Dissertations / Theses on the topic 'Alignement optique'

L'interaction entre un échantillon moléculaire gazeux et une impulsion laser ultra-brève intense conduit, après le passage de l'impulsion, à des réalignements transitoires et périodiques des molécules. Cette thèse se rapporte à la mesure et aux applications liées à cet effet. Le degré d'alignement moléculaire est déterminé à travers la variation d'indice de réfraction induite par le réarrangement des dipôles moléculaires. Une technique d'imagerie bidimensionnelle permettant de mesurer sur une base monocoup l'alignement des molécules est reportée dans ce manuscrit. L'alignement est ensuite utilisé comme un outil de mesure pour évaluer des quantités physiques, difficilement accessibles par d'autres méthodes. La "technique de défocalisation croisée" a été tout d'abord employée pour mesurer les probabilités d'ionisation de gaz atomiques et moléculaires en régime femtoseconde. La "technique de polarisation 1D" a été ensuite appliquée pour obtenir une mesure de l'indice Kerr électronique calibré à travers l'alignement moléculaire. Il a été trouvé que l'effet Kerr électronique produit une variation d'indice qui change de signe aux alentours des 30 TW.cm-2 pour les principaux gaz qui constituent l'atmosphère. Cet effet a été interprété de manière phénoménologique par des termes Kerr d'ordres supérieurs (de n4 à n10). L'impact important de ces résultats sur la compréhension du mécanisme de filamentation est discuté.

L'alignement de molécules linéaires est induit efficacement par des impulsions laser intenses polarisées linéairement. Si ces impulsions sont de courtes durées par rapport à la rotation des molécules, un alignement périodique apparaît après l'extinction du champ. Ce manuscrit présente trois méthodes permettant de le quantifier à l'aide de la grandeur sans pour autant détruire les molécules ni modifier l'alignement initial. Elles nécessitent une impulsion de faible intensité décalée temporellement dont les caractéristiques vont être modifiées par les propriétés optiques du milieu liées à l'alignement moléculaire. La première technique mesure une dépolarisation due à la biréfringence du milieu. La seconde s'appuie sur la défocalisation qui s'explique par une variation spatiale de l'alignement, donc un gradient de l'indice de réfraction. La dernière passe par la création d'un réseau d'indice à l'intersection de deux impulsions intenses, qui va provoquer la diffraction de la sonde
Alignment of linear molecules is efficiently induced by strong linearly polarized laser pulses. In the case of short pulses with respect to molecular rotation, periodic alignment appears in field-free conditions after the extinction of the field. This manuscript presents three techniques where the value of allows to quantify alignment without molecular dissociation nor additional alignment. They use a weak time-delayed probe pulse which experiences the optical properties of an aligned sample and shows modification of its characteristics. The first of them measures a depolarization due to the birefringence of the sample. The second one is based on the defocusing produced by the spatial distribution of aligned molecules, and thus, the gradient of the refractive index. The last technique is based on the creation of a transient grating at the crossing of two intenses laser pulses. This grating leads to the diffraction of a weak probe pulse

Le memoire traite des problemes rencontres lors de l'utilisation de photorepeteurs dans la fabrication des circuits vlsi. Une etude des performances de la lentille de projection est effectuee a l'aide d'une modelisation adequate et complete de la distorsion. Une nouvelle methode de mixage entre un photorepeteur et un scanner, utilisant le concept de signature, a permis d'en simplifier la procedure sans deteriorer les performances par rapport aux methodes employees classiquement. Des solutions simples testees, comme l'utilisation de marques d'alignement de geometrie particuliere, permettent de reduire sensiblement la dispersion. La realisation de geometries fines devient complexe sur substrats non plans et reflecteurs. Une etude utilisant une structure de test electrique a permis de comparer les performances obtenues avec deux resines photosensibles de caracteristiques differentes prealablement mesurees. L'interpretation des resultats est effectuee a l'aide de calculs theoriques et de simulations adaptees au procede en utilisant la methode des surfaces de reponse

L'alignement de molécules linéaires est induit efficacement par des impulsions laser intenses polarisées linéairement. Si ces impulsions sont de courtes durées par rapport à la rotation des molécules, un alignement périodique apparaît après l'extinction du champ. Ce manuscrit présente trois méthodes permettant de le quantifier à l'aide de la grandeur sans pour autant détruire les molécules ni modifier l'alignement initial. Elles nécessitent une impulsion de faible intensité décalée temporellement dont les caractéristiques vont être modifiées par les propriétés optiques du milieu liées à l'alignement moléculaire. La première technique mesure une dépolarisation due à la biréfringence du milieu. La seconde s'appuie sur la défocalisation qui s'explique par une variation spatiale de l'alignement, donc un gradient de l'indice de réfraction. La dernière passe par la création d'un réseau d'indice à l'intersection de deux impulsions intenses, qui va provoquer la diffraction de la sonde.

Le sujet de cette thèse concerne l'étude de l'alignement de molécules linéaires et asymétriques engendré par une impulsion laser intense. Dans le cas d'une impulsion courte par rapport à la rotation moléculaire, l'alignement créé est périodique après l'extinction du champ. Nous étudions théoriquement et expérimentalement les effets d'intensité, de température et de polarisation du champ électrique sur l'alignement produit. Pour des champs polarisés linéairement, l'interaction conduit à l'alignement de l'axe le plus polarisable de la molécule. Si le champ est polarisé elliptiquement, l'impulsion peut engendrer un alignement simultané des trois axes principaux d'inertie d'une molécule asymétrique. Cet alignement peut être caractérisé expérimentalement à l'aide de techniques pompe-sonde qui exploitent les propriétés optiques du milieu. Elles nécessitent l'utilisation d'une deuxième impulsion de faible intensité décalée temporellement. Trois techniques ont été exploitées au cours de cette thèse. La première technique mesure une dépolarisation due à la biréfringence du milieu lorsque les molécules sont alignées. La seconde s'appuie sur la défocalisation de l'impulsion sur un gradient d'indice créé suite à la variation spatiale de l'alignement vis-à-vis du profil spatial du champ. La dernière passe par la création d'un réseau d'indice à l'intersection de deux impulsions intenses, qui va provoquer la diffraction de l'impulsion sonde. Ces trois techniques ont été utilisées pour caractériser l'alignement de la molécule linéaire CO2 et nous montrons que l'alignement 3-D d'une molécule asymétrique comme l'éthylène peut être mesuré à l'aide de la technique de biréfringence.

Dans la course aux materiaux pour l'optique non-lineaire, les matrices dopees, solides et transparentes obtenues, a temperature ambiante, par procede sol-gel, prennent une importance toujours croissante. Ainsi, en soumettant un gel de silice, dope par des molecules organiques, aux impulsions breves, polarisees rectilignement, issues d'un laser a colorant, on induit une birefringence locale, de relaxation extremement lente. Ce phenomene, qui presente une dependance quadratique par rapport au champ electrique optique, peut s'expliquer par la conjonction d'un alignement moleculaire par effet kerr optique et de l'etablissement de liaisons hydrogene entre le gel et ses dopants. La nature et la structure des especes dopantes, de leur matrice hote ou encore des impulsions lumineuses jouent ici chacune un role essentiel. Les molecules dopantes doivent ainsi presenter une forte polarisabilite, et offrir un nombre important de sites d'ancrage par liaison hydrogene. Il en est de meme pour les pores de la matrice hote. La composition du gel affecte grandement le nombre de ces sites. Une maniere, toutefois, de favoriser l'alignement remanent des dopants consiste a les greffer, des la synthese, aux pores du gel, via des liaisons covalentes. La structure temporelle des impulsions est egalement cruciale. On y distingue deux composantes. L'une, d'une duree d'une centaine de femtosecondes, brise les liaisons hydrogene et libere les dopants. L'autre, plus longue (une dizaine de nanosecondes), les aligne. Mathematiquement descriptibles par une equation de diffusion rotationnelle modifiee, ces mecanismes ont donne lieu a quelques premieres applications experimentales (inscription d'une image et d'un reseau de diffraction). Le choix, enfin, de nanoparticules magnetiques comme dopants, permet de les orienter et non plus seulement de les aligner sous champ magnetique statique des la formation du gel. Les materiaux ainsi obtenus presentent une birefringence uniforme, mais aussi une non-centrosymetrie propice aux non-linearites optiques du second ordre.

Suite au développement récent des méthodes de production, les lentilles à forme libre sont de plus en plus utilisées dans les designs optiques. Néanmoins, leurs définitions mathématiques et leurs formes particulières rendent leur tolérancement et leurs réactions aux perturbations d’alignement difficilement prévisibles. Par conséquent, les outils à la portée des concepteurs optiques, tels que les logiciels de conception optique, ne sont pas toujours en mesure de fournir l’aide nécessaire. Dans ce mémoire, nous présentons d’abord les concepts théoriques et les récents développements relatifs à ces notions. Par la suite, l’analyse d’une lentille panomorphe dont la première surface est une lentille à forme libre nous révèle nombres de comportements particuliers mettant en évidence des relations entre l’empreinte du faisceau et la courbure de champ. Finalement, une nouvelle technique de tolérancement est présentée. Via une analyse en perturbative nécessitant peu de temps de calcul, il est possible de réduire les marges d’erreur allouées sur certaines variables, tout en maximisant l’effet sur la qualité d’image. Cette technique s’est avérée particulièrement efficace dans le cas où l’ajustement de la mise au point (mise au foyer) est limité spatialement.
In light of the new development of the production methods, free-form lens are used more frequently in optical design. However, their mathematical definitions as well as their specific shapes tend to make their tolerancing and reactions to perturbations hardly predictable. In consequence, the tools used by optical designers, like optical design programs, are not always able to help as they should. First, this document presents the recent developments and the theoretical concepts concerning these subjects. Thereafter, the analysis of a panomorph lens which has a free-form lens as a first surface reveals numbers of particular behavior showing relations between the field curvature and the footprint. Finally, a new tolerancing technique is presented. Using a perturbative analysis requiring a minimum of computing power, it is possible to reduce the allowed margins of error of certain variables while maximising the gain in image quality. This technique was particularly efficient in cases where the adjustment of the focus was spatially limited.

Ce travail consiste à optimiser un laser à semi-conducteurs (SC)à cavité étendue (LCE), émettant à 852 nm. Dans un LCE, on allonge la longueur de la cavité de la diode laser par une section externe spectralement sélective de quelques centimètres de long. On réalise ainsi une source laser de haute pureté spectrale, nettement meilleure que celle d'une diode ordinaire. La réduction de la largeur de raie est très efficace, elle passe de quelques MHz à des largeurs de raie inférieures à 100 kHz, et la plage d'accordabilité (discontinue) en longueur d'onde passe de quelques nm à une vingtaine de nm. La première partie de ce rapport sera consacrée à un rappel des notions de base utiles des lasers à semi-conducteurs, qui interviennent dans l'analyse des effets de feedback optique quand la diode laser sera couplée à une cavité externe, et à la description de la structure des lasers à cavité externe, en particulier, le LCE étudié. Dans la deuxième partie, après avoir présenté différentes méthodes et questions nécessaires pour mieux caractériser et optimiser les LCE, nous présentons une nouvelle structure géométrique des LCE, assurant l'alignement de la cavité à_long terme, avec la possibilité d'avoir un accord continu en fréquence sans saut de mode. Enfin, dans la troisième partie, nous concluons par des applications de ces sources laser dans les domaines de recherche qui intéressent le Laboratoire de l'Horloge Atomique. Mots clés: Diode laser, feedback optique, cavité étendue, pureté spectrale, auto-alignement, accordabilité continue, piège magnéto-optique, génération de l'harmonique 2
The present report is an attempt to improve the frequency performance of 0. 85 mM semiconductor lasers using the extended cavity laser (ECL) technique. In the ECL, the cavity diode laser has been elongated by an external cavity with a grating in Littrow mount, where the average length of the laser cavity was a few cm. In this study, the cavity laser source which has been realised is single frequency mode, has a narrow linewidth less than 100 kHz and is widely tunable over 20 nm, with mode hops. In the first part of this report, we recall the structure and principle of operation of an ECL. This part also includes the analysis of the optical feedback of a semiconductor laser coupled to an external cavity. In the second part of this report, we discuss the conditions to optimise and characterise the ECL. We also show a new ECL geometrical structure that ensures the alignment optical cavity at long term, using the self-alignment technique. We also mention the possibility to get a continuous frequency tunablity with an ECL. The final part of this report summary of some application, including cesium cooling experiments as well as optical harmonic generation

Dans cette these nous presentons un nouveau systeme d'alignement 3d passif entre un circuit d'optique integree et un ruban de fibres optiques. Le dispositif developpe consiste a reporter les fibres et le composant sur une plate-forme commune en silicium. Les fibres sont positionnees avec une grande precision dans des sillons en v, obtenus par gravure chimique anisotrope du silicium. L'alignement est obtenu grace a l'insertion de plots en forme de champignons realises sur le composant, dans des ouvertures correspondantes ayant des geometries specifiques, et qui sont obtenues par gravure ionique reactive dans des membranes de silicium. Les elements de positionnement utilises presentent l'avantage de permettre une connexion demontable de n'importe quel type de composant. Nous avons optimise le dimensionnement des differents elements constituants notre micro-connecteur a la suite d'une simulation mecanique de notre structure d'accrochage. Cette etude nous a meme permis d'etendre la solution a la connexion de composants courbes. Les mesures des taux de couplage obtenues sur des guides sisio 2 ont conduit a des resultats prometteurs.

L’instrumentation multi-pupille permet de repousser les limitations actuelles des diamètres des télescopes monolithiques. L’alignement des sous-pupilles est donc une problématique incontournable pour les futurs projets de télescopes au sol comme dans l’espace. Un Analyseur de Surface d’Onde (ASO) est alors nécessaire pour mesurer les aberrations spécifiques au cas multi-pupille que sont le piston différentiel (différence de marche entre les sous-pupilles), le tip et le tilt (basculements différentiels entre les sous-pupilles). Nous nous attachons à réaliser des ASOs non supervisés et simples d’implantation, permettant l’alignement total d’un instrument multi-pupille. L’algorithme ELASTIC repose sur l’analyse de la corrélation entre deux images focales prises successivement, différant par une perturbation maîtrisée et appliquée directement sur les sous-pupilles. ELASTIC permet d’une part d’estimer les grandes erreurs de tip/tilt, pour effectuer un alignement géométrique et d’autre part de stabiliser le tip/tilt pendant la minimisation des grandes erreurs de piston, pour l’alignement interférométrique. Enfin, un second algorithme appelé LAPD permet, au moyen de deux images prises simultanément dans un plan focal et dans un plan légèrement défocalisé, d’estimer les petites erreurs de piston/tip/tilt pour le cophasage fin. Ces différents algorithmes sont caractérisés au moyen de simulations numériques, pour différents types de télescopes multi-pupilles. Nous démontrons expérimentalement les briques de la chaîne d’alignement sur un instrument à 6 sous-pupilles. Ces ASOs permettent de simplifier le dimensionnement des futurs télescopes
The resolution of a telescope is ultimately limited by its aperture diameter, but the size of mirrors is bounded by current technology to about 10m on the ground and to a few meters in space. To overcome this limitation, interferometry consists in making an array of sub-apertures interfere; the resulting instrument is called an interferometer or a multi-aperture telescope. To reach the diffraction limit of such instruments, all sub-apertures must be phased to within a small fraction of wavelength. A critical sub-system of interferometers is the Cophasing Sensor (CS), whose goal is to measure the relative positioning errors between the sub-apertures (differential piston, tip and tilt), which are the specific low-order aberration of an interferometer and the main source of wave-front degradation. We aim to develop unsupervised and easy-to-implement CSs for the global multi-aperture telescope alignment. ELASTIC algorithm provides a solution for large amplitude tip/tilt error measurement from a modified cross-spectrum of two diversity images, allowing the geometrical alignment. ELASTIC also provides tip/tilt stability for the large amplitude piston error minimization, called the interferometric alignment. Finally a second algorithm called LAPD uses focal and slightly defocused images for the small amplitude piston/tip/tilt error measurement, allowing the fine phasing. Numerical simulations of several types of multi-aperture telescopes are performed in order to test our algorithms. We experimentally demonstrate the efficiency of the different algorithms on a 6-sub-aperture instrument. These algorithms should simplify the design of the future telescopes

La thématique de cette thèse est l'alignement moléculaire. Celui-ci est un sujet très important qui ouvre la voie sur un contrôle beaucoup plus fin de nombreux phénomènes. Ainsi, nous avons développé une nouvelle technique de mesure de l'alignement moléculaire suivant un axe et permettant d'en conserver le signe. Celle-ci est, à l'instar des techniques de mesure de l'alignement moléculaire développées dans l'équipe, basée sur la mesure de variation d'indice de réfraction induite par l'alignement moléculaire. La technique développée ensuite permet également la mesure de l'alignement moléculaire, tout en étant aussi une application de celui-ci puisqu'il permet ici la génération de troisième harmonique. L'alignement moléculaire est également mis en oeuvre dans la dernière étude puisque nous montrons qu'il apporte la résolution nécessaire à l'étude de la thermalisation d'un échantillon moléculaire excité

Plusieurs technologies de magnétomètres atomiques ont été développées depuis les années 60. Afin d’obtenir une technologie capable de mesurer des champs magnétiques inférieurs à 50 nT et compatible avec notre magnétomètre scalaire isotrope, nous avons du concevoir un magnétomètre atomique dans une configuration qui n'a jamais été publiée.Nous avons calculé les résonances caractéristiques de ce magnétomètre et réalisé un prototype. Son bruit est inférieur à 1 ou 0.1 pT/√Hz, respectivement pour les versions tri axiales ou mono-axiales.Une façon de réduire le bruit du magnétomètre de 7 dB a été identifiée et le principe de ce magnétomètre pourrait offrir d’intéressantes perspectives pour les horloges atomiques
Several technologies of atomic magnetometers have been developed since the60s. To obtain a technology capable of measuring magnetic fields lower than 50 nT and compatible with our isotropic scalar magnetometer, we had todevelop an atomic magnetometer in a configuration that has never been published.We calculated the resonances characteristic of the magnetometer with the formalism of the dressed atom and realized a prototype. The noise of the resulting magnetometer is lower than 1 or 0.1 pT/√Hz, on the monoaxial or triaxial versions respectively.One way to reduce the noise of the magnetometer of 7 dB has been identified and the principle of this magnetometer could offer interesting perspectives for atomic clocks

L'un des plus grands défis de la réalité augmentée consiste à aligner parfaitement les informations réelles et virtuelles pour donner l'illusion que ces informations virtuelles font partie intégrante du monde réel. Pour ce faire, il faut estimer avec précision la position et l'orientation de l'utilisateur, et ce, en temps réel. L'augmentation de scènes extérieures est particulièrement problématique, car il n'existe pas de technologie suffisamment précise pour permettre d'assurer un suivi de la position de l'utilisateur au niveau de qualité requis pour des applications en ingénierie. Pour éviter ce problème, nous nous sommes attardés à l'augmentation de panoramas omnidirectionnels pris à une position fixe. L'objectif de ce projet est de proposer une méthode robuste et automatique d'initialisation permettant de calculer la pose de panoramas omnidirectionnels urbains pour ainsi obtenir un alignement parfait des panoramas et des informations virtuelles.
One of the greatest challenges of augmented reality is to perfectly synchronize real and virtual information to give the illusion that virtual information are an integral part of real world. To do so, we have to precisely estimate the user position and orientation and, even more dificult, it has to be done in real time. Augmentation of outdoor scenes is particularly problematic because there are no technologies accurate enough to get user position with the level of accuracy required for application in engineering. To avoid this problem, we focused on augmenting panoramic images taken at a fixed position. The goal of this project is to propose a robust and automatic initialization method to calculate the pose of urban omnidirectional panoramas to get a perfect alignment between panoramas and virtual information.

Virgo est un interferometre kilometrique concu pour la detection des ondes gravitationnelles. Ses miroirs suspendus doivent etre controles en permanence afin d'assurer un fonctionnement optimal du detecteur. Puisque l'interferometre doit fonctionner 24 heures sur 24, le dispositif necessite un controle efficace de la position des optiques et l'analyse des formes de faisceaux pendant l'alignement ou le realignement. Un tel controle doit s'exercer en temps reel et doit s'integrer dans le systeme complexe d'asservissement de l'interferometre. Cette these decrit le systeme d'imagerie constitue d'une camera ccd, d'une interface vme et des outils logiciels associes. Leurs applications au controle local des objets suspendus et a l'alignement initial de l'interferometre est presente. Le controle local qui mesure les six degres de liberte d'un miroir suspendu, par rapport a un systeme de reference local, est detaille. Ce controle est essentiellement applique a la memorisation des positions des miroirs ainsi qu'a l'amortissement de leurs mouvements pendulaires. L'analyse d'images est utilisee au demarrage de l'alignement de l'interferometre. Elle controle la position des impacts de faisceaux sur les miroirs. Le modele est teste sur un dispositif experimental et par simulation.

Les modules photovoltaïques à concentration (CPV) ont tendance à se miniaturiser. D’une part, la distance focale plus courte des optiques de concentration permet de réduire le besoin en matériaux pour l’assemblage du module ; et d’autre part, le rendement des modules est sensiblement meilleurs que ceux des modules CPV de taille normale. L’étude de chaque élément de la chaine de pertes dans la littérature des micro-concentrateurs a permis de confirmer cette tendance. Cette thèse aborde les problématiques de coût et de rendement à travers la conception optique d’un concentrateur à deux étages de lentilles, sa fabrication puis une étude approfondie de ses performances.La méthode de conception, développée à partir de lois d’optique géométrique et non-imageante, définit le profil des lentilles à λ=589nm en premiers lieux. Ensuite, une simulation par tracé de rayons permet d’optimiser ces lentilles pour l’ensemble du spectre solaire puis d’étudier l’impact de leur désalignement lors de la mise en module. Les limites des déplacements des éléments du module ainsi déterminées conditionnent la précision de sa fabrication. Dans notre cas, l’alignement est réalisé automatiquement par un jeu de repères mécaniques lors du moulage simultané des optiques primaires (POE) et des optiques secondaires (SOE). Contrairement aux procédés habituels, ce procédé de moulage innovant permet d’assembler un module en seulement trois étapes au lieu de cinq.Pour caractériser les micro-concentrateurs réalisés, une méthode de mesure du rapport module à cellule (CTM) est développée. Pour cela, le rendement des cellules est mesuré en simulateur solaire avant et après leur mise en module. Les cellules multi-jonctions mises en œuvre étant sensibles aux variations spectrales et spatiales de l’éclairement, la validation préalable de ces mesures est primordiale. En complément du CTM qui quantifie la somme des pertes introduites lors de la mise en module, d’autres mesures sont développées pour comprendre la chaine de perte plus en détails.Le dispositif étudié au cours de cette thèse utilise des cellules triple-jonction de 0,6 x 0,6mm² avec une concentration de 1000X et atteint un rendement de 29%. Le CTM est de 70% et l’analyse de la chaine de perte montre que le procédé inventé n’impacte pas ou peu les performances du module. De plus, la détermination de la chaine de perte montre que les pertes par réflexion et par absorption sont prédominantes, au même titre que les pertes dues à la diffusion des lentilles ainsi que les pertes dues aux non-uniformités d’éclairement sur la cellule
The actual trend of CPV is the micro-scaling of modules. A bibliographic study shows that shorter focal length of optics implies less material consumption in manufacturing and an enhanced efficiency of the modules. In this thesis, a double stage refractive micro-concentrator is designed, manufactured and characterized. First, the optical design of the concentrator is based on non-imaging technics. Thus, the profile of the lenses is generated for a single wavelength. Then, a ray tracing simulator is used to optimize the lens profile for the overall solar spectrum and study the concentrator element misalignment effect on the performances.Secondly, a three steps self-assembly process is developed instead of the usual five steps one. Both POE and SOE lenses of our device are molded simultaneously and a mechanical guidance system in the mold ensures the alignment of the micro-concentrator elements (POE, SOE and Cell).Finally, the performances measurements of the manufactured modules are managed in solar simulators in which the lightening condition are previously studied and validated. Comparing the bare cells efficiency with the module efficiency, the cell-to-module ratio (CTM) represents the overall losses in the module. Further experiments are managed to quantify each loss of the module. The manufactured and characterized micro-concentrator is a 1000X concentrating ratio with 0.6 x 0.6mm² triple junction cells. It efficiency is 29% with a 70% CTM. Finally, the loss chain study reveals that the three steps self-assembly process is reliable

Les surfaces optiques segmentées et discontinues sont connues depuis l'Antiquité. Elles ont fait l'objet de nombreuses applications, dont la première rapportée est celle des “miroirs ardents” d'Archimède conçus pour concentrer l'énergie solaire sur les voiles des vaisseaux ennemis, et ainsi y mettre feu. Cette idée toujours brûlante a présidé à la construction des fours solaires actuels destinés à tester la résistance de matériaux placés dans des conditions extrêmes, ou de centrales hélio-électriques dédiées à la production d'électricité domestique. Bien que les précisions de surface requises pour ces installations soient de l'ordre de quelques millimètres, leurs méthodes de conception, de réglage et de contrôle n'en font pas moins appel aux techniques de l'optique instrumentale moderne: ainsi le principe de la “méthode de rétro-visée” testée au cours de mon doctorat à l'IMP d'Odeillo s'apparente naturellement à ceux des senseurs de surface d'onde équipant aujourd'hui les systèmes d'optique adaptative nécessaires aux observations astrophysiques. Mais les surfaces optiques discontinues ne servent pas qu'à concentrer l'énergie lumineuse. Les expériences historiques de Fizeau et Michelson ont démontré leur capacité à mesurer des paramètres astrophysiques à très haute résolution angulaire, et ouvert la voie à une nouvelle génération d'instruments d'observation astronomique: interféromètres stellaires dont les ouvertures multiples peuvent être séparées par plusieurs centaines de mètres (tel le VLTI), télescopes géants équipés de miroirs primaires segmentés (les Keck au sol ou le JWST dans l'espace), ou de futuristes hyper-télescopes spatiaux en quête d'images directes de systèmes planétaires extra-solaires. De telles installations, dont les cahiers des charges deviennent toujours plus ambitieux, doivent être cophasés au dixième de longueur d'onde, voire au millième dans le cas d'un interféromètre à frange noire. Il devient alors nécessaire de développer de nouveaux moyens de modélisation et de contrôle de ces systèmes complexes, dont quelques-uns sont présentés ici dans le cadre des futurs télescopes de diamètre supérieur à 30 mètres (ELT) et des interféromètres chasseurs d'exo-planètes tels que Darwin et TPF-I. Les surfaces optiques discontinues sont également présentes dans le domaine de la spectroscopie: outre les classiques réseaux de diffraction, on les retrouve au cœur des spectro-imageurs de nouvelle génération, capables de former simultanément sur un même détecteur l'image d'un objet astrophysique et sa décomposition spectrale en tous points. Ainsi l'instrument MUSE, équipé de systèmes découpeurs d'images composés de matrices de miroirs discontinus, permettra-t-il au VLT d'observer les galaxies primordiales dans un avenir proche. Au vu de tant d'applications, il ressort clairement que les techniques de réalisation et de contrôle des surfaces optiques segmentées ou discontinues constitueront la clé de la science astrophysique du siècle à venir. Une longue route reste à accomplir, dont le banc de test SIRIUS développé à l'Observatoire de la Côte d'Azur afin d'évaluer les performances des hyper-télescopes, des interféromètres à frange noire, et de leurs méthodes de cophasage, pourrait constituer une étape décisive.

La réalité augmentée consiste en l'insertion d'éléments virtuels dans une scène réelle, observée à travers un écran. Les systèmes de réalité augmentée peuvent prendre des formes différentes pour obtenir l'équilibre désiré entre trois critères : précision, latence et robustesse. On identifie trois composants principaux : localisation, reconstruction et affichage. Nous nous concentrons sur l'affichage et la reconstruction. Pour certaines applications, l'utilisateur ne peut être isolé de la réalité. Nous proposons un système sous forme de "tablette augmentée" avec un écran semi transparent, au prix d'un étalonnage adapté. Pour assurer l'alignement entre augmentations et réalité, il faut connaître les poses relatives de l'utilisateur et de la scène observée par rapport à l'écran. Deux dispositifs de localisation sont nécessaires et l'étalonnage consiste à calculer la pose de ces dispositifs par rapport à l'écran. Le protocole d'étalonnage est le suivant : l'utilisateur renseigne les projections apparentes dans l'écran de points de référence d'un objet 3D connu ; les poses recherchées minimisent la distance 2D entre ces projections et celles calculées par le système. Ce problème est non convexe et difficile à optimiser. Pour obtenir une estimation initiale, nous développons une méthode directe par l'étalonnage intrinsèque et extrinsèque de caméras virtuelles. Ces dernières sont définies par leurs centres optiques, confondus avec les positions de l'utilisateur, ainsi que leur plan focal, constitué par l'écran. Les projections saisies par l'utilisateur constituent alors les observations 2D des points de référence dans ces caméras virtuelles. Un raisonnement symétrique permet de considérer des caméras virtuelles centrées sur les points de référence de l'objet, "observant" les positions de l'utilisateur. Ces estimations initiales sont ensuite raffinées par ajustement de faisceaux. La reconstruction 3D est basée sur la triangulation de correspondances entre images. Ces correspondances peuvent être éparses lorsqu'elles sont établies par détection, description et association de primitives géométriques ou denses lorsqu'elles sont établies par minimisation d'une fonction de coût sur toute l'image. Un champ dense de correspondance est préférable car il permet une reconstruction de surface, utile notamment pour une gestion réaliste des occultations en réalité augmentée. Les méthodes d'estimation d'un tel champ sont basées sur une optimisation variationnelle, précise mais sensible aux minimums locaux et limitée à des images peu différentes. A l'opposé, l'emploi de descripteurs discriminants peut rendre les correspondances éparses très robustes. Nous proposons de combiner les avantages des deux approches par l'intégration d'un coût basé sur des correspondances éparses de primitives à une méthode d'estimation variationnelle dense. Cela permet d'empêcher l'optimisation de tomber dans un minimum local sans dégrader la précision. Notre terme basé correspondances éparses est adapté aux primitives à coordonnées non entières, et peut exploiter des correspondances de points ou de segments tout en filtrant implicitement les correspondances erronées. Nous proposons aussi une détection et gestion complète des occultations pour pouvoir mettre en correspondance des images éloignées. Nous avons adapté et généralisé une méthode locale de détection des auto-occultations. Notre méthode produit des résultats compétitifs avec l'état de l'art, tout en étant plus simple et plus rapide, pour les applications de flot optique 2D et de stéréo à large parallaxe. Nos contributions permettent d'appliquer les méthodes variationnelles à de nouvelles applications sans dégrader leur performance. Le faible couplage des modules permet une grande flexibilité et généricité. Cela nous permet de transposer notre méthode pour le recalage de surfaces déformables avec des résultats surpassant l'état de l'art, ouvrant de nouvelles perspectives
Augmented reality is the process of inserting virtual elements into a real scene, observed through a screen. Augmented Reality systems can take different forms to get the desired balance between three criteria: accuracy, latency and robustness. Three main components can be identified: localization, reconstruction and display. The contributions of this thesis are focused on display and reconstruction. Most augmented reality systems use non-transparent screens as they are widely available. However, for critical applications such as surgery or driving assistance, the user cannot be ever isolated from reality. We answer this problem by proposing a new “augmented tablet” system with a semi-transparent screen. Such a system needs a suitable calibration scheme:to correctly align the displayed augmentations and reality, one need to know at every moment the poses of the user and the observed scene with regard to the screen. Two tracking devices (user and scene) are thus necessary, and the system calibration aims to compute the pose of those devices with regard to the screen. The calibration process set up in this thesis is as follows: the user indicates the apparent projections in the screen of reference points from a known 3D object ; then the poses to estimate should minimize the 2D on-screen distance between those projections and the ones computed by the system. This is a non-convex problem difficult to solve without a sane initialization. We develop a direct estimation method by computing the extrinsic parameters of virtual cameras. Those are defined by their optical centers which coincide with user positions, and their common focal plane consisting of the screen plane. The user-entered projections are then the 2D observations of the reference points in those virtual cameras. A symmetrical thinking allows one to define virtual cameras centered on the reference points, and “looking at” the user positions. Those initial estimations can then be refined with a bundle adjustment. Meanwhile, 3D reconstruction is based on the triangulation of matches between images. Those matches can be sparse when computed by detection and description of image features or dense when computed through the minimization of a cost function of the whole image. A dense correspondence field is better because it makes it possible to reconstruct a 3D surface, useful especially for realistic handling of occlusions for augmented reality. However, such a field is usually estimated thanks to variational methods, minimizing a convex cost function using local information. Those methods are accurate but subject to local minima, thus limited to small deformations. In contrast, sparse matches can be made very robust by using adequately discriminative descriptors. We propose to combine the advantages of those two approaches by adding a feature-based term into a dense variational method. It helps prevent the optimization from falling into local minima without degrading the end accuracy. Our feature-based term is suited to feature with non-integer coordinates and can handle point or line segment matches while implicitly filtering false matches. We also introduce comprehensive handling of occlusions so as to support large deformations. In particular, we have adapted and generalized a local method for detecting selfocclusions. Results on 2D optical flow and wide-baseline stereo disparity estimation are competitive with the state of the art, with a simpler and most of the time faster method. This proves that our contributions enables new applications of variational methods without degrading their accuracy. Moreover, the weak coupling between the components allows great flexibility and genericness. This is the reason we were able to also transpose the proposed method to the problem of non-rigid surface registration and outperforms the state of the art methods

L’irradiance solaire journalière reçue à la surface de la terre, en l’absence de nuages, est d’environ 250 W/m2. La conversion d’une partie de cette source d’énergie inépuisable est d’un intérêt immédiat pour notre vie de tous les jours. Au cours des quatre dernières décennies, un nombre important de travaux, consacrés à la photocatalyse, a été réalisé dans un contexte lié aux problèmes énergétiques et environnementaux mondiaux. Cette thèse est dédiée à l’étude théorique de matériaux semi-conducteurs, prometteurs pour des applications dans le domaine de la photocatalyse. Plus précisément, ce manuscrit est centré sur l’étude des propriétés électroniques et optiques des phases MQ (M = Al, Ga, In, Zn, Cd et Q = N, P, As, Sb, O, S, Se, Te) et des composés photocatalytiques BiVO4 et La2ZnTiO6. De plus, une nouvelle démarche permettant d’accéder aux positions absolues des bandes d'énergie de semi-conducteurs est proposée. L’ensemble de ces calculs permet de mieux comprendre le rôle joué par l'absorption de la lumière, la durée de vie « électron-trou » et les réactions d'oxydo-réduction sur l'efficacité d'un composé photocatalytique donné. À cette fin, nos calculs ont été réalisés en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), mais aussi des approches basées sur des fonctionnelles hybrides
In a clean full Sun sky, the daily average solar irradiance coming into Earth surface is approximately 250 W/m2. Converting a part of this inexhaustible solar energy is of direct interest for our everyday-life. Over the past four decades, an important number of investigations, devoted to photocatalysis, have been carried out in a context related to global energy issues and environmental water and air pollution control. This thesis aims at the theoretical description of semiconductor materials which are promising for photocatalytic applications. We focused our discussion on the electronic and optical properties of MQ phases (M = Al, Ga, In, Zn, Cd and Q = N, P, As, Sb, O, S, Se, Te), the visiblelight photocatalytic compounds BiVO4 and La2ZnTiO6. In addition, a new strategy to access the absolute energy band positions of semiconductors is proposed. All these calculations allow to better understand the role played by the light absorption, the electron-hole lifetime and the redox reactions on the efficiency of a given photocatalytic compound. For such purpose, our calculations have been realized using standard density functional theory (DFT) approaches, but also hybrid functionals

Cette thèse est consacrée à l’élaboration de films de nanofils d’argent orientés à l’aide de la technique de pulvérisation à incidence rasante. Couplée à la technique de dépôt couche-par-couche, il est possible de réaliser des films composés de plusieurs couches de nanofils d’argent orientées dans des directions différentes. Les films ainsi formés sont étudiés pour réaliser d’une part des supports conducteurs et transparents ordonnés et d’autre part pour réaliser des structures chirales aux propriétés optiques particulières. Une première étude est menée sur l’influence des différents paramètres de pulvérisation. Ils seront optimisés pour réaliser, dans un premier temps les échantillons transparents et conducteurs, puis dans un second, des structures chirales. Une seconde partie consiste à l’étude de structures hélicoïdales composées de plusieurs couches orientées de nanofils d’argent. Le dichroïsme circulaire de ces échantillons est étudié en fonction de différents paramètres de structure. Enfin une étude consistera à comparer les performances en tant que surface transparente et conductrice, de films orientés et d’argent sans ordre de nanofils
This study consist in the elaboration of aligned films of silver nanowires by the Grazing Incidence Spraying (GIS) technique. Combined with the Layer-by-Layer (LbL) technique, it is possible to generate films composed of several aligned layers of silver nanowires with different directions of orientation. Optical and conductive properties of these films will be investigated to highlight the impact of these 3D ordered structures. The influence of different parameters of the GIS will be studied. These parameters will be optimized in ordrer to design samples for conductive and transparent films and to elaborate chiral structures. Chiral structures will be realized and their circular dichroism will be investigated in function of structural parameters. A last study will be realized about the influence of order for transparent and conductive electrodes by measuring performances of films with aligned and randomly deposed silver nanowires

Ce travail porte sur l'étude d'hétérostructures de semiconducteurs II-VI à alignements de bande de type II, en particulier sous forme de superréseaux. Il s'agit d'un système qui peut être prometteur pour une application photovoltaïque, et c'est dans cette optique qu'est orienté ce travail. Une première partie traite ainsi d'une réflexion conceptuelle sur l'apport des interfaces de type II au photovoltaïque.Nous présentons ensuite une étude sur la croissance de CdSe et ZnTe par épitaxie par jets moléculaires, sur différents substrats. Ces matériaux sont particulièrement intéressants et adaptés pour cette application car ils ont un gap direct, quasiment le même paramètre de maille, un alignement de bandes de type II, et le CdSe une bande interdite compatible avec le spectre solaire. Mais en contrepartie il s'agit de semiconducteurs binaires qui n'ont aucun atome en commun, de sorte que la croissance d'échantillons avec des épaisseurs précises à la monocouche près constitue un vrai défi. Pour cette raison nous avons procédé à une étude fine des interfaces grâce à des analyses de diffraction de rayons X et de microscopie en transmission, qui nous permet de conclure sur la nature chimique des atomes à proximité des interfaces.Vient ensuite une étude poussée de spectroscopie sur les effets des interfaces de type II sur les porteurs de charges, à travers leur énergie et cinétique de recombinaison. Nous avons développé un modèle analytique qui permet d'ajuster précisément toutes les caractéristiques observées en relation avec ces interfaces, et qui témoigne d'un mécanisme de séparation des charges très efficace. Nous montrons par la suite que ces effets observés sont des caractéristiques intrinsèques de toutes les interfaces de type II, indépendamment des matériaux et des structures, et que ceux-ci nous permettent d'extraire avec précision les valeurs des décalages de bandes entre différents matériaux à alignement de type II
This work focuses on the study of II-VI semiconductor heterostructures with type II band alignments, especially in the form of superlattices. This is a system that can be promising for photovoltaic applications, and my work is presented in this perspective. Thus the first part deals with a conceptual reflection on the contribution of type II interfaces for photovoltaics.In a second step I present a study on the growth of CdSe and ZnTe by molecular beam epitaxy on various substrates. These materials are particularly interesting and suitable for this application because they have a direct bandgap, are almost lattice-matched, present a type II band alignment, and CdSe shows a bandgap compatible with the solar spectrum. But in return these are binary semiconductors which have no atoms in common, so that the growth of samples with specific thicknesses close to the monolayer is challenging. For this reason we conducted a detailed study at the interfaces through analysis of X-ray diffraction and transmission electron microscopy, which allows us to conclude on the chemical nature of the atoms near the interfaces.This is followed by a detailed spectroscopy study on the effects of type II interfaces on the charge carriers through their energy and kinetics of recombination. We have developed an analytical model that allows to precisely adjust all the features observed in relation to these interfaces, and shows a very efficient charge separation mechanism. We show later that these effects are inherent characteristics of all interfaces of type II, regardless of materials and structures, and that they allow us to accurately extract the values of band offsets between different materials with type II band alignments

Le projet piafe consiste a produire des noyaux riches en neutrons par fission au sein d'une cible d'uranium placee pres du cur du reacteur de l'institut laue langevin, puis de transporter les produits de fission sous forme monochargee et a basse energie (inferieure a 30 kev) sur une distance de 400 m jusqu'au complexe accelerateur sara de l'institut des sciences nucleaires de grenoble. Une solution originale de guidage ayant ete proposee, l'objectif de cette these est de prouver la faisabilite d'un tel transport. Pour ceci, on s'est attache a etudier les effets sur le faisceau des defauts d'alignement des elements optiques (et de leur support) et du champ magnetique terrestre afin de determiner un systeme periodique de correction de la trajectoire centrale du faisceau. Puis, la realisation d'une ligne experimentale de 18 m a permis de faire une etude detaillee de l'interaction du faisceau avec le gaz residuel. Cette interaction se caracterise par les pertes de particules par echange de charge et l'augmentation d'emittance par diffusion coulombienne. La validation des modeles theoriques permet une extrapolation des phenomenes sur une distance de 400 m. Il est ainsi possible de conclure sur la faisabilite d'un tel transport

Grâce à leurs remarquables qualités de transport de charges et d'autoorganisation, les cristaux liquides colonnaires formés de molécules discotiques dérivées de colorants aromatiques sont des candidats prometteurs pour la réalisation de dispositifs photovoltaïques. Pour profiter à bien de ces propriétés, il est indispensable de maîtriser leur organisation en films minces. Un ancrage homéotrope avec les colonnes perpendiculaires au substrat est ainsi nécessaire pour conduire efficacement les charges aux électrodes. Cet alignement a été obtenu par transition d'ancrage entre un substrat solide et une cathode d'argent permettant d'obtenir des films ultra-minces (environ 25 nm d'épaisseur) homogènes orientés. Par ailleurs, une bicouche de composés discotiques intégralement alignée en ancrage homéotrope a été élaborée. A notre connaissance, ce travail constitue la première preuve de faisabilité d'une hétérojonction donneur - accepteur orientée constituée de cristaux liquides colonnaires.

Les propriétés optiques et mécaniques remarquables des matériaux naturels sont souvent associées à la complexité de leurs structures hiérarchiques. L’une des plus complexes est la structure hélicoïdale, constituée de plusieurs couches de fibres alignées dont l’orientation tourne entre les couches voisines. Cette microstructure, dite de Bouligand, est associée à la résistance aux chocs accrue de la carapace de certains crustacés ainsi qu’à la réflexion préférentielle de la lumière polarisée circulaire de certains fruits et insectes. Dans ce travail, nous avons fabriqué des films minces bio-inspirés complexes composés de nanofibrilles de cellulose et de poly(vinylamine) en utilisant l'approche couche-par-couche (LbL) et la pulvérisation à incidence rasante (GIS), une méthode permettant de contrôler l'alignement dans le plan de nano-objets anisotropes comme les nanofibrilles de cellulose. Nous avons démontré la possibilité de contrôler de façon indépendante la direction de l'alignement de chaque couche de cellulose. Ainsi, nous avons pu préparer des films minces avec une orientation unidirectionnelle, croisée ou hélicoïdale des nanofibrilles de cellulose, ce qu’il n’est pas possible de faire avec d’autres procédés de fabrication. Les propriétés optiques de ces films ont été caractérisées par dichroïsme circulaire et ellipsométrie spectroscopique à matrice de Mueller. Nous avons observé que la réponse chirale des films hélicoïdaux est contrôlée par le sens de rotation, le pas de l’hélice et le nombre de couches avant rotation. Les propriétés mécaniques de ces films ont été étudiées par différentes méthodes de nanoindentation. La méthodologie de fatigue par nano-contact a montré une ductilité accrue des films unidirectionnels et hélicoïdaux, qui peut être indirectement liée à une absorption accrue de l'énergie de ce matériau lors des sollicitations en raison de sa structure interne
The remarkable optical and mechanical properties of natural materials are often associated with the complexity of their hierarchical structures. One of the most complexes is the helical structure which consists of several layers of unidirectionally aligned fibers whose orientation rotates with respect to their neighboring layers. This so-called Bouligand microstructure is responsible for the enhanced impact resistance of the shell of some crustaceans as well as the preferential reflection of circularly polarized light of certain fruits and insects. Here, we fabricated complex bio-inspired thin films made of cellulose nanofibrils and poly(vinylamine) using the layer-by-layer (LbL) approach and grazing incidence spraying (GIS), a method allowing to control the in-plane alignment of anisotropic nano-objects like cellulose nanofibrils. We demonstrated the independent direction of alignment of each cellulose layer, which allowed the preparation of thin films with well-defined internal structures, namely, unidirectional, cross-ply or helical arrangement of the reinforcing nanofibrils, which is impossible to achieve by any other fabrication process. The optical properties of these films were characterized by circular dichroism (CD) and by Mueller matrix ellipsometry. The chirality observed for helicoidal films is controlled by the rotation direction, the pitch, and the number of layers. The mechanical properties of these cellulose-based films were studied by various nanoindentation methods. A nano-contact fatigue methodology showed an increased ductility of the unidirectional and helicoidal films, which can be indirectly related to enhanced absorption of energy of this material owing to their internal structure