des sources extrêmement intenses (laser X, sources à génération d’harmoniques d’ordre élevé, rayonnement synchrotron), au domaine des impulsions extrêmement courtes (physique des impulsions attosecondes – 10-­‐18 s), au domaine de l’optique relativiste (accélération de particules par champ intense). Ces domaine, qui constitue un des axes de recherche du Laboratoire Charles Fabry, est en plein essor au niveau local (Synchrotron SOLEIL, station LASERIX, ligne de lumière attoseconde au CEA Saclay, projet d’Institut de la Lumière Extrême sur le campus Polytechnique) et également au niveau international (Lithographie EUV, nouvelles sources laser à électrons libres X-­‐FEL aux USA et en Europe)… Plan du cours Sources harmoniques et impulsions attosecondes 3h – Thierry Ruchon du CEA Saclay Interaction laser plasma à ultra-­‐haute intensité (3h) 3h – Victor Malka du Laboratoire d’Optique Appliquée à Palaiseau Optique XUV (composants et exemples d’applications) : imagerie solaire, lithographie EUV, optique pour l’analyse X… 3h – Franck Delmotte de l’Institut d'Optique Optique du rayonnement synchrotron -­‐ métrologie des optiques X 3h – François Polack du synchrotron SOLEIL Laser X 3h -­‐ Olivier Guilbaud du LIXAM / Université Paris Sud Visite d’un établissement de recherche Notes de cours disponibles 13
Technologie des Lasers
[ TechnoLaser ]
Volume horaire : 30,0 h
Coordinateur :
Patrick GEORGES
Intervenants :
Patrick GEORGES (Labo Charles Fabry Institut d'Optique), Arnaud BRIGNON (Thales RT, Palaiseau),
Louis Mc DONAGH (LUMERA, Kaiserslautern, Allemagne), Thomas Oksenhendler (Fastlite, Orsay), Jérome PRIMOT
(ONERA, Chatillon), Jean-Christophe CHANTELOUP (Laboratoire LULI, Palaiseau)
Examens :
Examen oral en binomes, présentation power point d'un article scientifique en anglais
Mots clés :
Lasers, optique non linéaire, laser à semiconducteur, pompage par diodes, impulsions courtes,
amplificateur à fibre optique,
Objectifs
L’objectif de ce cours est de présenter un état de l’art des différents types d'oscillateurs et d'amplificateurs lasers, continus ou
impulsionnels émettant de l’ultraviolet à l’infrarouge.
On insistera sur les différentes technologies mises en place récemment en s’appuyant sur des exemples concrets de lasers
(pour la plupart commerciaux) on étudiera les solutions technologiques innovantes récemment mises en place.
La première partie du cours donne une vue générale de l'ensemble des sources lasers existant actuellement. Plusieurs intervenants
extérieurs viennent apporter un éclairage différent et complémentaire sur des sujets au cœur de leur activité.
Plan du cours
1) Technologie Lasers (Patrick Georges – 24 H)
Rappel historique, différents types de lasers, marché des lasers, lasers à gaz
Lasers solides pompés par lampes, lasers accordables (liquides, solides)
Diodes laser de puissance
(rappels sur le fonctionnement des diodes , diodes mono-emmetteur, barrettes de diodes laser, amélioration de la brillance)
Lasers solides pompés par diodes de puissance
(avantages par rapport au pompage par lampes, propriétés des cristaux laser, pompage longitudinal, pompage transverse, lasers à
semiconducteur pompé optiquement )
Conversion de fréquence par effets non linéaires
(propriétés des cristaux non linéaires, oscillateurs paramétriques optiques, matériaux à quasi-accord de phase)
Lasers à impulsions ultra-courtes
(différentes techniques de verrouillage de modes, oscillateurs femtosecondes à saphir dopé au titane, amplification à dérive de
fréquence, présentation des chaînes laser femtosecondes commerciales basse et haute cadence, accordabilité par effet paramétrique
optique, nouveaux lasers femtosecondes pompés directement par diodes)
Applications des lasers à impulsions ultra-courtes
(spectroscopie non linéaire résolue en temps, microscopie de fluorescence par absorption à deux photons, micro-usinage athermique)
2) Amélioration des propriétés spatiales des lasers solides (conjugaison de phase, beam clean-up...) (Arnaud Brignon - 3H)
3) Les étapes de définition d'un laser solide pompé par diode, dimensionnement. Exemple de réduction des problèmes
thermiques par le pompage à 888 nm (Louis Mc Donagh - 3H)
4) Caractérisation spatiale d'un faisceau laser, controle du front d'onde, correction par des techniques passives ou actives
(optique adaptative) (Jérome Primot – Onera et Jean Christophe Chanteloup - 3H)
5) Différentes techniques de caractérisation d'impulsions courtes, manipulation spectro-temporelle , présentation du principe
du Dazzler (Thomas Oksenhendler - 3H)
Photocopies des planches power point présentées
Bibliographie
“Lasers” A Siegman, Stanford University“, (University Science Books, 1986) ISBN 978-0-935702-11-8,
“Solid-State lasers Engineering” W. Koechner, Springer 6th Edition ISBN-10: 038729094X ISBN-13: 978-0387290942
“Solid-State lasers” M. Bass, W. Koechner, Springer ISBN10 : 0-387-95590-9 ISBN13 : 978-0-387-95590-2
“Ultrashort pulses and applications“ A Galvanauskas Marcel Dekker, Inc. Ed. New York (2002)
Web-site : Encyclopedia of Laser Physics and Technology
http://www.rp-photonics.com
"The principle of nonlinear optics", Y.R. Shen, Wiley, 1984
"Nonlinear Optics", RW Boyd, C Braun, Academic, San Diego, Calif, 2003
Pré-requis
Cours de Lasers, Diodes Lasers, Optique Non Linéaire, Effet Acousto-optique et Electro-optique de 2ème année.
14
Fibres Optiques Avancées
[ Fibres avancées ]
Volume :
15 h
Coordinateur :
Cours 2,0 h :
Enseignants:
Henri BENISTY
M. Pierre Ferdinand (CEA), M. Fetah Benabid (XLIM, Limoges, précédemment Bath, UK)1,5 h :
Exam :
QCM5 h :
Mots-clés :
Capteurs à fibres, Fibres microstructures, fibres à cristaux photoniques, biréfringence artificielle, réseau de Bragg .
Objectifs
L’objectif du cours est de familiariser les étudiants avec deux utilisations avancées des fibres : Plan du cours
1)
Capteurs à fibres optiques (12h) (P. Ferdinand) L’utilisation des fibres comme capteurs conduit à des dispositifs répandus et très versatile -­‐ Avec réseau de Bragg pour le contrôle des déformations, -­‐ Avec biréfringence, ou avec effets magnéto-­‐optiques, pour la détection le long de la fibre de nombreuses quantités physiques extérieures, dont la température par exemple. 2)
 L’utilisation de la sphère de Poincaré est un outil important pour la compréhension des phénomènes. De nombreux exemples pratiques sont donnés Fibres microstructrées (6h) (F. Benabid) [reprise d’un cours de D. Pagnoux qui était en Nanophotonics, transparents en anglais probablement]  Les propriétés photoniques remarquables des fibres optiques microstructurées (FMAS Fibres microstructurées Air Silice) dites aussi fibres à cristaux photoniques (PCF : photonoic crystal fibers) sont exposées et des applications avancées qui ont déjà connu un grand succès sont présentées : -­‐ Dispersion remarquable : éternellement monomode par exemple -­‐ nonlinéarités faibles et absorption minime dans les fibres à cœur creux -­‐ nonlinéarités géantes dans les fibres très confinées. Ce sont les nonlinéarités qui en font les composants de choix actuellement pour la génération de supercontinuum (utilisé pour les « peignes de fréquence » en métrologie , cf. le prix Nobel 2004 de T. Hänsch) Pré-requis
bases des télécoms optiques (fibres, modes, débit), bases des milieux structurés (notion de bande interdite à 1D), couplage de mode. 15
Biophotonics (A) [ BioPhot (A) ] Volume horaire : Coordinateur : Instructeurs : A. Alexandrou (Lab. Optique et Biosciences, Ecole Polytechnique), H. Benisty (Lab. Charles Fabry, IOGS), A. Dubois (Lab. Charles Fabry, IOGS), N. Westbrook (Lab. Charles Fabry, IOGS)TD 1,5 h : TD 30 h Arnaud DUBOIS Cours Examen : written exam4,5 h : Aim To give insights into modern research trends in biophotonics. Syllabus • Introduction to cell biology Cellular components, DNA, RNA, proteins TP 8,0 h : 1,5 h : 2,0 h : Signet Houba • Microscopy Fluorescence microscopy, confocal microscopy. Full-­‐field imaging techniques. Organic/inorganic fluorophores • Fluorescence techniques Single-­‐molecule tracking, Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP), Fluorescence Correlation and Cross-­‐
Correlation (FCS, FCCS), Fluorescence lifetime imaging (FLIM), Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET). • Super-­‐resolution imaging Total Internal Reflection Fluorescence microscopy (TIRF), 4π microscopy, Stimulated Emission Depletion microscopy (STED), Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (STORM), PhotoActivated Localization Microscopy (PALM). • Optical tweezers Single molecule manipulation • DNA and protein microarrays Readout techniques: fluorescence and Surface Plasmon Resonance, Biochip specifications and realizations, Data processing and interpretation • Non-­‐linear microscopy Two-­‐photon excitation fluorescence microscopy Harmonic generation microscopy Coherent Anti-­‐Stokes Raman Scattering (CARS) microscopy • Optical Coherence Tomography (OCT) Time-­‐domain / frequency-­‐domain OCT Full-­‐field OCT Biomedical applications • Seminars F. Lacombe (Mauna Kea Technologies) B. David (Caliper Life Sciences) Bibliography -­‐ P. N. Prasad, Introduction to Biophotonics, Wiley, 2003 -­‐ J. R. Lakowicz, Principles of fluorescence spectroscopy, 3rd edition, Springer, 2006 -­‐ J. Mertz, Introduction to optical microscopy, Roberts & Co. Publishers, 2009 -­‐ M. Müller, Introduction to Confocal Fluorescence Microscopy, 2nd ed., SPIE Press, 2006 -­‐ R. Rigler, H. Vogel (eds.), Single molecules and Nanotechnology, Springer, 2008 -­‐ P. Selvin, T. Ha (eds.), Single-­‐Molecule Techniques: A Laboratory Manual , CSH Lab. Press, 2008 -­‐ P. R. Selvin, Methods in Enzymology, Vol. 124, Academic Press (1995), p. 300 -­‐ W. Drexler, J.G. Fujimoto (eds.), Optical Coherence Tomography, Technology and Applications, Springer, 2008
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Near-field microscopies (A)
Volume horaire :
30,0 h
Coordinateur :
Yannick De WILDE
Intervenants :
Examens :
[ NearField (A) ]
Cours
Cours
Yannick De Wilde, Samuel Grésillon, Rémi Carminati, Mathieu Kociak
TD
Examen oral4,5 h :
TP,0 h : Signet Houba
1,5 h :
2,0 h :
1,5 h :
2,0 h :
Aims
- To illustrate near-field optical microscopy: principles, issues, current performances.
- To introduce other near field microscopy techniques (atomic force microscopy, scanning tunneling microscopy, electron energy loss
spectroscopy), which are basic tools in nanosciences.
- To give an understanding of current trends in nano-optics and plasmonics
Syllabus
Optical near field brings together the techniques that allow for optical measurements at the nanometric scale (surface imaging, single
molecules, surface plasmons polaritons, etc.). The course presents these techniques, with emphasis on both the practical
implementation and the theoretical modelization. It gives the state of the art and impact of optics in the context of nanotechnologies.
Optical and electronic microscopy techniques
• Electrons and Photons
• Transverse and axial resolutions
• Data acquisition: scanning and multiple detectors
• Description of some systems and performances
Concepts of optical near field: angular spectrum and radiating field
• Plane waves decomposition, propagatives waves and evanescent waves
• Spatial frequencies, uncertainty relation
• Propagation, spatial filtering and diffraction
• Reminder: near field and far field dipolar radiation
• Near field: electrostatic limit
• Link between radiation of point sources and angular spectrum
Introduction to atomic force microscopy (AFM) and scanning tunneling microscopy (STM)
• The instruments : principle of operation.
• Forces at work: nature and magnitude orders. Electron tunneling: physical processes and technological issues
• Applications: from topography to physical measurements
Different approaches in optical near field microscopy (SNOM)
• Optical tunneling effect
• Metallic fibres as nanosources or nanodetectors.
• Probes without aperture
Confining the electromagnetic field at subwavelength scale : surface plasmons and nanoantennas
• Emission and detection by a two-level system in a cavity. Purcell effect. Nanoantennas
• Introduction to surface plasmons. Optical properties of metals.
• Surface plasmon dispersion relations
• Applications : confinment of the fields, emission and detection mediated by surface plasmons
• Imaging surface plasmons.
Detecting surface plasmons with fast electron beams
• Studying optical excitations at the nanometer scale using fast electron beams.
• Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS) and the Cathodoluminescence (CL) as tools to investigate surface plasmons..
• Introduction to spectral imaging techniques
• Link with electromagnetic local density of states (EM-LDOS)
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Physique Statistique Quantique
Volume horaire :
30,0 h
Coordinateur :
Laurent SANCHEZ-PALENCIA
[ PhysStatQuant ]
Cours
Cours
Laurent SANCHEZ-PALENCIA et Antoine BROWAEYS
TD
:
TP,0 h : Signet Houba
Intervenants :
Examens :
1,5 h :
2,0 h :
1,5 h :
2,0 h :
Physique Statistique Quantique : des Atomes Froids à la Matière Condensée Objectifs Le but de ce module est d'introduire les notions élémentaires de physique statistique quantique. Après un rappel de physique statistique classique, nous montrerons comment l'indiscernabilité des particules en mécanique quantique modifie profondément la distribution de Boltzmann. Dans le cas de particules sans interactions, nous calculerons les populations des différents états quantiques et en déduirons les propriétés thermodynamiques les plus importantes. Nous décrirons notamment le phénomène de condensation de Bose-­‐Einstein et la notion de surface de Fermi qui jouent des rôles centraux en physique atomique moderne comme en physique de la matière condensée. Le cas de bosons en interactions sera traité dans le cadre d'une théorie dite de champ moyen qui permet de rendre compte de la plupart des propriétés des condensats de Bose-­‐Einstein gazeux. Le domaine des gaz d'atomes ultrafroids est actuellement en plein essort et fournit un cadre original et idéalement adapté à l'application des outils de la physique statistique quantique. Nous présenterons les méthodes utilisées et les principaux résultats obtenus ces dernières années. Enfin, nous introduirons un domaine à la pointe de la recherche actuelle : les simulateurs quantiques. Ces systèmes sont très prometteurs dans la perspective d'utiliser des atomes ultrafroids pour mieux comprendre les effets les plus fondamentaux en matière condensée, tels que la supraconductivité et les transitions métal-­‐
isloant. Plan du cours I.
II.
Statistiques quantiques 1)
Rappels de physique quantique classique 2)
Particules indiscernables en physique quantique (distribution de Bose-­‐Einstein, distribution de Fermi-­‐Dirac, notion de longueur d'onde de de Broglie) Introduction à la physique des atomes ultrafroids 3)
4)
Le refroidissement laser (Doppler et Sisyphe) Les refroidissements évaporatif et sympathique 5)
Piégeage d'atomes neutres 6)
Méthodes de mesure III. Condensats de Bose-­‐Einstein 7)
Condensation de Bose-­‐Einstein 8)
9)
Systèmes où la condensation de Bose joue un rôle La condensation de Bose-­‐Einstein observée dans les gaz quantiques 10) Effets des interactions -­‐ Equation de Gross-­‐Pitaevskii IV. Gaz dégénérés de Fermions 11) Température de Fermi 12) Pression de Fermi 13) Entropie d'un gaz parfait de fermions 14) Développement à basse température V.
Simuler la matière condensée avec des atomes ultrafroids 15) Réseaux optiques 16) Oscillations de Bloch 17) Transition de Mott, modèle de Hubbard, modèle de Heisenberg Pré-­‐requis Mécanique quantique; Notions de physique statistique classique. 18
Advanced Photonics (A)
[ Adv Phototnics(A) ]
Volume :
30,0 h
Coordinator :
Henri BENISTY
Instructors :
R. Kuszelewicz, A, Levenson (LPN), H. Benisty (IOGS) , G. Leo (Thales TRT) 1,5 h :
Exam :
written + oral exam
Keywords :
Linear and nonlinear photonics, semiconductors, quantum structures.
Objectives The Objective of this course is to show how semiconductors and their peculiarities such as excitons or intersubband transitions intervene in novel frontiers of photonics : nonlinear optical signal processing, and quantum structures such as quantum cascade lasers. Syllabus 1) Wave coupling, semiconductor emblematic devices (H. Benisty): We will start by a reminder of the description of wave coupling and of semi-­‐conductors and quantum wells.(6h) We will then study as a general basis the application of these concepts through a couple of emblematic devices (QW laser,DFB, VCSEL,QD laser) (H. Benisty) 2) Semiconductor linear properties of basic and advanced structures (A. Levenson, R. Kuszelewicz) Electronic & optical properties of quantum well Electronic & optical properties of wires and quantum dots Fabrication and technologies Periodical structures : optical properties 3) Nonlinear optics of semiconductors : phenomena & applications (A. Levenson, R. Kuszelewicz) Intrinsic versus dynamical nonlinearities Second order intrinsic nonlinearities Nonlinear effects in vertical cavity systems Nonlinear effects governed by the dynamics of material excitations Spatio-­‐temporal effects and NLO Second Harmonic Generation, and other second order NL applications Nonlinear Photonic Crystals Spatial solitons and applications to all optical logic 4) Quantum semiconductor structures (G. Leo) Based on low-­‐dimensional physics of electrons and photons, we will underline the possibilities gained from band engineering to exploit intraband transitions from THz to mid infrared; Two emblematic devices based on intersubband transitions will be outlined; QWIP detectors and quantum cascade lasers, of high interest for molecule sensing, etc. A more prospective course will be dedicated to integrated single photon sources or twin photons, for quantum optics and cryptography applications. Prerequisites Basic Laser diodes (Fabry-­‐Perot), gain media, electro-­‐optics, basics of télécom optics (fibers, modes, information rate) 19
Optique des Milieux Complexes
[ Opt M Complexe ]
Volume horaire :
15h d’enseignement + 3h travail en temps libre
Coordinateur :
Rémi CARMINATI
Intervenants :
Examens :
Ecrit 1h30
Mots clés :
Milieux diffusants, diffusion multiple, modèles de transport, speckle, diffusion dynamique, imagerie
Résumé : La diffusion de la lumière dans les milieux complexes rend très difficile l’utilisation de techniques d’imagerie standard (microscopie conventionnelle). Pourtant, être capable de « voir à travers des milieux diffusants » est un atout majeur dans des domaines aussi divers que l’imagerie biomédicale, l’étude de la matière molle, ou la caractérisation de peintures. Des approches originales ont été utilisées au cours des vingt dernières années pour développer des systèmes d’imagerie nouveaux, permettant de détecter des objets et de réaliser des images en régime de diffusion multiple. Le module présente les fondements physiques de la propagation des ondes dans les milieux diffusants désordonnés, et différentes techniques expérimentales modernes permettant de sonder de tels milieux. Diffusion de la lumière par des particules (3h) Diffusion, sections efficaces, théorème optique. Rappels de rayonnement. Rayonnement dipolaire. Cas particuliers (diffusion Rayleigh, particules grandes devant la longueur d’onde, diffusion de Mie) Diffusion multiple (3h) Extinction par un nuage de particules Balistique et diffus. Echelles de longueur. Champ moyen et champ fluctuant Homogénéisation (exemple du milieu finement divisé) Modèles de transport en diffusion multiple (3h) Equation de transfert radiatif. Méthode à deux flux Approximation de la diffusion. Conductance radiative Exemples d'application, imagerie Speckle (3h) Statistique de l'intensité (Rayleigh). Modèle de lumière chaotique Statistiques du second ordre. Corrélations spatiales et angulaires Diffusion dynamique de la lumière (diffusion simple et diffusion multiple) Exemples d'application en imagerie (matière molle, vivant) Techniques d'imagerie en milieux diffusants (3h) Tomographie par cohérence optique (OCT) Approches multi-­‐ondes (acousto-­‐optique, photo-­‐acoustique) Imagerie moléculaire (fluorescence) Travail en temps libre : lasers aléatoires 20