optique - Femto-ST

FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
LES ACTIVITES EN
«OPTIQUE»
Introduction
Ce livret comportant 20 fiches résume les
activités de recherche en Optique et
Photonique menées entre 2003 et 2006 au
sein des quatre équipes du Département
d’Optique P.M. Duffieux:
Equipe Nanométrologie et Microsystèmes
pour les Sciences du Vivant (NMSV) :
OP1. Mesure de position subpixel
applications aux sciences du vivant
OP2. Microsystèmes pour la Fécondation In
Vitro
OP3. Bio-Lab on chip pour la détection de
gaz ou d’odeurs : le Bio-nez
OP4. Sonde optique pour la détection des
allergènes
OP5. Applications des continua de lumière
blanche en biologie : microscopie de
fluorescence et spectroscopie de
temps de vol
OP6. Spectro-tomographie optique de
cohérence : développement d’une
sonde optique miniaturisée pour le
diagnostic des lésions cutanées en
temps réel
Equipe Nano-Optique et Champ Proche
(NOCP) :
OP7. Etude de l’émission, de la détection et
de l’effet de pointe (linéaire + non
linéaire) obtenus avec une sonde
champ proche
OP8. Nano-émetteurs/collecteurs pour la
nano-optique
OP9. Nanostructures métalliques
OP10. Cristaux photoniques en niobate de
lithium
OP11. Fabrication et instrumentation pour la
nano-photonique
Equipe Optique Non Linéaire (ONL) :
OP12. Imagerie non linéaire et quantique
OP13. Solitons spatiaux et guides photo-
induits
OP14. Amplification paramétrique sur fibre
optique pour les télécommunications à
haut débit
OP15. Sources laser à fibre de nouvelle
génération
Equipe Optoélectronique (OPTO) :
OP16. Composants photoniques
OP17. Dynamiques non linéaires
OP18. Optique ultrarapide
OP19. Cryptage par Chaos
OP20. Cryptage Quantique
Nous avons choisi, au niveau de FEMTO-ST,
d’organiser les différents livrets de manière à
permettre au lecteur de se forger une opinion
sur la composition et la cohérence
scientifique des futurs départements
souhaités pour la période quadriennale 2008-
2011 (cf. le chapitre Prospective de FEMTO-
ST dans le document de synthèse). Compte
tenu de ce choix, il convient de rajouter 3
fiches supplémentaires au bilan d’activités de
l’Equipe Nano-Optique et Champ Proche. Ces
fiches correspondent aux travaux menés en
micro-optique et en microsystèmes MOEMS :
MN3. Microcapteurs opto-mécaniques
résonnants pour la métrologie in situ
de Microsystèmes
MN4. Métrologie hors plan des MEMS par
interférométrie de Twyman Green
MN5. Système de détection basée sur la
réinjection optique dans une cavité
VCSEL pour la microscopie à sonde
locale
La poursuite de ces activités étant en
cohérence et en synergie avec la charpente
pluridisciplinaire du Département Micro Nano
Sciences et Systèmes dont la création est
proposée, ces trois fiches sont donc
répertoriées au sein du livret préfigurant ce
futur Département.
Enfin, dans chaque fiche, la production
scientifique principale est référencée selon la
liste 2002-2005 donnée dans le bilan
quantitatif, ou fait état de quelques
publications plus récentes ou
particulièrement significatives.

FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
OP12 – Imagerie non linéaire et
quantique (dép. Optique, ONL)
Résumé
Objectif du projet :
Ce projet repose sur notre important savoir-
faire en matière d’imagerie non linéaire, basé
sur notre maîtrise des aspects transverses
spatiaux et des caractéristiques spatio-
temporelles dans les interactions
paramétriques (amplification, conversions de
fréquence) sur cristaux quadratiques en
régime impulsionnel bref (ps à sub-ps).
L’objectif principal est d’appréhender les
caractéristiques liées au bruit spatial dans les
images, particulièrement au niveau
quantique, et de démontrer des propriétés
spécifiquement quantiques dans
l’amplification ou la corrélation d’images ou
de structures spatiales transverses, afin d’en
tirer avantage dans les problèmes d’imagerie
à très faibles niveaux de flux.
Personnes impliquées :
Eric Lantz (PR, 50%), F. Devaux (PR, 80%),
A. Mosset (DOC, 100%), S. Brustlein (DOC,
100%), R. Passier (DOC, 50%)
Collaborations :
ENS Paris, Univ. Côme Italie, Univ. Boston USA,
Soutiens financiers :
STREP Européen FET-OPEN IST QUANTIM
ANR PNANO IRCOQ
BQR Université de Franche-Comté
Description des travaux et
résultats obtenus
Etude de la distribution statistique des
fluctuations spatiales de la fluorescence
paramétrique :
Cette étude vise à caractériser la distribution
statistique des photons générés par
conversion paramétrique basse spontanée,
encore appelée fluorescence paramétrique et
source de bruit dans les images amplifiées. Si
le résultat théorique est bien connu : une
distribution de Bose-Einstein caractéristique
d'un rayonnement de nature thermique, sa
caractérisation directe sur une image par
étude des fluctuations spatiales est un
résultat nouveau. Pour obtenir un
rayonnement comportant un seul mode
temporel, nous avons utilisé des impulsions
de durée inférieure à la picoseconde et un
filtre chromatique étroit. On obtient alors une
image comme sur la figure 1, avec un
é. contraste très proche de l'unit
Fig.1 : Image
expérimentale
de
our comparer la distribution des pixels (à
intérieur du cercle de la figure 1) avec la
des p
(po
On voit aussi sur la f ure 1 une très forte
co
part et d'autre du Cette corrélation
st due à l'intrication des paires de photons
meaux signal-idler, et devrait se traduire
ar une statistique sous-poissonienne sur la
ns mis au point en
aboration avec le Laboratoire Kastler
Brossel (ENS Paris) une méthode, dite des
la fluorescence
paramétrique
P
l'
théorie, il est nécessaire de prendre en
compte la surface de ses pixels qui, bien que
très inférieure à la taille de la cellule de
résolution, n'est pas négligeable devant celle
ci, d'où un certain effet de moyennage. De
plus, la dispersion du cristal entraîne un
décalage entrée-sortie entre les impulsions
pompe et signal de fluorescence. Ce décalage
entraîne un allongement de l'impulsion de
fluorescence, d'autant plus important que le
gain est faible. Nous avons utilisé nos
programmes de simulation spatio-temporelle
pour caractériser la perte de contraste due à
cet allongement. En prenant en compte ces
deux effets et le bruit de lecture de la
caméra CCD, on obtient un excellent accord
entre la distribution expérimentale et la
courbe théorique de Bose-Einstein (figure 2).
Fig. 2 :
histogramme
ixels et
courbe
théorique
intillés)
ig
rrélation entre fluctuations opposées, de
centre.
e
ju
p
différence signal-idler.
Méthode des fonctions de Green
appliquée à la fluorescence
paramétrique :
Sur le plan théorique et de la simulation
numérique, nous avo
coll

FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
uorescence paramétrique, y
Dém de
l'am ruit
es
spects temporels que spatiaux de la lumière
t la première démonstration
SA correspond à une interaction
omplètement dégénérée. La figure de bruit
La figure de bruit après détection est
pleinement caractérisée lorsque la surface de
la cellule de détection est supérieure ou égale
à celle de la cellule de résolution de l'OPA.
fonctions de Green, nous permettant de
calculer toutes les grandeurs statistiques
caractérisant la fl
compris les corrélations non classiques. Nous
avons comparé, avec l'aide de l'Université de
Côme, ces résultats à ceux obtenus à l'aide
d'une méthode stochastique reposant sur les
propriétés de la distribution de Wigner. Les
deux méthodes donnent les mêmes
résultats, dans la limite de la moyenne d'un
très grand nombre de réalisations pour la
méthode stochastique. La figure montre la
fonction de corrélation d'un pixel avec
l'image. On voit clairement que la corrélation
signal-idler est supérieure à la corrélation
signal-signal, ce qui caractérise le régime
spécifiquement quantique. On peut aussi
remarquer l'allongement dans la direction
verticale de la fonction de corrélation, dû au
fait que le faisceau pompe utilisé pour
générer la fluorescence dans les simulations
était fortement allongé dans le sens
horizontal, d'où une forte diffraction verticale
dans le plan de Fourier. Cet exemple montre
que la méthode permet de reproduire des
conditions expérimentales non idéales et
sans symétrie particulière, ce qui permet une
réelle comparaison simulation-expérience.
spatial :
Le caractère sans bruit de l'amplification
paramétrique sensible à la phase a été
formalisé théoriquement tant pour l
onstration expérimentale
plification d'images sans b
a
et expérimentalement démontré du point de
vue temporel. Les résultats présentés
constituen
expérimentale de l'amplification paramétrique
optique (OPA) sans bruit, où le bruit
considéré porte sur les fluctuations purement
spatiales dans une image unique. Cette
démonstration est établie à partir de la
distribution spatiale du nombre des photons
détectés sur un ensemble de pixels d'une
caméra CCD. Une image faible, limitée par le
bruit de photons dans son plan transverse,
est formée par l'illumination d'une mire avec
une onde plane impulsionnelle (∆t=1.2 ps
@527.50 nm). Ce signal est amplifié par une
onde pompe (∆t=0.9 ps @263.75 nm) dans
un cristal de BBO de type I taillé pour un
accord de phase colinéaire à la
dégénérescence. L'image amplifiée est
enregistrée sur une caméra CCD à haut
rendement quantique et faible bruit de
lecture.
Les deux configurations d'amplification,
sensible (PSA) et insensible (PIA) à la phase
sont étudiées. Le schéma PIA est réalisé avec
une interaction non-colinéaire et un filtrage
spatial du signal amplifié tandis que le
schéma P
c
après détection est définie comme le rapport
entre le rapport signal sur bruit initial mesuré
sur des images non amplifiées et le rapport
signal sur bruit mesuré après amplification.
Les statistiques sont établies à partir des
fluctuations des photo-électrons mesurées
sur tous les pixels de la zone considérée.
Figure de bruit sensible à la phase
Figure de bruit insensible à la phase
Covariance entre les fluctuations d'intensités mesurées
sur le pixel(x=22,y=18) et tous les autres pixels.
Gauche : méthode d tions de Green.
Droite : moyenne stoc astique de 10000 tirs.
es fonc
h

FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
fication paramétrique d'un signal ou
'une image est toujours accompagnée de
ue) avec un taux
Cette dernière est déterminée par les
conditions expérimentales (grandissement,
largeur du spectre spatial de l'OPA, filtre
spatial), amenant à regrouper les pixels. La
valeur théorique de la figure de bruit dépend
du gain d'amplification et du rendement
quantique de la détection. Pour les deux
schémas d'amplification, les valeurs
expérimentales sont en bon accord avec les
courbes théoriques respectives. Dans le cas
sensible à la phase, la figure de bruit après
détection tend vers le rendement quantique
du système pour un fort gain et une taille de
pixel suffisante. Ceci signifie que
l'amplification d'images peut supprimer la
dégradation du rapport signal sur bruit dû au
mauvais rendement quantique du détecteur.
Ce résultat, mis en exergue par la revue
Nature, constitue un des résultats
marquants du consortium du contrat
QUANTIM (9 laboratoires en Europe, Russie,
USA).
Amplification paramétrique d’images de
très faibles niveaux :
L'ampli
d
l'amplification du bruit quantique (i.e. la
fluorescence paramétriq
moyen qui correspond, pour des gains
élevés, à un bruit d'entrée d'un photon par
mode spatio-temporel. C'est pourquoi il
semble difficile d'amplifier une image
comportant moins d'un photon par mode.
Cependant, nous avons montré qu'une image
issue d'un signal de fluorescence pouvait être
retrouvée avec un bon contraste après
amplification paramétrique même si le niveau
de cette image d'entrée est inférieur au
photon par mode. En effet si l'écart type du
bruit introduit par la fluorescence
paramétrique est inférieur au niveau moyen
du signal de fluorescence amplifié, alors, par
soustraction du niveau moyen du bruit, il est
possible de retrouver l’information utile dans
l’image avec un bon rapport signal sur bruit.
La fluorescence paramétrique est un bruit qui
obéit à une statistique thermique d’un point
de vue spatial, c'est-à-dire que l’écart type
s’exprime comme NG , ou G est le gain
d’amplification et N le nombre de modes
temporels détectés. Pour un signal
présentant un nombre m de photon par mode
à l’entrée de l’amplif ur, ce signal amplifié
peut être extrait du bruit à la condition que
icate
NmG NG>, soit 1 mN >. Cela signifie
que le plus petit signal détectable en termes
. Ce nombre N
dépend de la largeur des filtres interférentiels
utilisés pour la détection et du nombre de tirs
laser cumulés. Les figures 1 illustrent ce
résultat. La figure 1a correspond à l’image
d’un signal de fluorescence amplifié. Ce
signal est noyé dans le bruit apporté par
l’amplificateur. La figure 1b présente une
image du bruit seul. Enfin la soustraction
entre les images du signal bruité et du bruit
seul permet de retrouver l’information
spatiale portée par le signal de fluorescence
(figure 1c). D’autre part une comparaison
directe entre les niveaux de gris dans les
images 1c et 1b nous permet une mesure
directe du nombre moyen de photon par
mode spatio-temporel à l’entrée du
l’amplificateur. Pour l’image 1c, on mesure
m=0,15. comme N dépend du nombre de tirs
cumulés, la détection d'images avec 10-2
photon par mode peut être envisagée,
conduisant à la possibilité d'amplifier une
image de radiation de corps noir dans le
domaine optique.
de photons par mode décroît avec le nombre
de modes temporels détectés
A pa e
ph rtex :
Nous présentons les premie ats
xpérimentaux de l’amplification
dans une configuration
complètement dégénérée. Dans ce cas, le
Fig. 1c :Restitution
du signal image
après soustraction de
la fluorescence
p
aramétri
q
ue.
Fig. 1a :Image
amplifiée et bruitée
d’un signal faible de
fluorescence.
Fig. 1b :Image du
bruit seul
(fluorescence
paramétrique).
mplification
ase de vo ramétriqu optiques sensible à la
rs résult
e
paramétrique de vortex optiques dans une
configuration de gain sensible à la phase. Un
vortex optique est un type de faisceau
annulaire présentant la particularité d’avoir
une phase dans son plan transverse qui varie
de 0 à 2mπ en fonction de l’azimut θ. En
outre, chaque photon possède un moment
orbital. Ce moment orbital peut alors être
communiqué à des particules ce qui rend ces
faisceaux particulièrement intéressants pour
la manipulation de particules. Par ailleurs
l’utilisation de ce type de faisceau dans des
interactions non linéaires ouvre de nouvelles
perspectives.
Nous avons étudié, pour commencer, le
comportement de ce type de faisceau dans
une interaction quadratique d’amplification
paramétrique

FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
En perspective de ces travaux, nous allons
exploiter la structuration spatiale de ces
vortex afin de mettre en évidence l’existence
de corrélations spatiales sub-poissoniennes
ns un faisceau amplifié paramétriquement.
rès, 1 autre
O236, O267.
gain d’amplification devient sensible à la
phase relative entre le vortex optique et le
faisceau pompe. Compte tenu du front
d’onde particulier du vortex cela conduit à
une amplification ou désamplification du
signal et produit une structuration du vortex
amplifié caractéristique des conditions
expérimentales. Les figures ci-dessous
illustrent ces résultats pour différentes
valeurs du moment orbital porté par le
vortex optique et pour un accord de phase
colinéaire.
da
Production scientifique
7 publications dans des revues à comité de
cture (O6, O37, O54, O83, O90, O121, le
O160), 4 conférences invitées (O175, O182,
O184, O196) 5 actes de cong
conférence, dont : O213, O222,
Publication significative :
Mosset A., Devaux F., Lantz E.,”Spatially noiseless
optical amplification of images”, Physical Review
Letters, 94, pp. 223603-4 (2005)
Ce résultat marquant a été souligné dans un
s » dans la rubrique article « Crystal-clear image
"News and Views" du journal Nature n° 436,
p.472, Juillet 2005
OP13 – Solitons spatiaux et
guides photo-induits (dép.
Optique, ONL)
Résumé
Objectif du projet :
La réalisation de dispositifs purement
optiques dans lesquels la lumière est utilisée
pour guider et manipuler la lumière sans
avoir recours à la fabrication de guide
d'ondes fait l’objet d’intenses activités au
sein de la communauté internationale en
optique non linéaire. L’autocréation de tels
guides, reconfigurables, repose sur
l'utilisation du concept de lumière
autoguidée, un principe essentiellement basé
sur la propagation de solitons spatiaux. Ces
faisceaux optiques résistent à la diffraction en
permettant une propagation invariante et
peuvent être ainsi considérés comme des
canaux porteurs d’information. Nos activités
liées à ce thème de recherche se scindent en
deux axes. Le premier, basé principalement
sur les solitons Kerr, s’attache à mettre en
évidence de nouveaux concepts
fondamentaux de commutation, addition,
multiplexage et nettoyage de faisceaux
optiques alors que le second, qui s’appuie sur
les solitons photoréfractifs, a pour but
d’exploiter les guides photo-induits pour des
applications en optique intégrée 3-D.
Personnes impliquées :
M. Chauvet (MC, 80%), G. Fanjoux (MC,
100%), Eric Lantz (PR, 25%), F. Devaux (PR,
20%), T. Sylvestre (CR, 30%), H. Maillotte
(DR, 25%), V. Coda (DOC, 100%), M. Delqué
(DOC, 100%), R. Passier (DOC, 50%), F.
Pettazzi (DOC, 50%), C. Cambournac (DOC,
100%), G. Couton (DOC, 100%)
Collaborations :
LMOPS Metz, ENS Paris, POMA Angers, Univ.
« La Sapienza » Rome, ULB Bruxelles, Univ.
Mohammedia Maroc, Univ. Arkansas USA
Soutiens financiers :
STREP Européen FET-OPEN IST QUANTIM,
ACI Nanosciences COBIAN, Programme de
coopération internationale CNRS/DRI-NSF
(USA), Région Franche-Comté (2006).