« Ingénierie des Systèmes Optiques Avancés »

TRONC COMMUN :

Séquence 1 (sept.-oct.) :

Surfaces Optiques, Optomécanique

Ingénierie Photométrique

Couches minces optiques

Séquence 3 (jan.-fév.) :

Initiation à Code V & Conception de systèmes optiques avancée

ELECTIFS RECOMMANDES :

Séquence 2 (nov.-déc.) :

Optique Active et Adaptative (CL, FIE)

Physique des détecteurs (CL)

Séquence 3 (jan.-fév.) :

Micro-systèmes optiques

Optique de l'Extrême

Technologie des Lasers

Année 2014-2015

Descriptifs des cours :

TRONC COMMUN ......................................................................................................................... 3 

SurfacesOptiques,Optomécanique  [Opto.Méca.].................................................................................................4 

IngénieriePhotométrique  [Ing.Phot.]........................................................................................................................5 

Couchesmincesoptiques  [CouchesMinces]...............................................................................................................6 

InitiationàCodeV  [CodeV]&Conceptiondesystèmesoptiquesavancée[ConcSysOptAv]................7 

COURS ELECTIFS DE SEQUENCE 2 .................................................................................................. 8 

Radar  [Radar]................................................................................................................................................................9 

ReconnaissancedesFormes  [Recon.Formes]......................................................................................................10 

Physiquedesdétecteurs  [Phys.Detect.]................................................................................................................11 

ImagerieHauteRésolutionetOptiqueActive  [Opt.Apdapt.]........................................................................12 

COURS ELECTIFS DE SEQUENCE 3 ................................................................................................ 13 

Conception optique avec Zemax (stage à St Etienne)...........................................................................................................14 

Géométrie pour l’ingénieur (St Etienne).................................................................................................................................15 

Programmation pour les activités de l’ingénieur        [  Program  ]...................................................................................16 

FonctionetIntégrationPhotonique  [FoncIntPhot]................................................................................................17 

Micro‐systèmesoptiques  [Micro‐Systèmes]...........................................................................................................19 

Visualisation  [Visualisation]..........................................................................................................................................20 

Optiquedel'Extrême  [Extrem]...................................................................................................................................21 

TechnologiedesLasers  [TechnoLaser]...................................................................................................................22 

FibresOptiquesAvancées  [Fibresavancées]...........................................................................................................23 

Biophotonics(A)  [BioPhot(A)].....................................................................................................................................24 

Near‐fieldmicroscopies(A)  [NearField(A)]...........................................................................................................25 

TRONC COMMUN

Surfaces Optiques, Optomécanique [ Opto. Méca. ] Volume horaire : 30 h

Coordinateur : Raymond MERCIER Cours 1,5 h : Intervenants : TD 1,5 h : TD 2,0 h : Examens : Examen écrit TP 4,5 h : Mots clés : TP 8,0 h : Signet Objectifs

Faire le point sur les techniques de fabrication et de contrôle des surfaces optiques; sensibilisation à leur importance dans tout système optique. Donner des notions de conception de systèmes optiques en tenant compte de leur environnement mécanique et thermique.

Plan du cours

Partie 1 : surfaces optiques Le but est de faire un tour de toutes les techniques permettant de tolérancer, contrôler et fabriquer des surfaces optiques: nature et influence des défauts, défauts de fabrication ou induits, techniques de fabrication. Cette partie comprend 9 h de cours proprement dit et 3 h de visite de l’atelier d’Optique. 1. Influence des différents types de défauts sur l’imagerie Critères et ordres de grandeurs tolérables, selon le type de défaut: forme, rugosité et défauts locaux. 2. Influence des contraintes mécaniques et thermiques Notions et ordres de grandeurs 3. Contrôles des surfaces optiques Rappels et compléments sur les méthodes classiques, autres méthodes spécifiques 4. Fabrication des surfaces optiques Compléments sur le polissage classique, méthodes industrielles, machines à commande numérique, méthodes "exotiques".

Partie 2 : optomécanique orientée système Le cours consiste d'abord en un balayage de différentes notions utiles au concepteur intégrant des systèmes optiques dans des ensembles mécaniques. Ce cours est assuré par deux enseignants venant de l'industrie (16H). Des études de cas sont ensuite proposées pour illustrer le cours (2H). 1/ Introduction - L'opto-mécanique c'est quoi? - Les spécificités de l'Optique 2/ L'impact du cahier des charges sur la définition - But du cahier des charges - Bande spectrale - Diamètre pupille & champ - Qualité image requise - Lumière parasite, flux de structure IR - Environnements vibratoires & climatiques 3/ Les grandes étapes d'une conception opto-mécanique - Architecture & design préliminaire des modules: exemples - Compléments d'optique: dispositifs de focalisation, changements de champ, dérotateurs, scanners - Analyse des sensibilités & bilan de tolérance préliminaire - Analyse simplifiée du comportement en température & pression 4/ Les moyens de validation d'une conception/réalisation opto-mécanique - Vérifications par analyses - Vérifications par tests 5/ Présentation d'un matériel

Polycopié ou notes de cours disponibles

Bibliographie

"SURFACES OPTIQUES", Jean-Paul MARIOGE, éditeur: EDP SCIENCES, 7/2000 Modern Optical engineering, Waren J. Smith, ed. McGraw-Hill Optical system design, Robert. E. Fischer, ed. McGraw-Hill Opto-mechanical systems design, Paul R. Toder Jr., ed. Marcel Dekker Lens design fundamentals, Rudolph Kingslake, ed. Academic Press Normes: ISO 10110, ISO 9211, ISO 9022, MIL-STD-810, GAM-EG-13

Pré-requis

Cours sur l’interférométrie et l’optique physique

Ingénierie Photométrique [ Ing. Phot. ]

Volume horaire : 30 h Nombre d’élèves maximum : 30 Coordinateur : Jacques SABATER / Lionel JACUBOWIEZ Intervenants : Examens : Projet de fin de cours Mots clés : Photométrie, conception optique, modélisation, non séquentiel

Objectifs

Les objectifs de ce cours sont : - Comprendre les concepts de photométrie et radiométrie avancée - Connaitre quelques systèmes d’optique non imageante : concentrateurs, guides de lumière,… - Savoir valider ou optimiser des composants dédiés par simulation ou modélisation avec un logiciel de conception de systèmes optiques (Lighttools) dédié à la radiométrie - Etudier, simuler et optimiser quelques systèmes d’éclairage à LED et d’affichage.

Plan du cours

La conception optique des dispositifs d’éclairage, d’affichage et de réception de lumière est facilitée par l’emploi de logiciels photométriques dédiés (Lightools, Tracepro, Zemax…). Ces logiciels de simulation permettent une modélisation très fidèle et un calcul précis du rendement lumineux. Ils sont devenus des outils indispensables pour toute conception et optimisation de systèmes d’optique, en particulier dans le domaine de l’optique non imageante. Lighttools sera utilisé au cours des séances de cours-TD en salle d’informatique. Plan du cours : Rappels de photométrie et de radiométrie Photométries des instruments d’optique Méthodes de calcul par tracé de rayons non séquentiel Etude de la Méthode statistique de Monte Carlo appliqué au tracé de rayons non séquentiels Modélisation des sources lumineuses (LED, lampe HBO, laser,…) Modélisation et calculs photométriques de systèmes optiques Etude des résultats des simulations par analyse du flux, carte d’éclairement, diagramme d’intensité, polarisation Génération de surfaces et de composants caractérisés par leurs propriétés géométriques et optiques (Diffusion, transmission, albédo, BRDF…). Optimisation de rendements photométriques Uniformisation de rétro-éclairages (écran LCD, TV,…) Calculs de lumière parasite Projet de fin de cours : Etude d’un dispositif d’éclairage sur cahier des charges

Polycopié ou notes de cours disponibles Ingenierie photométrique (Poly 3 ème année)

Pré-requis Cours d’optique géométrique ESO 1A Cours de conception optique ESO 2A Cours de photométrie ESO 2A

Couches minces optiques [ Couches Minces ] Volume horaire : 30,0 h MAXIMUM : 24 ELEVES Coordinateur : Franck DELMOTTE Cours 1,5 h : Cours 2,0 h : Intervenants : D. Mouricaud (SAGEM), F.Delmotte ,5 h : TD 2,0 h : Examens : Rapport TP 4,5 h : Mots clés : 8,0 h : Signet

Objectifs Les couches minces à propriétés optiques se retrouvent aujourd’hui utilisées dans de très nombreux dispositifs optiques afin de manipuler la lumière en jouant sur les propriétés de réfraction et de réflexion des matériaux. Ce module a pour objectif de fournir aux élèves une connaissance à la fois théorique et pratique sur l’optique des couches minces, de la théorie à la réalisation (au travers des Travaux pratiques). La première partie du cours a pour objectif de donner aux étudiants les connaissances théoriques nécessaires pour appréhender les phénomènes physiques dans les couches minces et de leur faire connaître de présenter le formalisme permettant de traiter les propriétés de réflexion, de transmission et d'absorption d'empilement de couches minces et d'examiner différentes situations : couche antireflet, empilement réfléchissant et non-absorbant, filtres interférentiels, etc... Le but des 2 parties suivantes est de faire appréhender aux étudiants les aspects pratiques de la réalisation de traitement en couches minces et de leur faire connaitre, de manière quasi-exhaustive, les divers composants optiques réalisables par empilement de couches minces dans les domaines UV, visible, IR proche et lointain. Ce cours est accompagné de deux séances de travaux dirigés (sous forme de bureau d’étude) sur un logiciel de simulation et d’optimisation de composants optiques (TFCalc). Deux séances de Travaux Pratiques en salle blanche de l’Institut d’Optique permettront aux étudiants de réaliser et de caractériser leur propre empilement de couche mince et d’appréhender par la pratique les enjeux technologiques liés à la réalisation de tels composants Planducours Le cours est composé de trois parties décrites ci-dessous. 1er partie (F. Delmotte) : Théorie des couches minces optiques Introduction historique Rappels d’électromagnétisme et notations Réflexion et réfraction des ondes planes Cas d’une couche mince homogène et isotrope et extension (matrices d’Abeles) Etudes de différents composants standard : miroirs diélectriques, miroirs métalliques, couches anti-reflet, … 2ème partie (F. Delmotte) : dépôt de couches minces et caractérisations (cours - TP) Dépôt de couches minces (évaporation, pulvérisation,…) et d’empilements multicouches Caractérisation optiques des couches minces et des multicouches : ellipsométrie, réflectométrie X. 3ème partie (D. Mouricaud) : conception et optimisation de composants optiques en couches minces (cours + TD) Expression des besoins, spécifications Le design d’empilements couches minces Les matériaux et les problèmes de réalisation Imperfections des traitements réels Polycopiéounotesdecoursdisponibles Photocopie des transparents de cours. Polycopié de Travaux Pratique. Polycopié « Couches Minces Optiques- Technologie et composants » de Patrice Davi. Bibliographie H.A. McLeod, Thin-Film Optical Filters, IoP, 2003 O. Heavens, Optical Properties of thin solid films, Dover editions, 1965 P. Yeh, Optical waves in layered media, Wiley, 2005

Initiation à Code V [ Code V ] & Conception de systèmes optiques avancée [ Conc Sys Opt Av ]

Volume horaire : 1 semaine d’initiation à Code V + 30h Coordinateur : Mr Hervé SAUER Cours Intervenants : Hervé SAUER, Jérôme PRIMOT (ONERA-DOTA)TD 1,5 h : TD 2,0 h : Évaluation : Contrôle continu TP 4,5 h : Mots clés : Dimensionnement des systèmes optiques – Conception optique – CodeVTP 8,0 h : Signet

Objectifs La capacité de conception demeure la force et la particularité de la formation d’ingénieur dont elle constitue le véritable aboutissement. Elle consiste à utiliser les connaissances acquises au cours des nombreuses années d’enseignements scientifiques pour inventer des réponses efficaces et maîtrisées aux besoins de la société. Ce module, au travers du cas particulier des systèmes optiques, est une ouverture sur cette démarche que l’ingénieur développera par la suite dans son exercice professionnel et comporte deux thèmes liés :

- Esquisse d’un système optique. L'objectif est de mettre les étudiants en situation de pré-conception d'un système optique. À partir d'études de cas didactiques, les premières phases de la conception seront abordées à partir d'expressions de besoin purement littérales, parfois incomplètes. Le but du travail sera de fournir les grandes lignes d'un avant-projet cohérent en se posant les bonnes questions, et ceci en quelques heures. Différents outils méthodologiques seront présentés pour donner les ordres de grandeur nécessaires à la bonne prise en compte des données du problème. Pour faire un parallèle avec le monde graphique, la compétence recherchée ici est celle du "roughman", ce dessinateur qui donne une consistance aux projets en quelques traits sur un carnet de croquis.

- Conception optique ‘avancée’ avec le logiciel CodeV® de la société Optical Research Associates. L’objectif est de devenir capable de mener à bien avec ce logiciel la conception détaillée de systèmes optiques d'imagerie réalistes, simples à moyennement complexes.

- Association des deux compétences. Savoir passer d'une expression de besoin informelle à un système optique précis, fonctionnel et réaliste, via les deux étapes précédentes.

Plan du cours Ces enseignements sont essentiellement construits autour de séances de 3h (ou parfois 4h) de cours/TD, c'est-à-dire d'alternance de séquences de cours et de TD applicatifs, permettant aux élèves de découvrir et maîtriser progressivement les concepts, méthodes et outils présentés. Les deux thèmes sont traités en parallèle dans les premières semaines puis combinés dans les dernières. Esquisse d’un système optique

Exemple du dimensionnement d'un système imageur IR Quelques exemples de demandes en conception Étude de cas

Conception optique avancée avec le logiciel CodeV®

Introduction d'un système optique (dioptres, miroirs, surfaces asphériques, obturations, éléments basculés et décentrés, ...)

Analyses de la qualité optique (courbes d'aberration, spot-diagram, FTM, ...) Optimisation de systèmes optiques (avec contraintes standard et contraintes plus complexes

définies par l'utilisateur) Exemples de conception optique (télescope de Newton, oculaire avec contrôle de la conjugaison

et des aberrations pupillaires, …) Manipulation de systèmes multiconfigurations (zooms) simples… Notions de base du tolérancement de systèmes optiques…

Association des compétences

Études de cas

Polycopié ou notes de cours disponibles

Photocopies des transparents de cours. Textes et documents de TD

Bibliographie

SMITH W.J., Modern Optical Engineering, 4thEd, SPIE Press, 2008 ou 2000 FISHER R.E. et al., Optical System Design, McGraw-Hill, 2008 GROSS H., Handbook of optical systems, Vol 4 : survey of optical instruments, Wiley-VCH, 2008

Pré-requis

Connaissances générales en optique géométrique, radiométrie, aberration et conception optique comme données par les enseignements de 1ère et 2ème années du cursus ingénieur de l'IOGS.

COURS ELECTIFS de séquence 2

Choix à faire en octobre 2015

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Radar [ Radar ]

Volume horaire : 15,0 h Cours 2,0 h : Intervenants : M. Philippe LACOMME TD 1,5 h : TD 2,0 h : Examens : Contrôle continu TP 4,5 h : Mots clés : TP 8,0 h : Signet Houba

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

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Reconnaissance des Formes [ Recon. Formes ]

Volume horaire : 15,0 h

Coordinateur : François GOUDAIL Cours 1,5 h : Cours 2,0 h : Intervenants : François GOUDAIL, Jérôme MORIO TD 1,5 h : TD 2,0 h : Examens : Contrôle continu TP 4,5 h : Mots clés : TP 8,0 h : Signet Houba TP 4,5 h : 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.

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. 5) R. Duda, P. E. Hart, D. G. Stork, Pattern classification, 2nd edition, Wiley Interscience, 2000

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Physique des détecteurs [ Phys. Detect. ]

Cours recommandé dans le cadre du parcours « Ingénierie des Systèmes Optiques Avancés »

Volume horaire : 15,0 h Cours 1,5 Coordinateur : M. Riad HAIDAR TD 1,5 h : Intervenants : Marcel Caes, Nicolas Guérineau TD 2,0 h : Examens : Séance de TD notés (1h30) TP 4,5 h : TP 8,0 h Signet Ho 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

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Imagerie Haute Résolution et Optique Active [ Opt. Apdapt. ]

Cours recommandé dans le cadre du parcours « Ingénierie des Systèmes Optiques Avancés » Volume horaire : 15 h Nombre d’élèves maximum : 30

Coordinateur : Gérard Rousset Cours,0 h : Intervenants : Gérard ROUSSET et Jean-Marc CONAN (ONERA) TD 2,0 h : Examens : Examen oral TP 4,5 h : Mots clés : TP 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.

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COURS ELECTIFS de séquence 3

Choix à faire en octobre 2015

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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 …

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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. 

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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 Nombre d’élèves maximum : 30 Coordinateur : Arnaud BECHE Intervenants : Arnaud BECHE, Cyril KEIME (Thales) Examens : Soutenance

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

PolycopiéounotesdecoursdisponiblesPolycopié (cours + exercices) CD-ROM (bibliothèques utiles, documentation)

Pré‐requisConnaissances de base en informatique

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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.

ObjectifsExpliciter 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. …/…

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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 PolycopiéounotesdecoursdisponiblesCopie des transparents des différents cours BibliographieThe 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‐requisDiode laser de base (Fabry-Perot), milieux à gain et électro-optiques, bases des télécoms optiques (fibres, modes, débit).

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Micro-systèmes optiques [ Micro-Systèmes ] Volume horaire : 30 h Nombre d’élèves maximum : 16 Coordinateur : Franck DELMOTTE : Intervenants : E. Dufour-Gergam (IEF), P. Bondavali (Thales), B. Ea-Kim, F. Delmotte Examens : RapportTP Mots clés :

Objectifs

Ce module a pour objectif de fournir aux élèves une connaissance à la fois théorique et pratique des micro-systèmes 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.

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Visualisation [ Visualisation ] Volume horaire : 15,0 h Intervenants : Yvan BONNASSIEUX Examens : Examen Oral Mots clés : Ecrans plats, LCD, OLED, Electronique en grande surface

ObjectifsDonner 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. PlanducoursLe cours est organisé en 3 blocs principaux, correspondant aux effets physiques et optiques exploités dans les écrans plats : 1‐ EcransplatsbaséssurlamodulationdelalumièreLes 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.

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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 Sourcesharmoniquesetimpulsionsattosecondes3h – Thierry Ruchon du CEA Saclay Interactionlaserplasmaàultra‐hauteintensité(3h)3h – Victor Malka du Laboratoire d’Optique Appliquée à Palaiseau OptiqueXUV(composantsetexemplesd’applications):imageriesolaire,lithographieEUV,optiquepourl’analyseX…3h – Franck Delmotte de l’Institut d'Optique Optiquedurayonnementsynchrotron‐métrologiedesoptiquesX3h – François Polack du synchrotron SOLEIL LaserX3h - Olivier Guilbaud du LIXAM / Université Paris Sud Visited’unétablissementderecherche

Notesdecoursdisponibles

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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.

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Fibres Optiques Avancées [ Fibres avancées ] Volume : 15 à 18h Coordinateur : Henri BENISTY Cours 2,0 h : Enseignants: 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.

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Biophotonics (A) [ BioPhot (A) ] Volume horaire : 30,0h Coordinateur : ArnaudDUBOIS 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 AimTo give insights into modern research trends in biophotonics. Syllabus IntroductiontocellbiologyCellular components, DNA, RNA, proteins MicroscopyFluorescence microscopy, confocal microscopy. Full-field imaging techniques. Organic/inorganic fluorophores FluorescencetechniquesSingle-molecule tracking, Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP), Fluorescence Correlation and Cross-Correlation (FCS, FCCS), Fluorescence lifetime imaging (FLIM), Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET). Super‐resolutionimagingTotal Internal Reflection Fluorescence microscopy (TIRF), 4π microscopy, Stimulated Emission Depletion microscopy (STED), Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (STORM), PhotoActivated Localization Microscopy (PALM). OpticaltweezersSingle molecule manipulation DNAandproteinmicroarraysReadout techniques: fluorescence and Surface Plasmon Resonance, Biochip specifications and realizations, Data processing and interpretation Non‐linearmicroscopyTwo-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 SéminarsF. 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

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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)