Etude de surfaces par optique non conventionnel : polarimétrie adaptée , speckle et imagerie sublongueur d'onde

withoutCe manuscrit synthétise 3 activités de recherche ayant pour point commun l'étude et la caractérisation de surfaces par des méthodes optiques non conventionnelles. La première de ces activités concerne ce que nous avons nommé l'imagerie polarimétrique adaptée. Dans le cas général, afin de caractériser de manière complète les propriétés polarimétriques d'un objet, l'imagerie de Mueller s'avère être un outil indispensable. Celle-ci consiste à illuminer la scène avec 4 états polarimétriques répartis sur la sphère de Poincaré et à détecter la projection du signal rétrodiffusé de chacun d'eux suivant 4 autres états polarimétriques. Les choix des états polarimétriques utilisés dans l'imagerie de Mueller sont guidés en partie par une optimisation mathématique dont le but est de réduire la propagation des erreurs expérimentales lors de la reconstruction numérique de la matrice de Mueller.Ce choix mathématique ne dépend aucunement de la scène observée. D'autre part, une fois la matrice de Mueller obtenue, il s'avère nécessaire de la décomposer pour obtenir les paramètres physiques pertinents. Cependant, dans un contexte où l'objectif majeur est de détecter un objet sur un fond et de caractériser leurs différences de comportement polarimétrique, il s'avère intéressant d'illuminer la scène avec de nouveaux états polarimétriques choisis pour exhiber un maximum de différence de comportement entre l'objet et le fond. Cette excitation adaptée consiste en fait à trouver l'état ou les états d'illumination qui provoquent une rétrodiffusion de l'objet et du fond selon des états polarimétriques les plus distants possibles sur la sphère de Poincaré. On associe à cette illumination adaptée une détection adaptée ce qui constitue un système d'imagerie à 2 canaux qui prend en compte la totalité de l'information polarimétrique de la scène afin de générer une seule image dont le contraste est optimum. Après une brève introduction qui rappelle la définition des états polarimétriques, les propriétés de la matière qui les modifient ainsi que les formalismes et représentations associés, nous décrivons la méthode d'imagerie par états polarimétriques adaptés baptisée APSCI pour 'Adapted Polarization State Contrast Imaging'. Nous évaluons ensuite les gains en contraste générés par cette nouvelle méthode d'imagerie en comparant les distances de Bhattacharyya obtenues par rapport à l'imagerie de Mueller classique, éventuellement associée à la décomposition polaire.Une illumination laser sur un échantillon rugueux provoque de manière inévitable l'apparition de tavelures (que nous nommerons 'speckle'), résultat d'interférences plus ou moins constructives d'ondes rétrodiffusées par la surface et qui modulent l'image obtenue. Nous proposons donc d'étudier l'effet d'un speckle à fort contraste (monochromatique circulaire Gaussien entièrement polarisé) sur la méthode APSCI et l'imagerie de Mueller afin de quantifier une éventuelle perte de contraste due à ce bruit optique.La seconde activité de recherche décrite dans ce manuscrit concerne l'étude de la transition circulaire Gaussienne du speckle laser. Malgré un nombre impressionnant de publications sur le speckle, il s'avère que les propriétés statistiques de celui-ci ne sont finalement connues que dans certaines conditions d'illumination et de rugosité de surface particulières. En effet, en dehors du domaine où le Théorème de la Limite Centrale peut être appliqué et qui correspond aux statistiques d'un speckle circulaire Gaussien, seuls quelques rares modèles permettent de décrire ses statistiques. De plus, ces derniers modèles qui utilisent des méthodes perturbatives, ne peuvent décrire que les surfaces à basse rugosité. Dans l'objectif d'élaborer une nouvelle méthode simple de caractérisation de surface, nous avons donc étudié un modèle capable de décrire le speckle en dehors des hypothèses nécessaires à l'application du Théorème de la Limite Centrale ce qui nous a permis d'étudier ses statistiques le long de sa transition Gaussienne et de sa transition de circularité. Un speckle monochromatique circulaire Gaussien entièrement polarisé, toujours de contraste unité, ne présente pas d'intérêt pour caractériser la surface qui le génère.En outre, une illumination de quelques cellules de rugosité de la surface qui mène ainsi à un speckle non Gaussien apporte une information certes mais mineure et rarement exploitable concrètement.L'idée qui est proposée ici est d'utiliser une illumination à diamètre variable afin de décrire l'intégralité de la transition Gaussienne de la surface considérée pour en extraire les caractéristiques principales de celle-ci :l'écart type de la distribution des hauteurs de la surface (ou 'rugosité') et la longueur de corrélation transverse associée. Nous verrons que de nombreux paramètres statistiques varient de façon notable à l'intérieur de la transition circulaire Gaussienne et notamment que les variations de contraste sont particulièrement fortes en régime non Gaussien ce qui permet une exploitation expérimentale aisée. Une autre lacune actuelle concerne la caractérisation spatiale du speckle. En effet, les paramètres habituellement utilisés pour caractériser un speckle comme les longueurs de corrélation ou les fonctions de densité de probabilité de l'intensité ne contiennent aucune information sur la répartition spatiale de ce dernier.Ainsi, nous proposons d'utiliser une méthode baptisée l'Arbre de Longueur Minimum qui consiste dans notre cas, à relier les maxima d'intensité du speckle par des branches dont la somme des longueurs sera minimisée. Deux paramètres pertinents qui sont la longueur moyenne des branches et l'écart type de cette longueur nous permettent ensuite de classer la distribution spatiale du speckle de manière particulièrement fine. Ainsi, nous proposons l'utilisation de cette méthode pour l'étude de la distribution spatiale du speckle le long de la transition Gaussienne.La troisième activité de recherche décrite dans ce manuscrit concerne l'étude et la caractérisation de surfaces à l'échelle nanométrique à l'aide d'un Microscope à Force Atomique (AFM) que nous avons ensuite modifié en microscope à champ proche optique sans ouverture, ce dernier permettant de s'affranchir de la limite de diffraction.Dans une première étude, nous décrivons les principaux modes de fonctionnement d'un AFM puis développons une méthode de modulation en tension de la pointe qui nous a permis, en tirant parti de phénomènes de résonance électro-mécanique, d'étudier une transition du second ordre d'un composé ferroélectrique à l'échelle nanométrique.Dans une seconde étude, nous proposons une méthode originale pour visualiser une structure ferroélectrique à l'aide de l'AFM transformé en microscope à champ proche optique sans ouverture dont la pointe est modulée en tension afin d'exhiber les différentes propriétés électro-optiques associées aux domaines de polarité opposée. Au cours de ces 2 études, une analyse des phénomènes physiques à l'origine des contrastes observés est proposée

Study of a circular Gaussian transition in an optical speckle field

We propose a numerical approach to study optical speckle fields generated by various conditions of surface roughness and illumination, without any a priori assumption concerning the properties of the scattered field. By overcoming the limitations imposed by the use of the central limit theorem, we perform the study of the whole circular Gaussian transition undergone by the speckle field when varying the surface roughness and the size of the laser illumination. We focus our attention on the speckle contrast, the degree of circularity and the degree of assymmetry, including their radial dependence

A Gaussian transition of an optical speckle field studied by the minimal spanning tree method

We propose to study the Gaussian transition of an optical speckle field using the Minimal Spanning Tree method. We perform an analysis of the spatial intensity distribution and show that the maxima of intensity evolve from a cluster distribution in the strongly non Gaussian regime, to a gradient distribution around the transition and then approach the random distribution area when we tend to the Gaussian regime. In the generated minimal spanning trees, we observe that the standard deviation of the edges length exhibits a maximum around the Gaussian transition when about 4 correlation cells of the surface roughness are illuminated

Military spending and economic growth in China: a regime-switching analysis

This article has been made available through the Brunel Open Access Publishing Fund.This article investigates the impact of military spending changes on economic growth in China over the period 1953 to 2010. Using two-state Markov-switching specifications, the results suggest that the relationship between military spending changes and economic growth is state dependent. Specifically, the results show that military spending changes affect the economic growth negatively during a slower growth-higher variance state, while positively within a faster growth-lower variance one. It is also demonstrated that military spending changes contain information about the growth transition probabilities. As a policy tool, the results indicate that increases in military spending can be detrimental to growth during slower growth-higher growth volatility periods. © 2014 © 2014 The Author(s). Published by Taylor & Francis

Forecasting Chinese GDP Growth with Mixed Frequency Data: Which Indicators to Look at?

Building on a mixed data sampling (MIDAS) model we evaluate the predictive power of a variety of monthly macroeconomic indicators for forecasting quarterly Chinese GDP growth. We iterate the evaluation over forecast horizons from 370 days to 1 day prior to GDP release and track the release days of the indicators so as to only use information which is actually available at the respective day of forecast. This procedure allows us to detect how useful a specific indicator is at a specific forecast horizon relative to other indicators. Despite being published with an (additional) lag of one month the OECD leading indicator outperforms the leading indicators published by the Conference Board and by Goldman Sachs. Albeit being smaller in terms of market volume, the Shenzhen Composite Stock Exchange Index outperforms the Shanghai Composite Stock Exchange Index and several Hong Kong Stock Exchange indices. Consumer price inflation is especially valuable at forecast horizons of 11 to 7 months. The reserve requirement ratio for small banks proves to be a robust predictor at forecast horizons of 9 to 5 months, whereas the big banks reserve requirement ratio and the prime lending rate have lost their leading properties since 2009. Industrial production can be quite valuable for now- or even forecasting, but only if it is released shortly after the end of a month. Neither monthly retail sales, investment, trade, electricity usage, freight traffic nor the manufacturing purchasing managers' index of the Chinese National Bureau of Statistics help much for now- or forecasting. Our results might be relevant for experts who need to know which indicator releases are really valuable for predicting quarterly Chinese GDP growth, and which indicator releases have less predictive content

Imaging polarimetry for the determination of stress constraint in transparent solids

Using a Mueller matrix polarimeter based on liquid crystal cells [1] and the forward polar decomposition [2], we study the evolution of the birefringence property induced by an increasing compression of a Plexiglas sample. We measure the 2D distribution of the relative retardation δ, the azimuth angle α and the ellipticity angle ε of the sample. A noticeable advantage of such method is the possibility to map the stressinduced birefringence even if the material used for the reflexion implies partial depolarization of the scattered field. More generally, this method will be particularly useful in experimental situations where the light beam undergoes depolarization and/or dichroïsm in addition to birefringence effects because classical birefringence measurement methods are not able to perform an efficient discrimination between these 3 effects. Our experiment shows that the Plexiglas sample under investigation exhibits some weak stress-induced elliptic birefringence. According to simple numerical simulations, this observation is explained by the use of a bi-static illumination/detection configuration

Imaging polarimetry for the determination of stress constraint in transparent solids

Using a Mueller matrix polarimeter based on liquid crystal cells [1] and the forward polar decomposition [2], we study the evolution of the birefringence property induced by an increasing compression of a Plexiglas sample. We measure the 2D distribution of the relative retardation δ, the azimuth angle α and the ellipticity angle ε of the sample. A noticeable advantage of such method is the possibility to map the stressinduced birefringence even if the material used for the reflexion implies partial depolarization of the scattered field. More generally, this method will be particularly useful in experimental situations where the light beam undergoes depolarization and/or dichroïsm in addition to birefringence effects because classical birefringence measurement methods are not able to perform an efficient discrimination between these 3 effects. Our experiment shows that the Plexiglas sample under investigation exhibits some weak stress-induced elliptic birefringence. According to simple numerical simulations, this observation is explained by the use of a bi-static illumination/detection configuration