Modeling of the angular tolerancing of an effective medium diffractive lens using combined finite difference time domain and radiation spectrum method algorithms

International audienceA new rigorous vector-based design and analysis approach of diffractive lenses is presented. It combines the use of two methods: the Finite-Difference Time-Domain for the study in the near field, and the Radiation Spectrum Method for the propagation in the far field. This approach is proposed to design and optimize effective medium cylindrical diffractive lenses for high efficiency structured light illumination systems. These lenses are realised with binary subwavelength features that cannot be designed using the standard scalar theory. Furthermore, because of their finite and high frequencies characteristics, such devices prevent the use of coupled wave theory. The proposed approach is presented to determine the angular tolerance in the cases of binary subwavelength cylindrical lenses by calculating the diffraction efficiency as a function of the incidence angle

Application de l'optique diffractive à l'hématologie

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation des cellules sanguines par méthodes optiques. Nous proposons de concevoir et fabriquer un élément optique diffractif particulièrement adapté à la différenciation des cellules sanguines et de l'intégrer dans un système approprié.Ce composant est étudié afin de prendre en compte les contraintes propres à la cytometrie en flux et à la synthèse d'éléments diffractifs. Nous montrons que ce composant permet d'améliorer les perfomances pour un coût de fabrication inférieur aux systèmes actuels.Compte tenu de la spécificité du domaine de l'hématologie, nous procédons d'abord à une rapide présentation des bases de l'hématologie et de la cytométrie en flux. Nous traiterons ensuite du cahier des charges, de la synthèse et de la réalisation de l'élément diffractif puis de son intégration suivie d'une validation expérimentale.Nous prenons en charge toutes les étapes: spécifications, calcul de la fonction de phase, simulation des performances et synthèse des fichiers de fabrication. Une fois le prototype réalisé, l'élément diffractif, après avoir été testé isolément, est intégré dans le système optique de caractérisation de cellules sanguines.Nous discutons ensuite cette intégration. Des tests permettent de mettre en évidence le gain de précision et de fiabilité apporté par le système réalisé. Nous concluons en faisant un bilan des résultats et en présentant des éléments de prospectives.The topic of this thesis is blood cells characterization by optical methods. Throughout this work we propose to design and realize a diffractive beam shaper especially adapted to blood cells differentiation, the beam shaper will be next integrated in a blood cell analyzer. The proposed diffractive beam shaper is globally optimized taking into account specific constraints of flow cytometry optical measurements as well as constraints linked to diffractive optics design and fabrication. The proposed design will reduce misalignments sensitivity and enhance measurement accuracy at lower cost than standard optical setups.In order to set the context of the study we first introduce the required hematology and flow cytometry backgrounds. The rest of the work focuses on the proposed diffractive beam shaper synthesis: specifications, phase function determination, prototype fabrication and experimental validation.Prototypes of the proposed diffractive beam shaper have been realized. Those prototypes have first been tested and validated as stand alone optical components. They have next been integrated in the overall optical blood cells differentiation system. Experiments we have realized have proven that the proposed diffractive beam shaping function is especially adapted to optical blood cells characterization: alignment and tolerancing of one critical component have been relaxed and measurement stability has been enhanced.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

AMELIORATION DE LA CONCEPTION DES SYSTEMES DIFFRACTIFS ET HYBRIDES PAR OPTIMISATION DES METHODES LIANT LES CONTRAINTES DE MODELISATION ET DE FABRICATION

STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

CONCEPTION PAR UNE METHODE SCALAIRE ASSOCIEE A UNE METHODE ELECTROMAGNETIQUE RIGOUREUSE DE RESEAUX NON PERIODIQUES (RNP) INTEGRANT PLUSIEURS FONCTIONS OPTIQUES. VALIDATION EXPERIMENTALE

STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Sources lasers stabilisées sur un peigne de fréquence pour la mesure de distances absolues au sein du très grand téléscope interférométrique européen

PRIMA, un futur instrument du VLTI, utilise un système de métrologie laser pour mesurer les variations de chemin optique internes à l interféromètre. L étude présentée dans ce mémoire porte sur le développement, l intégration et le test de sources lasers stabilisées en fréquence pour ce système de métrologie. Dans une première partie, nous présentons le cahier des charges du système dans le contexte de PRIMA et du VLTI. Nous rappelons les bases de l interférométrie laser et les problèmes qu impose son application à PRIMA. Nous en déduisons la nécessité de stabiliser la longueur d onde du laser sur une référence absolue et exposons l intérêt de transformer ce système en un système de mesure de distances absolues.Dans une seconde partie, nous décrivons notre contribution à la stabilisation en fréquence d un laser Nd:YAG sur une raie d absorption de l iode. Nous mesurons précisément les performances du système avec un peigne de fréquences optiques auto-référencé. Nous améliorons le système pour satisfaire aux exigences du cahier des charges.La troisième partie est consacrée à la transformation du système en un système de mesure de distances absolues par l utilisation de l interférométrie à deux longueurs d onde. Nous proposons un nouveau concept de source laser qui utilise un peigne de fréquences optiques comme référence de fréquence. Cette source permet de générer un choix sans précédent de longueurs d onde synthétiques avec une précision relative dans le vide meilleure que 10 11. Nous validons le concept sur un prototype et montrons qu il peut être utilisé en interférométrie à deux longueurs d onde pour résoudre une longueur d onde optique.The forthcoming instrument of the Very Large Telescope Interferometer (VLTI), called Phase-Referenced Imaging and Micro-arcsecond Astrometry facility (PRIMA), uses a laser metrology system to monitor the variations of internal path lengths. This dissertation addresses the development, integration and test of frequency stabilized laser sources for the PRIMA Metrology system (PRIMET).In the first part, we present in the context of PRIMA and the VLTI the specifications of PRIMET. We recall the basics of single-wavelength laser interferometry and introduce the problems raised by its application to PRIMET. We present the need for the absolute frequency stabilization of PRIMET laser and the interest for an upgrade of PRIMET towards absolute distance measurements.In the second part, we present our contribution to the absolute frequency stabilization of PRIMET Nd:YAG laser on a transition of iodine. We characterize the system and measure precisely its performance with a self-referenced optical frequency comb. We improve the system to reach the specifications in terms of accuracy and stability of the locking frequency.The third part addresses the upgrade of PRIMET towards absolute distance measurements by the use of two-wavelength interferometry. We propose a new concept of two-wavelength laser source frequency stabilized on an optical frequency comb. This permits the generation of an unprecedented large choice of synthetic wavelength with a relative accuracy better than 10 11 in vacuum. We validate the concept on a prototype and shows that it can be used to resolve an optical wavelength. Finally, we propose to apply this concept to the upgrade of PRIMET.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Optimisation d'un dispositif interférométrique de mesure de distance absolue utilisant une diode laser à cavité externe continûment syntonisable dans les bandes S et C

L'objectif de ce travail est d'optimiser un dispositif de mesure de distance absolue exploitant les propriétés d'un laser continûment syntonisable. La technique de mesure mise en oeuvre est fondée sur la modulation continue de fréquence optique.Les diodes laser à cavité externe (DLCE) disposent simultanément d'une longueur de cohérence élevée qui permet d'atteindre de grandes distances sans dégradation des qualités interférométriques du signal, et d'une large accordabilité continue en fréquence propice à des mesures de haute résolution. Afin de sélectionner la configuration de DLCE la plus adéquate, nous avons proposé des critères de comparaison fondés sur la sensibilité à la contre réaction optique et le rapport de suppression de modes latéraux. Nous avons ainsi identifié la configuration Shoshan comme étant la plus adaptée à notre cas. Pour cette configuration, nous avons évalué analytiquement et numériquement les tolérances de réglage des optiques par rapport au pivot de rotation du miroir externe. Nous avons obtenu expérimentalement des résultats concordants avec ces prédictions théoriques. Le prototype de diode laser à cavité externe que nous avons conçu et réalisé est continûment accordable en fréquence optique sur une étendue de 1,1 THz (soit 8,8 nm autour de 1540 nm) en 125 ms avec une longueur de cohérence supérieure à 300 m.Nous avons intégré au moyen de composants optiques fibrés les éléments du dispositif de mesure de distance qui pouvaient l'être. Ainsi, nous avons mis en oeuvre un interféromètre de référence, compact, de grande différence de chemin optique dont la stabilité en température est aisément contrôlée. Ce dispositif a été réalisé et a permis la mesure de distances dont la dispersion à un écart type est de 1,7 æm. Un traitement fondé sur une modélisation autoregressive d'ordre 8 des signaux expérimentaux comportant 200 000 échantillons permet d'atteindre une résolution relative de 3,5.10-5 sans post-traitement.The purpose of this work is to optimise a device of absolute distance measurement using the properties of a continuously tunable laser. The measurement technique used is based on optical frequency modulation continuous wave.The external cavity diode lasers (ECDL) have simultaneously a high coherence length that enable to reach long distances without degradation of the signal interferometric qualities, and a wide span of optical frequency tunability suitable for high resolution measurements. In order to select the most appropriated ECDL configuration, we have proposed some comparison criteria based on the sensitivity to the optical feedback and the side mode suppression ratio. Thus we identified the Shoshan configuration as the best one in our case. For this configuration, we analytically and numerically evaluated the tuning tolerances of the optics with respect to the rotation pivot point of the external mirror. We obtained experimental results in agreement with our theoretical predictions. The prototype of external cavity diode laser that we conceived, and realized is continuously tunable in optical frequency over a range of 1.1 THz (that is to say 8.8 nm around 1540 nm) in 125 ms, with a coherence length greater than 300 m.We integrated, using fibered optics components, all the parts of distance measurement device that could be integrated. Thus, we implemented a compact reference interferometer of great optical path difference which stability with temperature can easily be controlled. The realised device permitted the measurement of distances having a standard deviation of 1.7 æm. A signal processing based on an order 8 autoregressive modelization of the experimental signals composed of 200 000 samples allows to achieve a relative resolution of 3.5.10-5 without post-processing.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Contribution à l'ingénierie des systèmes de transmission optique WDM Nx160 Gbit/s (Analyse des dégradations du signal optique induites par les effets de prapagation)

STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Design and development of an optical fiber sensor for hydrogen detection

La détection de l'hydrogène est une priorité environnementale. De nombreux capteurs à hydrogène ont déjà été développés, mais aucun d eux ne répond aux exigences de l'industrie. Les capteurs à fibres optiques, électriquement isolés, sont d excellents candidats pour fonctionner dans des environnements explosifs. Notre objectif est de développer un capteur à fibres optiques intrinsèque par Résonance de Plasmon de Surface pour la détection d hydrogène. Dans cette thèse, nous étudions deux designs de capteurs à hydrogène. Le premier, basé sur la modulation d'amplitude, se compose d'une couche mince de Pd déposé sur le cœur de la fibre multimode, après avoir enlevé la gaine optique. Dans le second, basé sur la modulation de longueur d'onde, nous remplaçons la couche de Pd par un empilement de couches (Au / SiO 2 / Pd). Dans cette thèse, nous démontrons que les capteurs plasmoniques peuvent être une solution pour développer des capteurs à hydrogène fiables et rapides. Enfin, nous étudions des alliages de Mg comme matériaux sensibles à l hydrogène afin d optimiser la plage de détection des capteurs à hydrogène.Hydrogen detection is an environmental priority. Numerous hydrogen sensors have been developed, but none of them meet the industry requirements. Optical fiber sensors, electrically isolated, are excellent candidates for operating in explosive environments. Our goal is to develop an intrinsic optical fiber sensor based on Surface Plasmon Resonance. In this thesis, we study two optical fiber hydrogen sensors. The first sensor, based on amplitude modulation, consists of a thin Pd layer deposited on the multimode fiber core, after removing the optical cladding. The second design, based on wavelength modulation, consists of replacing the single Pd layer by a Au/ SiO2/ Pd multilayer stack. We demonstrate in this thesis that plasmonic sensors may be a solution to develop fast and reliable fiber hydrogen sensors. Finally, we study Mg alloys as hydrogen sensitive material in order to improve the detection range of hydrogen sensors.STRASBOURG-Bib.electronique 063 (674829902) / SudocSudocFranceF