Traitement de l`information : signal, images
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« Traitement de l’information : signal, images, communications optiques » TRONC COMMUN : Séquence 1 (sept.-oct.) : Fundamentals of estimation and detection in signals and images (A) Problèmes Inverses : méthodes avancées pour le traitement de données expérimentales Télécommunications Optiques Séquence 3 (jan.-fév.) : Modalités d’Imagerie Projet de traitement d’images ELECTIFS RECOMMANDES : Séquence 2 (nov.-déc.) : Reconnaissance des Formes (CL, FIE) Radar (CL) Séquence 3 (jan.-fév.) : Fonction et Intégration Photonique Programmation pour les activités de l’ingénieur Année 2014-2015 Descriptifs des cours : TRONC COMMUN ......................................................................................................................... 3 Fundamentalsofestimationanddetection [Estim&Detect(A)]..........................................................................4 ProblèmesInverses:méthodesavancéespour [PbInverses]............................................................................5 TélécommunicationsOptiques [Télécom]...........................................................................................................6 Modalitésd’Imagerie [Modal.Image].......................................................................................................7 Projetdetraitementsd’images [Trait.Images]......................................................................................................8 COURS ELECTIFS DE SEQUENCE 2 .................................................................................................. 9 Radar [Radar]..............................................................................................................10 ReconnaissancedesFormes [Recon.Formes]...............................................................................................11 Physiquedesdétecteurs [Phys.Detect.]..................................................................................................12 ImagerieHauteRésolutionetOptiqueActive [Opt.Apdapt.]........................................................................13 COURS ELECTIFS DE SEQUENCE 3 ................................................................................................ 14 Conception optique avec Zemax (stage à St Etienne)...........................................................................................................15 Géométrie pour l’ingénieur (St Etienne).................................................................................................................................16 Programmation pour les activités de l’ingénieur [ Program ]...................................................................................17 FonctionetIntégrationPhotonique [FoncIntPhot]................................................................................................18 Micro‐systèmesoptiques [Micro‐Systèmes]..............................................................................................20 Visualisation [Visualisation].....................................................................................................21 Optiquedel'Extrême [Extrem]...............................................................................................................22 TechnologiedesLasers [TechnoLaser]..................................................................................................23 FibresOptiquesAvancées [Fibresavancées]...............................................................................................24 Biophotonics(A) [BioPhot(A)]........................................................................................................25 Near‐fieldmicroscopies(A) [NearField(A)]..................................................................................................26 TRONC COMMUN Fundamentals of estimation and detection in signals and images (A) Volume horaire : 30 h Coordinateur : Intervenants : François Goudail – Fabienne Bernard – Matthieu Boffety Examens : Mots clés : [ Estim&Detect (A) ] Nombre d’élèves maximum : 30 François GOUDAIL Comptes rendus de TP + examen écrit Cours 1,5 h : TD TP TP 2,0 h : 4,5 h : 8, Objectifs Digital processing of signal and images is essential in many applications of optics. Optical communications, remote sensing, industrial control often require performing such tasks as signal detection, parameter estimation, target identification. As another example, nowadays, the design of the optics of an imaging system is performed together with the development of signal processing algorithms aimed at exploiting the data. Basic knowledge of signal processing is thus very useful to develop optical systems and quantify their performance. This course is an introduction to signal and image processing for optics scientists. Half of it consists of « interactive » lectures where basic principles are explained and illustrated with exercises. The second half consists of laboratories where students will develop and test signal and image processing algorithms using Matlab. At the end of this course, the students are able to analyse a problem of estimation or detection, to propose the adequate algorithms and to estimate the reachable performance. Plan du cours 1. Basics of probability theory and random functions Random variables used in physics Central limit theorem Random functions : stationarity, ergodicity, filtering 2. Introduction to estimation theory: Bias and variance of an estimator Maximum likelihood, nuisance parameters Cramer-Rao lower bound. Estimation in the presence of additive noise : the matched filter Application to distance and position estimation (radar, lidar, …). Application to multiresolution algorithms in microscopy 3. Introduction to detection theory : Statistical modelling of the detection problem Neyman-Pearson theory : likelihood ratio Nuisance parameters : generalized likelihood ratio Application to radar and communications. Documents F. Goudail , Introduction to estimation and detection theory Bibliography 1) Ph. REFREGIER. Théorie du signal, Masson 1993. 2) Ph. REFREGIER. Noise theory and application to physics, Springer, 2004 3) S. M. KAY, Fundamentals of Statistical Signal Processing, Volume I: Estimation Theory, Prentice Hall, 1993 4) S. M. KAY, Fundamentals of Statistical Signal Processing, Volume II: Detection Theory, Prentice Hall, 1998 5) C. GONZALEZ and P. WINTZ. Digital image processing. Addison Wesley. 1987. Pré-requis Cours de math et signal 1A (Signaux certains, signaux aléatoires, variables aléatoires) Cours de calcul scientifique 1A (Matlab) Cours d’optique de Fourier Problèmes Inverses : méthodes avancées pour le traitement de données expérimentales [ Pb Inverses ] Volume horaire : 30 h Coordinateurs : Intervenants : Examens : Mots clés : J.-M. Conan et L. Mugnier J.-M. Conan et L. Mugnier Comptes-rendus de TP + examen Problèmes inverses, estimation, moindres carrés, régularisation, estimation bayésienne, optimisation, restauration d'images, analyse de front d'onde. Objectifs Dans tous les domaines de la Physique appliquée et de l'ingénierie, les mesures sont inévitablement bruitées et liées de manière souvent complexe aux paramètres d'intérêt (objet observé, aberrations optiques, etc). L'estimation de ces paramètres à partir des données est un « problème inverse ». Les méthodes classiques de résolution sont souvent inefficaces voire très sensibles aux bruits de mesure. Le but de ce cours est de présenter un cadre unifié et des méthodes modernes pour aborder cette problématique. Ces méthodes seront illustrées sur des cas d'applications en optique, et particulièrement en imagerie à haute résolution angulaire pour l'astronomie. Cet enseignement se compose pour moitié de cours magistraux interactifs et pour moitié de TDs d'application sous IDL (Interactive Data Language). Plan du cours 1. 2. 3. 4. Introduction aux problèmes inverses ◦ notion de problème direct, problème inverse, problème mal-posé ◦ méthodes d'estimation classiques : moindres carrés (MC), Maximum de Vraisemblance (MV), filtre inverse. ◦ méthodes régularisées : approche historique (Tikhonov), approche bayésienne, Maximum A Posteriori (MAP), estimateur à erreur quadratique minimale (Minimum Mean-Square Error ou MMSE) ◦ lien entre méthodes MC, filtre inverse, MV, MAP, MMSE Méthodes avancées ◦ prise en compte d'une statistique non gaussienne pour le bruit ◦ régularisations avancées : restauration de bord francs, contrainte de positivité et de support ◦ réglage des hyper-paramètres ◦ estimation optimale temps-réel (filtrage de Kalman) Introduction à l'optimisation : minimisation d'un critère dérivable de plusieurs variables ◦ critère quadratique, développement limité du critère, gradient, Hessien ◦ méthodes du premier ordre : gradient, gradient conjugué ◦ méthodes du second ordre : Newton, quasi-Newton, Levenberg-Marquardt ◦ notions d'optimisation sous contraintes. Applications en imagerie à haute résolution angulaire ◦ reconstruction de front d'onde : Hartmann-Shack, analyseurs plan focal ◦ estimation et commande en optique adaptative ◦ recalage d'images ◦ restauration d'images corrigées par optique adaptative Polycopié ou notes de cours disponibles • • « Introduction aux problèmes inverses. Applications à l’imagerie optique à haute résolution en Astronomie », L. Mugnier d’après « Des données à l’objet : le problème inverse », chap. 9, sec. 6 de « L’observation en astrophysique », P. Léna et coll., EDP Sciences, 2008. « Problèmes inverses en imagerie optique à travers la turbulence », L. Mugnier, G. Le Besnerais et S. Meimon, d’après « Inversion in optical imaging through atmospheric turbulence », chap. 10 de Bayesian Approach to Inverse Problems, sous la direction de J. Idier, ISTE, 2008. • Bibliographie 1. 2. 3. « Bayesian Approach to Inverse Problems », sous la direction de J. Idier, ISTE, 2008. « Identification de modèles paramétriques à partir de données expérimentales », E. Walter et L. Pronzato, Masson, 1994. « Adaptive Optics in Astronomy », sous la direction de F. Roddier, CUP, 1999. Télécommunications Optiques Volume horaire : 30 h Coordinateur : Intervenants : Nicolas Dubreuil Examens : Mots clés : Nicolas DUBREUIL Examen écrit [ Télécom ] Cours TD TD TP 1,5 h : 1,5 h : 2,0 h : 4,5 h : Objectifs Ce cours traite des principes de fonctionnement des systèmes de transmission numérique à très haut-débit sur fibre optique. Une première partie introductive précède un cours détaillé sur les fonctionnements des systèmes de transmission multi Tbit/s actuellement développés et commercialisés. Outre, les systèmes de transmission, ce cours traite également du fonctionnement actuel et futur des réseaux optiques. Enfin, le cours se termine sur une introduction aux télécommunications quantiques. Compétences : A l’issue de ce cours, les élèves seront capables d’appréhender un projet autour de la conception d’une transmission sur fibre optique à très haut-débit, de comprendre et d’anticiper les principaux facteurs limitant ses performances. Ils seront également à même d’aborder le fonctionnement de base des réseaux optiques. Plan du cours Introduction aux télécommunications optique (N. Dubreuil - 9h) - Rappel sur les propriétés des fibres optiques, Compensation de la dispersion chromatique - Liaisons numériques sur fibres optiques : Bruit de photodétection, Facteur de qualité et taux d’erreurs binaires, règles de conception élémentaires - Amplificateurs à fibre optique : principe de fonctionnement, Facteur de bruit, détection directe avec amplification optique, facteur Q’, rapport signal à bruit optique - Multiplexage en longueur d’onde : liaisons WDM, DWDM, Gestion des nonlinéarités optiques Systèmes de transmission WDM multi TéraBit/s (S. Bigo - 12h ) I. BASICS: Why fiber-based digital communication systems ? Multiplexing techniques - Terrestrial versus submarine systems Performance assessment - Linear transmission impairments - Chromatic dispersion - Polarization mode dispersion - Amplifier noise II. HISTORY OF WAVELENGTH DIVISION MULTIPLEXING: What technologies for 10 Tbit/s transmission ? Optical amplifiers, fiber types, spectrally-efficient modulation formats III. OPTICAL NONLINEAR EFFECTS: -> Single-channel fiber nonlinearities (Self-phase modulation (SPM), Nonlinear Phase Noise (NLPN), Stimulated Brillouin Scattering (SBS), Intra-channel cross-phase modulation, Intra-channel four-wave mixing), ->WDM fiber nonlinearities (Four-wave mixing (FWM), Cross-phase modulation (XPM), Cross-polarization modulation (XPolM), Interchannel Self-Induced Stimulated Raman Scattering (SI-SRS) IV. INTRODUCTION TO SUBMARINE TRANSMISSION SYSTEMS Submarine systems wih repeaters - Examples of submarines cables - Technologies of submarine systems with repeaters Unrepeatered submarine systems (Basics, Examples of commercial systems, Technologies specific to unrepeatered systems) V. FEW TBIT/S EXPERIMENTS Modulation formats, a short introduction - Examples of 40Gbit/s terrestrial - Example of 40Gbit/s submarine transmission experiments Coherent systems: the future of WDM systems? Introduction to Optical Networking (T. ZAMI – 6h ) 1. Introduction : transport networks today 2. Optical routing : principles and definitions 3. Building blocks : optical technologies 4. Towards “all” optical networks : limitations 5. Illustration of experimental assessment of an optical core network 6. Node architecture : Why now "Less" is better Télécommunications quantiques (E. DIAMANTI – 3h) Quelques principes de la physique quantique - Cryptographie classique et cryptographie quantique - Systèmes pratiques de cryptographie quantique - Réseaux de communications quantiques Polycopié ou notes de cours disponibles Notes de cours disponibles sur : http://paristech.institutoptique.fr/site.php?id=66 Bibliographie DESURVIRE (Emmanuel), Erbium-doped fiber amplifiers (principles and applications), WILEY & SONS , 1994, XXVII - 770p, JOINDOT (Irène), JOINDOT (Michel), Les télécommunications par fibres optiques, DUNOD , 1996, XXX - 738p, AGRAWAL (Govin P.), Fiber-optic communication systems, WILEY & SONS , 1997, XVIII - 555p, AGRAWAL (Govin P.), Nonlinear fiber optics, ACADEMIC PRESS , 1995, XVIII - 593p, DESURVIRE (Emmanuel), BAYART (Dominique), DESTHIEUX (Bertrand), BIGO (Sébastien) Erbium-doped fiber amplifiers (device abd systems development), WILEY Intersciece , 2002. Pré-requis Le cours s'appuie sur les bases enseignées en 2° année en opto-électronique et fibres optiques. Modalités d’Imagerie Volume horaire : 30,0 h Coordinateur : Rémi MICHEL Intervenants : Examens : Mots clés : [ Modal. Image ] 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 nonlinéaire, 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 Projet de traitements d’images [ Trait. Images ] Volume horaire : 15 h Coordinateur : Caroline Kulcsar Intervenants : Caroline Kulcsar et Guillaume Druart 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) 2) 3) prise en main du sujet mise en œuvre du traitement d’images rédaction d’un rapport et préparation de la présentation Polycopié ou notes de cours disponibles Une liste de sujets sera proposée. Bibliographie COURS ELECTIFS de séquence 2 Choix à faire en octobre 2015 Radar [ Radar ] Cours recommandé dans le cadre du parcours « Traitement de l’information : signal, images, communications optiques » Volume horaire : 15,0 h Intervenants : M. Philippe LACOMME Examens : Mots clés : Contrôle continu Objectifs Donner des notions de base sur les radars et les ondes électromagnétiques associées. L'optique et les ondes radar sont souvent couplées. Des travaux dans le domaine des radars ont été transposés dans le domaine optique (compression d'impulsions ultrabrèves). Inversement, il peut être très utile de transporter des signaux radar sur des porteuses optiques (distribution de signaux radar à plusieurs appareil, commande optique d'antennes...). La connaissance des signaux radars doit donc faire partie de la culture des SupOpticiens. Plan du cours Les grands principes des systèmes Radar sont donnés, depuis l'émetteur et la mise en forme du signal jusqu'à la détection en passant par la propagation du signal et les sources de bruit. Des exemples de radar sont décrits à la fin du cours. Le plan du cours est le suivant : 1. Introduction Notions élémentaires; principes généraux; composition d'un radar; notions sur les performances. 2. Le signal Emission et réception du signal; Equation du radar; Surface équivalente d'une cible; représentation mathématique. 3. La propagation et les signaux parasites Absorption; réfraction; diffusion; réflexion; diffraction; phénomènes divers. Bruit thermique; brouilleur à bruit; fouillis divers. 4. La détection Récepteur idéal; calcul de performances; taux de fausses alarmes. Fonction d'ambiguïté; résolution; précision. 5. Radars de détection et de poursuites des cibles ponctuelles. Radar à basse fréquence de récurrence (Radar Doppler; Radar à compression d'impulsions...), Radar Doppler, réjection des échos de sol 5. Radars d’imagerie du sol Radar a antennes synthétiques (SAR). Polycopié ou notes de cours disponibles Bibliographie "Radars, bases modernes", Michel Carpentier, éditions Masson Pré-requis Bases de traitement du signal 10 Reconnaissance des Formes [ Recon. Formes ] Cours recommandé dans le cadre du parcours « Traitement de l’information : signal, images, communications optiques » Volume horaire : 15,0 h Coordinateur : François GOUDAIL Intervenants : François GOUDAIL Examens : Contrôle continu Cours Cours TD TD TP Mots clés : TP 4,5 h : 1,5 h : 2,0 h : 1,5 h : 2,0 h : 4,5 h : TP 8,0 h : Signet Houba Objectifs La classification et la reconnaissance automatiques à partir de signaux temporels ou d’images sont utilisées dans tous les domaines de la physique car elles sont essentielles pour automatiser les processus de décision. On peut citer comme exemple la reconnaissance d’objets dans des images, la reconnaissance de la parole, la biométrie, … L’objectif de ce cours est de présenter la problématique générale de la classification et de la reconnaissance des formes ainsi que des exemples de techniques couramment utilisées dans ce domaine. Cet enseignement se compose pour moitié de cours magistral « interactif » et pour moitié de TD d’application sous Matlab. A l’issue de ce cours, les élèves sont capables d’analyser un problème simple de reconnaissance des formes, de choisir les algorithmes adaptés et de concevoir un dispositif informatique permettant de le résoudre. Plan du cours 1. Problématique de la reconnaissance des formes 2. Introduction à la segmentation d’images 3. Introduction à la description de formes 4. Classification 4.1 Eléments de théorie de la décision 4.2 Comment évaluer une méthode de classification ? 4.3 Quelques méthodes de classification supervisée Méthodes linéaires Méthodes bayésiennes Réseaux de neurones 4.4 Sélection de caractéristiques : ACP, LDA. Polycopié ou notes de cours disponibles : F. Goudail , Introduction à la reconnaissance des formes Bibliographie 1) J-P. Cocquerez, S. Philipp, coordinateurs, Analyse d'images : filtrage et segmentation , Masson, 1995 2) A. K. Jain, Fundamentals of Digital Image Processing, PrenticeHall,1989. 3) Gonzalez and Woods, Digital Image Processing, 2nd Edition,Prentice Hall, 2002 4) F. Goudail, Ph. Réfrégier, Statistical Image Processing Techniques for Noisy Images: An Application-Oriented Approach, Kluwer Academics, 2004. nd 5) R. Duda, P. E. Hart, D. G. Stork, Pattern classification, 2 edition, Wiley Interscience, 2000 11 Physique des détecteurs Volume horaire : Cours Coordinateur : Intervenants : 15,0 h 1,5 M. Riad HAIDAR Marcel Caes, Nicolas Guérineau Examens : Séance de TD notés (1h30) TP [ Phys. Detect. ] TD 1,5 h : TD TP 8,0 h Signet Ho 2,0 h : 4,5 h : Objectifs Après l’approche de type "ingénieur" du cours sur la détection en 2e année, ce cours vise : d’une part, à entrer plus en détails dans la physique des détecteurs (mécanismes, performances, limites), en faisant le lien avec la physique des semi-conducteurs et la mécanique quantique. d’autre part, à présenter le détecteur dans un contexte pratique (mise en œuvre d’une caméra, protocoles de test des performances électro-optiques). Plan du cours Le cours sera étayé d’animations Mathematica, et de démonstrations expérimentales. 1/ Photodétection quantique (4h30) A- Mécanismes de Photodétection B- Performances des détecteurs quantiques C- Photoconducteurs D- Photodiodes E- Cellules solaires F- Capteurs CCD 2/ Photodétection thermique (3h) A- Principe de la photodétection thermique B- Le bolomètre résistif C- Les détecteurs diélectriques : - le pyroélectrique - le bolomètre diélectrique 3/ Circuits de lecture dans les capteurs infrarouge (3h) A- Quelques rappels sur la spécificité de l’infrarouge B- Un peu d’histoire … C- Les dispositifs à balayage électronique D- Architecture des matrices de détecteurs infrarouges E- Étages d’entrée des circuits de lecture F- Pas pixel et format des matrices. G- Cryogénie 4/ Techniques de caractérisations électro-optiques des détecteurs infrarouge (3h) A- Connaître les besoins en caractérisation B- Connaître les techniques de test C- Savoir faire évoluer ces techniques D- Exploiter les mesures ultimes 5/ Bruit et Limite de Détection (3h) A- Mécanismes de Bruit dans les détecteurs B- Performances des détecteurs quantiques C- Performances des détecteurs thermiques Notes de cours disponibles : des polys seront distribués Bibliographie 1 – R.W. Boyd, Radiometry and the detection of optical radiation, Wiley 2 – N. Guérineau , R. Haidar, S. Bernhardt, I. Ribet, M. Caes, Caractérisations électro-optiques des détecteurs plans focaux InfraRouge,Techniques de l’Ingénieur, Dossier R6460 (2007). 3 – E. Rosencher et B. Vinter, Optoélectronique, Masson Pré-requis Optoélectronique 12 Imagerie Haute Résolution et Optique Active Opt. Apdapt. ] Nombre d’élèves maximum : 30 Volume horaire : 15 h Coordinateur : Intervenants : Gérard Rousset Cours,0 Gérard ROUSSET et Jean-Marc CONAN (ONERA) TD Examen oral TP TP Examens : Mots clés : [ h: 2,0 h : 4,5 h : 8,0 h : Signe Objectifs L'imagerie à haute résolution angulaire, c'est à dire à la limite de diffraction des instruments optiques, a connu des développements spectaculaires notamment depuis l'avènement de l'optique adaptative dans les années 90. Ces techniques ont été initialement développées pour l'astronomie au sol afin de contrer les effets de la turbulence atmosphérique. Le cours décrit l’origine physique de la turbulence atmosphérique et son impact sur la propagation et l’imagerie optique. Après une introduction aux techniques d'imagerie haute résolution dans leur ensemble (techniques speckle, optique adaptative et interférométrie à longue base) il présente plus en détail les règles de dimensionnement d'une optique adaptative. Le cours met l'accent sur les techniques d'analyse de front d'onde, aspect central de l'optique adaptative mais plus généralement de l'optique moderne. On discute enfin des nouveaux enjeux de l'optique adaptative pour l'astronomie et des nouveaux domaines d'applications, du biomédical à la focalisation de faisceaux laser intenses. A l'issue de ce cours les étudiants seront à même de comprendre, d'utiliser voire de concevoir des systèmes d’imagerie à haute résolution angulaire dans leur métier d'ingénieur. Les compétences génériques correspondantes sont : Caractériser des dispositifs optiques, Choisir des dispositifs en fonction d’un cahier des charges, Concevoir, modéliser et représenter en utilisant les outils adéquats de CAO, des systèmes optiques complexes et des instrumentations hybridant des technologies optiques, mécaniques, électroniques, informatiques. Plan du cours 1. Imagerie à travers la turbulence rappel sur la formation d'image description physique de la turbulence optique formation d'image à travers la turbulence et grandeurs caractéristiques effets de scintillation, effet d'anisoplanétisme et temps caractéristique d'évolution description modale dans la pupille de l'instrument 2. Analyse de front d'onde différentes stratégies d'analyse de front d'onde nature du bruit de mesure reconstruction de front d'onde 3. Introduction aux techniques d'imageries haute résolution imagerie courte pose et techniques speckle interférométrie à longue base optique adaptative 4. Optique adaptative : dimensionnement et nouveaux enjeux composants clef et budget d'erreur règles de dimensionnement nouveaux développements en astronomie et autres domaines applicatifs Polycopié ou notes de cours disponibles Polycopié Bibliographie V.I. Tatarski "Wave propagation in a turbulent medium", Dover publication, New-York, éditions de 1961 et 1967. F. Roddier "The effects of atmospheric turbulence in optical astronomy", Progress in Optics XIX, North Holland 1981, E. Wolf Editor. F. Roddier, J. Beckers, P. Léna, P.-Y. Madec, M. Northcott, G.Rousset, D. Sandler, M. Séchaud "Adaptive optics in astronomy", Cambridge University Press, F. Roddier Editor, 1999. Pré-requis Connaissances de base en imagerie optique et en statistique. 13 COURS ELECTIFS de séquence 3 Choix à faire en octobre 2015 14 Conception optique avec Zemax (stage à St Etienne) Enseignant : Thierry Lépine Semaine du 5‐9janvier 2015, à St‐Etienne. Cours : 30h – 3 ECTS Places disponibles : 5 minimum à 20 maximum Programme : Rappels généraux sur les aberrations, les critères de qualité (dont WFE et FTM) Présentation de Zemax et de l’optimisation Etude de cas simples : o Doublet (avec apochromatisation et tolérancement) o Triplet de Cooke o Objectif double Gauss o Systèmes à miroirs (dont parabole hors axe) o Correcteurs d’ouverture et de champ En fonction du temps disponible : systèmes infrarouges (avec tolérancement thermique), objectif vidéo … 15 Géométrie pour l’ingénieur (St Etienne) Enseignant : Jean‐Marie Becker Semaine du 5 ‐9 janvier2015, à St Etienne Cours : 10h, TP sous matlab : 20h – 3 ECTS Places disponibles : 14 Description : Droites, cercles, triangles … Ces formes géométriques simple 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 d’images. Ce module d’une semaine propose un aperçu de théories t 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 Béziers et splines Géométrie métrique (7h) : Coniques, propriétés et formes quadratiques associées (invariants, dualité, faisceaux de coniques, …). Développée et fonctions support : caustiques, application à l’optique des miroirs courbes. Géométrie projective (3h) : Tracés en perspective. Géométrie algorithmique (4h) : Tracé de droites et de 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. 16 Programmation pour les activités de l’ingénieur [ Program ] Ce module comprend un stage pendant la première semaine de janvier 2013, suivi d’un projet pendant le reste de la séquence, avec deux séances encadrées et une soutenance. Volume horaire : 40 h de stage + Projet Coordinateur : Intervenants : Arnaud BECHE Arnaud BECHE, Cyril KEIME (Thales) Examens : Soutenance Nombre d’élèves maximum : 30 Objectifs - Savoir choisir un langage de programmation approprié à son activité - Savoir rédiger un plan de développement logiciel - Savoir utiliser un langage de programmation pour résoudre un problème - Savoir utiliser un langage de programmation pour automatiser certains travaux - Savoir exprimer son besoin à une équipe de développeurs logiciels Planducours - Comparatif des langages - Bases du langage PYTHON - Programmation orienté objet en langage PYTHON - Interface graphique utilisateur avec QT - Phases de développement d’un projet logiciel - Projet personnel o Rédaction d’un cahier des charges o Réalisation du projet en temps limité Polycopiéounotesdecoursdisponibles Polycopié (cours + exercices) CD-ROM (bibliothèques utiles, documentation) Pré‐requis Connaissances de base en informatique 17 Fonction et Intégration Photonique [ FoncIntPhot ] Cours recommandé dans le cadre du parcours « Traitement de l’information : signal, images, communications optiques » 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) 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. Planducours 1)Couplagesd’ondes,dispositifsemblématiques: 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) lecycleperformance–technologiedescomposantstélécoms:BéatriceDagens 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) Composantstélécometdatacom:tendancesémergentes:Guang‐HuaDUAN 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) Traitementdusignalélectro‐etacousto‐optique,applicationsmicro‐ondesetlidar 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. …/… 18 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 Polycopiéounotesdecoursdisponibles 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). 19 Micro-systèmes optiques [ Micro-Systèmes ] Volume horaire : 30 h Nombre d’élèves maximum : 16 Coordinateur : Intervenants : Franck DELMOTTE : E. Dufour-Gergam (IEF), P. Bondavali (Thales), B. Ea-Kim, F. Delmotte Examens : Mots clés : RapportTP 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. Le but de ce module est de donner aux élèves des notions de base sur la conception des microsystèmes optiques et sur les applications qui existent à ce jour. Ces notions nécessitent des connaissances en microtechnologie qui sont données par l'intermédiaire d'un cours et des travaux pratiques. Plan du cours - 5 cours : initiation aux microtechnologies, MOEMS III-V et packaging 4 TP MOEMS dans la PTC Thales/IO/X 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. 20 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. Planducours Le cours est organisé en 3 blocs principaux, correspondant aux effets physiques et optiques exploités dans les écrans plats : 1‐ Ecransplatsbaséssurlamodulationdelalumière 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‐ Ecransplatsbaséssurunprincipeémissif(écransluminescents). 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. 21 Optique de l'Extrême [ Extrem ] Volume horaire : 18,0 h Coordinateur : Sébastien DE ROSSI Intervenants : Thierry Ruchon, Victor Malka, Franck Delmotte, François Polack, Olivier Guilbaud Examens : Etude bibliographique et soutenance oral en binôme Mots clés : impulsions ultracourtes, interaction à ultra-haute intensité, extrême ultraviolet, laser X, synchrotron, plasma 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)… Planducours Sourcesharmoniquesetimpulsionsattosecondes 3h – Thierry Ruchon du CEA Saclay Interactionlaserplasmaàultra‐hauteintensité(3h) 3h – Victor Malka du Laboratoire d’Optique Appliquée à Palaiseau OptiqueXUV(composantsetexemplesd’applications):imageriesolaire,lithographieEUV,optiquepourl’analyse X… 3h – Franck Delmotte de l’Institut d'Optique Optiquedurayonnementsynchrotron‐métrologiedesoptiquesX 3h – François Polack du synchrotron SOLEIL LaserX 3h - Olivier Guilbaud du LIXAM / Université Paris Sud Visited’unétablissementderecherche Notesdecoursdisponibles 22 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. 23 Fibres Optiques Avancées [ Fibres avancées ] Volume : 15 à 18h Coordinateur : Cours 2,0 h : Enseignants: Henri BENISTY M. Pierre Ferdinand (CEA), M. Fetah Benabid (XLIM, Limoges, précédemment Bath, UK)1,5 h : Exam : QCM 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. L’utilisation de la sphère de Poincaré est un outil important pour la compréhension des phénomènes. De nombreux exemples pratiques sont donnés 2) 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. 24 Biophotonics (A) Volume horaire : 30,0h Coordinateur : ArnaudDUBOIS [ BioPhot (A) ] 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) Examen : Ecriit Aim To give insights into modern research trends in biophotonics. Syllabus Introductiontocellbiology Cellular components, DNA, RNA, proteins Microscopy Fluorescence microscopy, confocal microscopy. Full-field imaging techniques. Organic/inorganic fluorophores Fluorescencetechniques Single-molecule tracking, Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP), Fluorescence Correlation and CrossCorrelation (FCS, FCCS), Fluorescence lifetime imaging (FLIM), Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET). Super‐resolutionimaging Total Internal Reflection Fluorescence microscopy (TIRF), 4π microscopy, Stimulated Emission Depletion microscopy (STED), Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (STORM), PhotoActivated Localization Microscopy (PALM). Opticaltweezers Single molecule manipulation DNAandproteinmicroarrays Readout techniques: fluorescence and Surface Plasmon Resonance, Biochip specifications and realizations, Data processing and interpretation Non‐linearmicroscopy Two-photon excitation fluorescence microscopy Harmonic generation microscopy Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS) microscopy OpticalCoherenceTomography(OCT) Time-domain / frequency-domain OCT Full-field OCT Biomedical applications Séminars F. Lacombe (Mauna Kea Technologies) B. David (Caliper Life Sciences) Bibliography - P. N. Prasad, IntroductiontoBiophotonics, Wiley, 2003 - J. R. Lakowicz, Principlesoffluorescencespectroscopy, 3rd edition, Springer, 2006 - J. Mertz, Introductiontoopticalmicroscopy, Roberts & Co. Publishers, 2009 - M. Müller, IntroductiontoConfocalFluorescenceMicroscopy, 2nd ed., SPIE Press, 2006 - R. Rigler, H. Vogel (eds.), SinglemoleculesandNanotechnology, Springer, 2008 - P. Selvin, T. Ha (eds.), Single‐MoleculeTechniques:ALaboratoryManual,CSH Lab. Press, 2008 - P. R. Selvin, MethodsinEnzymology, Vol. 124, Academic Press (1995), p. 300 - W. Drexler, J.G. Fujimoto (eds.), OpticalCoherenceTomography,TechnologyandApplications, Springer, 2008 25 Near-field microscopies (A) [ NearField (A) ] Volume horaire : 30,0 h Coordinateur : Yannick De WILDE Intervenants : Yannick De Wilde, Samuel Grésillon, Rémi Carminati, Mathieu Kociak Examens : Examen oral 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) 26
