Habilitation à Diriger des Recherches

Optique cohérente et non-linéaire :
des processus élémentaires à l’imagerie haute résolution en astronomie

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HDR soutenue le 4 novembre 2015 devant la commission d’examen :

Présidente

  • Agnès Desfarges-Berthelemot, Professeur, laboratoire XLIM, Limoges

Rapporteurs

  • Patricia Segonds, Professeur, Université Joseph Fourier, Institut Néel, Grenoble
  • Éric Lantz, Professeur, Université de Franche-Comté, Institut Femto ST, Besançon
  • Guy Millot, Professeur, Université de Bourgogne Franche-Comté

Examinateurs

  • Denis Mourard, Astronome, observatoire de la Côte d’Azur, Nice
  • Vincent Couderc, Directeur de recherche, laboratoire XLIM, Limoges
  • Laurent Delage, Professeur, laboratoire XLIM, Limoges
  • François Reynaud, Professeur, laboratoire XLIM, Limoges

Résumé

Mes activités de recherche ont débuté fin 1997, lorsque j’ai commencé ma thèse de doctorat sous la  direction de Bernard Colombeau et Agnès Desfarges–Berthelemot, dans le département « Optique Cohérente et Non-Linéaire » de l’IRCOM (Institut de Recherche en Communications Optiques et Microondes) à Limoges. Depuis 2001, j’occupe la fonction de Maître de Conférences à l’IUT du Limousin, dans le département Mesures Physiques à Limoges également. J’effectue mes activités de recherche dans le département photonique du laboratoire XLIM (UMR 7252).

Ce document est une synthèse de mes travaux de recherche et d’encadrement depuis mon arrivée dans le laboratoire, jusqu’en 2015. Il décrit également mes activités d’enseignement, d’animation et d’innovation pédagogique dans le département Mesures Physiques, ainsi que mes différentes responsabilités administratives passées et présentes, pour le laboratoire XLIM, le département Mesures Physiques, et la composante IUT du Limousin.

Ce document se compose de trois parties principales.

  • Tout d’abord, une notice individuelle, contenant mon curriculum vitae ainsi qu’une frise chronologique replaçant mes différentes activités de recherche et responsabilités administratives lors de ces vingt dernières années. J’y décris ensuite mes activités d’enseignement dans le département Mesures Physiques. J’expose en particulier les nouveaux enseignements que j’ai été amené à mettre en place, ainsi que mes activités en matière d’animation et d’innovation pédagogique. Je présente ensuite mes responsabilités administratives dans le département, puis les différentes missions pour l’IUT du Limousin qui m’ont été confiées par les directeurs successifs de cette composante, et enfin mes responsabilités administratives pour le laboratoire XLIM. La suite de cette partie est composée d’un bref résumé de mes activités de recherche, puis de la liste de mes publications et communications, ainsi que les coencadrements d’étudiants que j ‘ai effectués. Je termine cette partie par le récapitulatif de mes participations aux divers contrats de recherche et collaborations avec des laboratoires et entreprises nationaux et internationaux.

Les deux parties suivantes de ce manuscrit constituent une présentation plus détaillée de mes activités de recherche. Dans chacun des chapitres, je rappelle le contexte et les objectifs scientifiques. Je décris ensuite les principaux résultats obtenus. Je termine enfin par les coencadrements que j’ai effectués, et la liste des publications et communications liées à la thématique de recherche développées dans le chapitre en question. Pour terminer, j’ai inséré les publications les plus représentatives.

  • La deuxième partie de ce manuscrit est un bilan de mes activités de recherche principales pour la période allant de fin 1997 à 2007. Ces activités portaient sur la structuration temporelle et spatiale du rayonnement émis par des sources laser, par des processus d’optique linéaire et non-linéaire.
    • Le chapitre 8 décrit mon travail de recherche effectué en thèse (1997–2001), portant d’une part sur le contrôle des propriétés spatiales et spectrales du rayonnement émis par un laser solide pompé par diode, d’autre part sur la caractérisation fine des effets thermiques liés au pompage dans ce type de cavité. Il s’agit d’un travail principalement expérimental, qui s’inscrit dans la thématique de recherche du laboratoire portant sur le contrôle et la combinaison cohérente de plusieurs lasers pour atteindre des brillances élevées.
    • Le chapitre 9 présente une partie des travaux de recherche que j’ai effectués avec Vincent Couderc sur la période 2002–2007. Ces travaux concernaient la génération de supercontinua dans le domaine du visible par des processus d’optique non-linéaire. Ces sources blanches de densité spectrale de puissance élevée, trouvent des applications très variées, que ce soit dans le domaine médical (diagnostic hématologique, dépistage de cancer par microscopie CARS…), ou encore dans l’identification d’agents chimiques (explosifs par exemple).
  • La troisième et dernière partie de ce manuscrit présente mes activités de recherche actuelles, portant sur l’utilisation de l’optique non-linéaire pour l’imagerie haute résolution en astronomie. Ce chapitre couvre la période 2007–2015.
    • Le chapitre 10 présente le principe de l’interféromètre à somme de fréquences pour l’imagerie haute résolution en astronomie. J’y présente la thématique de recherche, ainsi que les travaux qui ont été effectués avant mon arrivée dans le groupe IRO (Imagerie Radar et Optique), dirigé par François Reynaud et Laurent Delage.
    • Les chapitres 11 et 12 décrivent les travaux de recherche qui ont été effectués en laboratoire. L’objectif était de vérifier que l’utilisation de l’optique non-linéaire, et notamment du processus de somme de fréquences dans des cristaux en niobate de lithium à domaines périodiquement inversés, est tout à fait compatible avec les principe de l’imagerie haute résolution par analyse de cohérence temporelle utilisée actuellement en astronomie, et permet d’étendre cette technique d’imagerie vers des gammes de longueurs d’onde difficilement accessibles actuellement pour les astronomes.
    • Le chapitre 13 décrit les expérimentations que nous avons effectuées sur le ciel. Des collaborations avec les observatoires du Mauna Kea à Hawaï d’une part, et du Mont Wilson en Californie d’autre part, nous ont permis d’accéder aux grands instruments actuellement en exploitation, et d’y effectuer des tests d’intégration de notre interféromètre à somme de fréquences sur site. Des résultats expérimentaux très prometteurs sont décrits dans ce chapitre.
    • Le chapitre 14 traite des travaux de recherche que nous effectuons actuellement en laboratoire pour augmenter la sensibilité de l’instrument que nous développons. En particulier, nous montrons comment l’utilisation d’une source de pompe multiraie pour laquelle le spectre d’émission est contrôlé, permet de convertir par somme de fréquences une large bande du spectre infrarouge de l’objet stellaire observé.
    • Enfin, le dernier chapitre présente les perspectives à venir pour cette thématique de recherche. J’y présente brièvement les travaux réalisés dans le cadre de la thèse de Ludovic Szemendera, qui concernent le passage de la longueur d’onde de fonctionnement de l’instrument de 1550nm vers 3,39μm, ainsi que les perspectives de montée vers des longueurs d’onde proches de 10μm grâce à l’utilisation de cristaux non-linéaires de OP-GaAs. Ces technologies permettraient à notre instrument de montrer tout son potentiel dans l’imagerie haute résolution en astronomie, notamment dans la détection d’objets froids comme les naines brunes ou les exoplanètes. Je termine enfin en montrant comment il doit être possible d’effectuer l’analyse de la cohérente spatiale d’une source infrarouge résolue spectralement.