Session 9 - Micro-nano photonique

 

Présidents de séance :   P. Montgomery - Icube, CNRS, Université de Strasbourg (F)

                                      M. Spajer - Université de Franche-Comté, Besançon (F)

 

Cette session, constituée de six communications, a mis en évidence la créativité et la richesse des nouvelles techniques et composants en micro-nano photonique. L’utilisation du principe du micro-résonateur est proposée dans trois des présentations, deux pour l'optique intégrée pour le numérique et une pour un capteur biologique de matières organiques en milieux liquide. Les trois autres concernaient des composants optiques comme le système de mesure cartographique d'épaisseur de films minces par holographie numérique couleur, un retro-réflecteur minces en forme d'hologramme embossé et un filtre de longueur d'onde accordable au moyen d'une solution de nanoparticules de Goethite. La recherche académique et collaborative avec des entreprises a été bien représentée.

 

1 Etude théorique de l’efficacité de conversion d’un mélange à quatre ondes dans des micro-résonateurs intégrés en verres de chalcogénures

 

E. Delcourt, L. Bodiou, J. Charrier, P. Girault, A. Gutierrez, Y. Dumeige, N. Lorrain, M. Guendouz, L. Poffo

FOTON, Enssat, Lannion (F)

Cette présentation portait sur les travaux du Laboratoire FOTON sur une étude théorique d’un multiplexeur par mélange à quatre ondes, pour les plateformes utilisant l’optique intégrée. L’intérêt d’utiliser un micro-résonateur en forme d’anneau et des matériaux ayant des indices de réfraction non-linéaires élevés comme pour les verres de chalcogénure a été bien démontré. L’étude permettait de déterminer la taille optimale d’un tel dispositif pour atteindre un facteur d’amélioration satisfaisant. Ces travaux ont un intérêt pour augmenter le nombre de canaux de transmission, comme par exemple dans le domaine de Internet of things, où le nombre d’objets connectés augmentera de manière considérable dans un avenir proche.

 

2 Topographie plein champ de films minces nanométriques par interférométrie couleur

 

P. Picart (1), M. Malek (1), J. Garcia-Sucerquia (1,3), R. Moalla 2), M. Edely (2), N. Delorme (2), J.F. Bardeau (2)

(1) LAUM CNRS, Université du Maine, Le Mans (F)

(2) IMMM CNRS, Université du Maine, Le Mans (F)

(3) Universidad Nacional de Colombia-Sede Medellin, School of Physics, Medellin (CO)

Ce papier repose sur une collaboration réussie entre les laboratoires LAUM et IMMM du Mans et l'Ecole de Physique de l'Université au Medellin, Colombie, concernant un système de mesure d’épaisseur de films minces (50 nm - 500 nm). Il autorise la mesure cartographique de l’épaisseur sur un grand champ jusqu'à 75 mm2, ce qui le distingue des techniques classiques reposant sur des mesures ponctuelles. Le principe de mesure employé consiste en la détermination de l’ordre d’interférences en couleur, dont il existe une relation entre la couleur et l’épaisseur par les teintes de Newton. Les mesures sont effectuées par un système holographique numérique couleur avec trois lasers : rouge, vert et bleu. Des résultats ont été illustrés sur une couche de polymère d’une épaisseur de 50 nm déposée sur silicium. Ce système présente les avantages, entre autres, d'être robuste, compact et industrialisable.

 

3 Investigation des propriétés optiques des microdisques de GaP pour l'intégration de fonctions optiques sur silicium

 

P. Guillemé, J. Sterviniou, T. Rohel, P. Rochard, A. Letoublon, C. Cornet, Y. Dumeige, P. Féron, O. Durand, Y. Léger

FOTON, INSA de Rennes (F) et Enssat, Lannion (F)

Il s’agit d’une étude effectuée au Laboratoire FOTON portant sur des microdisques de GaP, matériau prometteur pour l’intégration des composants optiques sur silicium, et utilisant des effets non-linéaires pour la conversion de la longueur d'onde. Un modèle analytique simple décrivant les modes de galerie a permis d’optimiser la taille et la forme des microdisques. Des microrésonateurs d’un diamètre de quelques µm suspendus sur des piédestaux ont été fabriqués au laboratoire en utilisant la gravure par faisceau d'électron. La caractérisation consistait en l'observation en microscopie optique de la lumière émise due au confinement de la lumière sur le pourtour des microdisques, en approchant une fibre effilée dans laquelle était injectée la lumière d’un laser rouge. Une longueur d’onde de 1550 nm était utilisée pour mesurer le spectre de transmission du système. Les résultats montraient des efficacités de conversion utiles de l'ordre de 10-2 pour une puissance de pompe de 1 mW. De tels dispositifs seront utiles dans le domaine de l'optique intégré sur silicium pour la numérique et l'informatique du futur.

 

4 Réalisation de micro-résonateurs intégrés en polymères et silice poreuse pour des capteurs optiques

 

P. Girault (1), N. Lorrain (1), J. Lemaitre (1), L. Poffo (1), M. Guendouz (1), I. Hardy (2), C. Carré (1), G. Vignaud (3), A. Gutierrez (1), L. Bodiou (1), J. Charrier (1)

(1) FOTON, Enssat, Lannion (F)

(2) FOTON, Institut Mines Telecom, Telecom Bretagne, Brest (F)

(3) Université Bretagne-Sud, EA 4250, LIMATB, Lorient (F)

Le laboratoire FOTON, en association avec le LIMATB (UBS/Lorient), propose un capteur biologique basé sur la perturbation d'un micro-résonateur optique intégré par les variations d'indice du milieu ambiant. Le résonateur est constitué d'un guide d'onde monomode fermé en forme d'hippodrome, couplé à un guide rectiligne par ondes évanescentes. Le principe est d'abord testé avec un guide ruban réalisé sur résine SU8 en une seule étape de photolithographie. Il est plongé dans des solutions de glucose de dosages, donc d'indices de réfraction différents. La sensibilité est conforme aux prévisions théoriques : le décalage de la résonance est de 115 nm/unité d'indice. Pour accroître la sensibilité, une technique plus complexe est proposée, où des guides de silice poreuse permettront aux molécules étudiées de se greffer à l'intérieur du guide. La porosité doit être optimisée pour limiter les pertes, encore importantes. Néanmoins la caractérisation du dispositif laisse présager une sensibilité de 1100 nm/UIR, résultat très prometteur.

 

5 Etude théorique et expérimentale d’un rétro réflecteur mince

 

K. Chikha (1), K. Heggarty (2), V. Petiton (1)

(1) Hologram Industries, Bussy Saint Georges (F)

(2) Telecom Bretagne, Département optique, Brest (F)

C’est ici un bon exemple de R&D associant Hologram Industries et Télécom Bretagne. Le doctorant Cifre développe un procédé de fabrication à faible coût de revêtement catadioptrique. Il s'inspire de la copie des hologrammes d'identification des cartes de crédit par moulage, sous condition de pouvoir maintenir le relief de la structure réfléchissante dans la gamme < 10 µm. Le prototype est un réseau de coins cube (période 4 ou 8 µm, relief 2 ou 4 µm) réalisé sur résine par photomasquage. Les simulations numériques par Méthode Modale de Fourier et les résultats expérimentaux montrent qu'à ces dimensions, l'effet de réseau blasé est prépondérant : la rétroréflexion n'est efficace qu'autour d'une incidence normale à l'une des faces des coins cube. La solution pragmatique proposée est de faire alterner plusieurs types de coins cube couvrant la gamme nécessaire d'angles d'incidence.

6 Filtre optique Fabry-Perot avec pour matériau électooptique une suspension de nanoparticules de Goethite

S. Abbas (1), L. Dupont (1), P. Davidson (2), I. Dozov (2), C. Chanéac (3)

(1) Telecom Bretagne, Département optique, Brest (F)

(2) Laboratoire de Physique des Solides, Orsay (F)

(3) Sorbonne Universités, Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée, Paris (F)

Une belle étude pluridisciplinaire associant Télécom Bretagne, la Physique des Solides à Orsay et la Chimie au Collège de France, a pour but la fabrication et la caractérisation d'un filtre de longueur d'onde accordable, utilisable en télécom optique et en instrumentation. Il s'agit d'un Fabry-Perot constitué d'une cuve de 18 µm d'épaisseur remplie, entre deux dépôts d'ITO et d'or, d'une solution isotrope de Goethite (bâtonnets d'oxyde de fer) dont l'effet électro-optique nécessite un champ électrique faible (< 1V/μm) avec des modulations d’indice relative de 10-2 et des temps de réponse de l’ordre 10 ms. Un champ électrique alternatif induit une orientation des nanoparticules qui modifie l’indice de la suspension. Le maximum de transmission est observé pour une fréquence excitatrice de 400 kHz, l'accordabilité est de 14 nm. La largeur du pic (2,6 nm à 1530 nm) peut être améliorée par des dépôts multicouches diélectriques et le comportement thermique optimisé, l'échauffement étant dû à la conductivité de la solution.

 

Session 10 - Contrôle et Mesure pour l’Industrie

 

Présidents de séance : M. Georges - Centre Spatial de Liège, Angleur (B)

                                    J.J. Orteu - Ecole des Mines d’Albi (F)

 

Cette session était composée de 4 présentations consacrées à des développements en cours de techniques de contrôle et mesures optiques sans contact, pour diverses applications industrielles. Ces dernières concernent les couches minces, les assemblages collés, la déformation des miroirs spatiaux et le contrôle non destructifs des composites aéronautiques.

 

1 Mesure de contraintes de couches minces par biréfringence

 

H. Piombini (1), F. Compoint (1), C. Ambard (1), D. Picart (1), G. Damamme (2), F. Brémand (3)

(1) CEA, DAM Le Ripault, Monts (F)

(2) CEA DAM Centre de Gramat, Gramat (F)

(3) Université de Poitiers, Institut Pprime-UPR 3346, Futuroscope Chasseneuil (F)

Ces travaux concernent les composants optiques utilisés au sein du laser MegaJoule. Pour réduire les effets mécaniques d’une onde de choc (due au faisceau laser intense) sur les composants optiques, ceux-ci sont revêtus d’une couche mince antichoc élastique. Ces couches sont des revêtements réalisés par procédé sol-gel à partir d’une solution de silice, qui donne la raideur, et de PDMS, qui amène l’élasticité au matériau final. Pour optimiser ces couches minces élastiques, il est important de connaître les contraintes dans la couche. La mesure de ces contraintes par photoélasticimétrie (mesure de biréfringence) montre par exemple que les contraintes augmentent avec l’épaisseur de la couche et diminuent avec le taux de PDMS. Simultanément, ces mesures sont validées par comparaison avec celles réalisées avec un profilomètre par la méthode de Stoney.

 

2 Suivi de fissure par corrélation numériques d’images : application à l’étude de la durabilité d’assemblages collés

 

O. Tramis, T. Fourcade, M. Fazzini, B. Hassoune-Rhabbour, V. Nassiet

Université de Toulouse, INP, Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tarbes, Laboratoire Génie de Production, Tarbes (F)

Ces travaux concernent l’étude de l’endommagement d’assemblages multi-matériaux collés, par le test de clivage en coin. Il consiste à insérer un coin à l’extrémité de l’assemblage pour imposer une déformation aux deux substrats qui sont collés par un joint de colle. L’insertion du coin entraîne la fissuration du joint de colle. Dans l’étude, un assemblage collé clivé a été soumis à un vieillissement accéléré en conditions sévères, de façon à réactiver la propagation de la fissure au sein du joint de colle. Le suivi de la propagation de fissure (suivi de la pointe de fissure) a été réalisé in situ par corrélation d’images numériques. A partir de la mesure de la longueur de fissure, le taux de restitution de l’énergie est calculé, ce qui permet d’estimer la durabilité de l’assemblage collé en fonction du temps de vieillissement. De plus, afin d’améliorer la compréhension des mécanismes mis en jeu lors du vieillissement, l’essai de clivage est modélisé à l’aide du code Abaqus®. La comparaison des résultats numériques et expérimentaux permet d’identifier certains paramètres du modèle numérique.

 

3 Mesures de déformation par ESPI de la surface d’un miroir chauffé et comparaison avec simulations théoriques

 

F. Languy (1), J.F. Vandenritj (1), P. Saint-Georges (2), M. Georges (1)

(1) Laser & NDT, Centre Spatial de Liège (BE)

(2) OpenEngineering, Seraing (BE)

Les miroirs en aluminium sont de plus en plus utilisés pour le spatial, permettant un gain de masse. Ces miroirs sont directement tournés et polis sur le support en aluminium. Cependant il faut pouvoir maîtriser les variations de performance optique liées aux gradients thermiques. Pour cela, la société Open Engineering met au point un logiciel de simulations multiphysiques couplé à des logiciels de simulation optique permettant de déterminer les erreurs de fronts d'onde. Des mesures expérimentales sur un miroir parabolique hors-axe ont été effectuées simultanément par interférométrie classique pour la mesure d'erreur de front d'onde et par interferométrie de speckle en illumination diffuse, pour ce qui est des déformées thermomécaniques. La convergence des mesures et des simulations est extrêmement bonne, ce qui permet d'envisager d'utiliser ce type de logiciel pour prédire le comportement et les performances de systèmes de miroirs plus complexes.

 

4 Système entièrement fibré et robotisé pour la génération d'ultrasons par laser à 532 nm et la détection par mixage d'onde à 1064 nm

 

J.F. Vandenrijt, D. Kokkinos, F. Languy, C. Thizy, J. F. Simar, M. Georges

Centre Spatial de Liège, Université de Liège (BE)

Les ultrasons laser sont activement étudiés comme alternative aux ultrasons classiques pour l'inspection des composites aéronautiques car ils permettent de travailler sans contact à distance sur des pièces à géométrie complexe. Le système développé combine la détection par mixage d'onde à 1064 nm (système commercial avec fibre de 10 m de long) avec un laser YAG pulsé à 532 nm, lui aussi équipé d'une fibre de 10 m. Cela permet d'obtenir une tête optique légère et compacte qui peut être aisément interfacée sur un bras-robot. Les performances liées à l'utilisation de la fibre soumise à des contraintes lors du processus de balayage de pièces complexes ont été étudiées et l’instrument jugé apte à l'inspection. En particulier, il a été utilisé sur des échantillons de référence industriels à forme très complexe, tel un bord d'attaque. Des C-scans en amplitude et temps de vol de qualité ont été obtenus.

 

Session 11 – Mesures Optiques pour le Transport et les Infrastructures

 

Présidents de séance :   A. Chardon - Photonics Bretagne, Lannion (F)

                                      P. Picart - LAUM CNRS, Université du Maine, Le Mans (F)

 

Sont ici présentés un robot pour inspecter visuellement un aéronef, les différentes techniques optiques permettant de mesurer l’épaisseur d’un film liquide mince en vue d’applications dans le domaine des moteurs à essence, les mesures optiques effectuées sur des périscopes terrestres ou maritimes, ainsi qu’un outil de surveillance de l’état de surface des chaussées.

   
 1 Inspection d’un aéronef à partir d’un système multi-capteurs porté par un robot

 

I. Jovancevic, J.J. Orteu, T. Sentenac, R. Gilblas

Université de Toulouse, CNRS, INSA, UPS, Mines Albi, ISAE, Institut Clément Ader, Campus Jalard, Albi (F)

Les auteurs présentent les avancées du projet AIR-COBOT en vue de développer un robot mobile collaboratif (industriels et laboratoires de recherche), autonome dans ses déplacements au sol, capable de réaliser l'inspection visuelle d'un aéronef lors de petite ou grande maintenance en hangar ou en phase de pré-vol sur un tarmac d'aéroport. Ce robot a pour but de rendre l’inspection plus rapide, de bonne traçabilité, plus exhaustive et plus fiable.

Pour l’inspection, le COBOT est essentiellement équipé de 2 capteurs : une caméra PTZ fournissant des images en couleurs et un scanner 3D fournissant des nuages de points 3D. Pour des raisons de temps de traitement, l’utilisation de la caméra PTZ est privilégiée (lorsque cela est possible) par rapport à l’utilisation du scanner 3D. Le scanner est néanmoins nécessaire pour détecter et caractériser certains dommages. Trois types d’algorithmes de traitement ont été développés pour adresser la plus grande partie des situations d’inspection : analyse d’images 2D, analyse d’images 2D exploitant, via la réalité augmentée, le modèle CAO de l’élément à inspecter (appelé aussi CAD-based image processing) et analyse de nuages de points 3D (3D data processing). Les auteurs présentent des exemples tels que la détection de la couverture de protection du port statique enlevée, la détection de trappes/portes verrouillées et la détection de l’obstruction d’un moteur par un corps étranger.

 

2 Techniques optiques pour la mesure de film liquide mince

 

G. Piccinni Leopardi (1), J. Helie (1), N. Lamarque (1), M Vuillequez (2), A. Spencer (3)

(1) Continental Automotive SAS, Toulouse (F)

(2) Matmeca, Bordeaux (F)

(3) Loughborough University, Department of Aeronautical and Automotive Engineering, Leicestershire (GB)

Les auteurs présentent une revue bibliographique exhaustive des méthodes de mesure de l’épaisseur d’un film liquide mince (huile, hydrocarbures...). Le cas particulier de la mesure de l’épaisseur de liquide déposé par injection dans les moteurs à essence est abordé. Un comparatif des méthodes est proposé via une projection graphique dans un espace complexité-étendue de mesure. La précision est également prise en compte. Certaines méthodes permettent des mesures pour les films ondulés, courbes ou plats et possèdent la capacité de traiter des surfaces de parois rugueuses. Le lecteur intéressé par cette revue est invité à consulter les actes du CMOI 2015.

 

3 Mesures optiques sur périscopes terrestres et maritimes soumis à des conditions ambiantes spécifiques

 

M. Honlet, K. Wehrenberg

Airbus DS Optronics GmbH, Oberkochen (D)

Dans cet exposé, les auteurs présentent les mesures optiques effectuées sur des périscopes terrestres ou maritimes, en parallèle aux essais environnementaux imposés par le fait que ces systèmes sont soumis à de nombreuses contraintes mécaniques, thermiques et climatiques. Par exemple, il s’agit ici de mesurer l’orientation de plusieurs axes optiques les uns par rapport aux autres en travaillant à plusieurs longueurs d’ondes, de mesurer la résolution des systèmes optiques dans diverses conditions de température et de vibration, grâce à la mise en œuvre de bancs d’essais capables de simuler le mouvement du véhicule, en élévation et en azimut, y compris pour des terrains impraticables. L’objectif aval du travail est pouvoir garantir une longue fiabilité des appareils considérés.

 

4 Evaluation de deux algorithmes de classification automatique d'images de chaussées pour l'exploitation des campagnes de mesures Visiodec

 

D. Jouin (1), V. Baltazart (2), J.M. Moliard (2), A. Cord (3)

(1) Cerema, DTER Normandie-Centre, Rouen (F)

(2) LUNAM, Ifsttar, COSYS/S2I, Nantes (F)

(3) Ifsttar, COSYS/LIVIC, Versailles (F)

Il s’agit, dans cette présentation, de mettre en place un outil de surveillance de l’état de surface des chaussées. Pour cela, des images en niveau de gris de la chaussée à incidence verticale sont acquises et traitée grâce à l’outil informatique Visiodec. Afin d’optimiser cet outil, c’est-à-dire d’accélérer le travail de dépouillement et d’être capable de détecter efficacement les dégradations des chaussées, deux algorithmes de tri automatique des images sont évalués. Ce travail peut en particulier être illustré par les résultats issus d’une base de données comportant 18 km d’images d’un itinéraire de référence. A ce jour, ces algorithmes permettent de réduire d’environ 2/3 le nombre d’images à inspecter visuellement, mais ne permettent pas d’atteindre un niveau de classification aussi détaillé que celui utilisé par les inspecteurs, soit 9 classes de dégradations. La mise en place d’un nouvel appareil d’imagerie sera l’étape suivante.