Laser processing has the advantage of minimal sample contact and thus little tool wear over time compared to conventional machining. However, this leads to the difficulty of real-time depth monitoring and control. To help understand the process and achieve automation of laser micromachining, a coherent imaging technique adapted from spectral domain optical coherence tomography (SD-OCT) is applied “inline”with a machining laser to monitor the depth changing information. The axial resolution of the inline coherent imaging (ICI) system is 7–8 microns and the acquisition rate is up to 230 kHz. The capture time is as low as 1.5 microseconds. 3D laser machining usually requires ultrafast lasers and homogeneous materials. With ICI, a feedback system is developed for 3D sculpture suitable even for heterogeneous materials without any sophisticated material characterization. 3D patterns with sizes up to 1 mm × 1 mm × 0.2 mm are sculpted in bone and wood with a ps UV laser. 3D patterns with sizes up to 6 mm × 6 mm × 2 mm are sculpted in bone with a CW IR laser. Many laser applications require high scan speed facilitated by scanning optics. The versatility of ICI is also demonstrated in a galvo-telecentric beam delivery system. ICI is used in a process of trench (as long as 10 mm) etching of steel to monitor the intrapulse and interpulse morphology changes as well as the sweep-to-sweep (up to 36 sweeps) depth changes. High scan speed (up to 375 mm/s) trench etching of silicon are also monitored and the parameter space is explored without destructive post-processing. Motion during imaging capture time (>1.5 microseconds) may cause contrast degradation. To reduce the motion artifacts, preliminary experiments on stroboscopic ICI based on a kHz pulse repetition rate femtosecond laser are described. By “sampling” the motion of the machining front discretely with a “sampling time” as short as the imaging pulse duration, our results demonstrate that stroboscopic ICI is a promising way to improve the ICI contrast against motion artifacts. / Thesis (Master, Physics, Engineering Physics and Astronomy) -- Queen's University, 2014-04-30 13:56:35.793

L'utilisation de filtre mosaïque hyperspectral semble être la solution idéale pour alléger les imageurs spectraux utilisés lors des missions spatiales. Les contraintes liées à ce type d'utilisation imposent l'emploi de filtres interférentiels multicouches. Ces travaux ont pour but de trouver des solutions pour réaliser un filtre mosaïque hyperspectral avec des filtres interférentiels et non avec les résines colorées traditionnellement utilisées. Pour ce faire une étude théorique sur la simplification des designs des empilements interférentiels a été effectuée. Il en ressort que les empilements restent épais, ce qui complique leur structuration. Plusieurs méthodes de structurations ont été étudiées. En particulier le lift-off qui est la technique actuellement utilisé aujourd'hui et le lift-up. Cette dernière présente l'avantage de ne pas mettre en série le risque technologique associé à chaque réalisation de filtre. Un trade-off entre ces deux techniques a été fait ainsi que des réalisations expérimentales. Celles-ci ont ensuite été caractérisées par un banc de mesure développé dans ce but qui a permis de valider expérimentalement la technique utilisée. / Hyperspectral mosaic filter appears to be the perfect solution to lighten the spectral imagers used in space missions. Such applications require the use of multilayer interference filters. This work aims to find solutions to achieve hyperspectral mosaic filter with interference filters rather than the conventionally used coloured resins. In order to achieve this, a theoretical study on the simplification of multilayer designs was performed. It appears that the stacks are thicker, which makes them difficult to pattern. Several methods of patterning were studied, especially the lift-off technique which is traditionally used and the lift-up. The latter has the advantage to avoid adding the technological risk associated with each filter production. A trade-off between these two techniques was done as well as experimental productions. These were then characterized by a bench developed for this purpose which has experimentally validate the technique used.

Chaque faisceau d'un laser de puissance, tel que le Laser MégaJoule, est mis en forme et voit son énergie amplifiée à l’aide d’une centaine de composants optiques tels que des plaques de verre amplificateur, des lentilles, des miroirs, des lames de phase, des réseaux... 'Evidemment ces composants ne sont pas parfaitement réalisés et ils présentent à leurs surfaces des défauts de fabrication. Ces imperfections peuvent être dues aux outils de polissage des composants, aux dépôts antireflet ou même apparaitre au cours de la phase d’exploitation ou de remédiation du composant. Ces défauts contribuent à une baisse des performances du Laser MégaJoule que ce soit au niveau de l’énergie déposée au centre de la chambre d’expériences ou à l’endommagement accéléré des composants optiques placés en aval. Actuellement la norme ISO 10110-7 est utilisée pour spécifier les défauts d’aspect. Cependant elle manque de justification pour les besoins d’une chaine laser de puissance. Dans le cadre de la thèse nous nous intéressons exclusivement à l’endommagement fratricide local des composants optiques. Un défaut présent à la surface du composant module l’onde lumineuse par phénomène de diffraction. Un << point chaud >> peut apparaitre dans le faisceau laser augmentant alors la densité locale surfacique d’énergie appliquée aux composants suivants. La loi d’endommagement prédit une augmentation de la probabilité d’endommagement puisque la densité d’énergie est modifiée. Une première étude, fondée sur les équations de Fresnel, met en évidence les paramètres intéressants à spécifier pour prédire les intensifications engendrées par des défauts typiques. Le lien entre paramètres du défaut et intensifications diffractées est, ensuite, validité expérimentalement sur des cas réels de défauts. Une seconde étude établit un seuil exprimé en puissance en deçà duquel l'hypothèse d'une propagation linéaire, selon les équations de Fresnel, est valide. La cohérence des résultats donnés par le seuil en puissance et par la simulation numérique renforce l’idée voulant que la propagation d’un << point chaud >> en présence d'effet Kerr soit sensiblement différente de celle d’un faisceau gaussien. Fort de ces deux résultats nous sommes en capacité d'établir une spécification des défauts d’aspect en ayant une meilleure compréhension de l’endommagement fratricide local. / Each beam of a high power laser facility, such as the Laser MégaJoule, is shaped and amplified thanks to hundreds optical components such as amplifier slabs at Brewster’s angle, lenses, mirrors, phase plates, diffraction gratings... Of course, all these components cannot be perfect; there are some defects on their surface. These imperfections appear at each stage of the life of the component, during polishing, coating, or mitigation process or when the component is used on the facility. They have a huge impact on the energy losses delivered on the target and they decrease the resistance of downstream components to intense light. The ISO 10110-7 standard is currently used to specify the visual defects. However, this standard is poorly justified and do not fit a high power laser needs. In this thesis, we are focused on the fratricide effect. Light propagates through a defect, then, some intensity modulations appear along the propagation. The damage law states that high energy density leads to an increase of the damage probability. Firstly, we investigate the characteristic parameters of the defect morphology linked to the formation of downstream << hot spots >>. Then, the link between these typical parameters and the high intensifications are confirmed by experiments on real defects. Secondly, a power criterion is demonstrated to guarantee the linear propagation hypothesis. This criterion is compared to numerical simulations and it is shown how the nonlinear propagation, induced by Kerr effect, can be different between the << hot spot >> formed by a defect and a Gaussian beam. Finally, the results are used to improve the visual defect specification thanks to a better understanding of the fratricide effect.

Avec une réduction de la taille des composants en constante progression, le domaine de la microélectronique, et d'une manière plus globale, le domaine de la nanofabrication se doit de posséder des outils de métrologie dimensionnelle performants. L'amélioration de points pertinents comme la rapidité, la précision et la répétabilité devrait permettre un suivi en temps réel de l'évolution des procédés et ainsi améliorer les rendements de production tout en limitant les pertes imputables aux dérives des procédés. Dans ce cadre, la scattérométrie, technique optique de métrologie dimensionnelle basée sur l'analyse de la lumière diffractée, a montré, suivant les cas, des capacités à répondre aux exigences des applications temps réel. Elle se décompose en une phase de mesure, effectuée par un dispositif expérimental (ellipsomètre dans notre cas) et une phase de résolution de problème inverse. La méthode utilisée pour traiter cette dernière phase conditionne la compatibilité avec le temps réel. La méthode des bibliothèques et une méthode utilisant des réseaux de neurones artificiels présentent les qualités requises. La première a déjà été validée pour le suivi d'un procédé de gravure en microélectronique et la seconde a été testée uniquement en statique à la suite d'une étape technologique. Cette thèse a pour but d'évaluer l'apport des réseaux de neurones en scattérométrie dynamique. Basée sur des critères qualitatifs et quantitatifs, cette étude souligne également la difficulté de comparer avec objectivité les différentes techniques de métrologie. Ces travaux dressent également une comparaison minutieuse de ces deux méthodes adaptées au temps réel afin d'en dégager les spécificités de fonctionnement. Enfin, la scattérométrie par l'approche des réseaux de neurones est étudiée dans le cas de la gravure de résine par plasma. En effet, il s'agit d'un procédé de fabrication en microélectronique pour lequel le contrôle in-situ est un enjeu important dans le futur. / The decrease of the components size has been widely witnessed in the past decades. Hence, microelectronic field, and more generally speaking, nanofabrication requires very efficient dimensional metrology tools. The improvement of relevant points like the speed, the accuracy and the repeatability of the tool will allow real time process monitoring and thus enhance the production yield while restricting the waste due to process drift. In this framework, scatterometry, an optical dimensional metrology technique based on the analysis of the diffracted light, has proven its ability to meet real time applications requirements. It is composed of a measuring phase, done by an experimental setup (ellipsometer in our case) and an inverse problem resolution phase. The chosen method used in order to process this last step determines the compatibility with real time. Library method and a method based on artificial neural networks possess the required qualifications. The first one has already been validated for etching process monitoring in microelectronics and the second one has been validated only on static cases after a technological step. This PhD involves assessing neural networks for dynamic scatterometry. Based on qualitative and quantitative criteria, this study underlines the difficulty of comparing different metrology techniques objectively. This work draws up a meticulous comparison of these two real time adapted methods in order to bring out their working specifications. Finally, scatterometry using neural networks is studied on a resist etching plasma case. In fact, this is a microelectronic fabrication process for which in-situ control is of an important concern in the future.

[pt] Um estudo sistemático da metodologia de determinação da probabilidade do DGD ultrapassar um determinado valor máximo foi apresentado. A metodologia foi discutida sob o ponto de vista teórico, obtendo-se o resultado a partir de uma base de dados recebidos de fabricantes de cabos de fibra óptica. Efetuou-se a comparação com os dados coletados destes mesmos cabos, porém já implantados em backbone. O resultado deste comparativo sistemático, foi apresentado sob a forma de estatística do valor de DGD ultrapassar o valor máximo estabelecido na norma ITU-T, para sistemas de 10 e 40Gbps. A partir dos resultados obtidos foi importante a identificação de erros que remontam a origem do processo de fabricação de cabos de fibras ópticas, a restrição na sensibilidade dos equipamentos de medição o que leva a uma superestimação da probabilidade do DGD ultrapassar um certo valor máximo e o próprio conceito do guia TIA/EIA TSB107, que define o método para a obtenção destes resultados. A criticidade destes resultados pode levar a um erro na escolha de um sistema óptico de transmissão podendo gerar prejuízos muito significativos, sejam financeiro ou temporal. Foram propostas três recomendações para direcionar a metodologia a uma previsão mais confiável dos resultados obtidos a partir do método 2 TIA/EIA TSB107, gerando mais conforto para o projeto de sistemas de alta capacidade. / [en] A systematic study of the methodology that determines the probability of the DGD overcomes a settled maximum value was presented. The methodology was discussed in a theoretical way; the values were based on a database received from optical fibers manufacturers/cablers. A comparison was conducted taking in consideration these same cables already installed in two backbones. The result of this systematic comparison was presented, as a statistic of the DGD value exceeds certain maximum value established by the standard ITU-T for systems from 10 to 40Gbps. Based on these results, the identification of mistakes that ascends the beginning of manufacture process of the optical fiber cables was important. The restriction of the sensibility of measurement devices leads to a overestimation of the probability of the DGD exceeds a given maximum value and the concept of the guideline TIA/EIA TSB107, that defines the methodology of acquisition of these results. These critical results could lead to a mistake choosing the optical system transmission and cause loss profit as well as time delay in a project. There were proposed three recommendations in order to guide the methodology for a trustful preview of the obtained results from TIA/EIA method 2, offering more comfort for optical high capacity system design.

Les travaux réalisés au cours cette thèse ont eu comme objectif l’étude de l’interaction de la lumière polarisée avec des milieux et des particules diffusants. Ces travaux s’inscrivent dans un contexte collaboratif fort entre le LPICM et différents laboratoires privés et publics. Des aspects très variées ont été traités en profondeur dont le développement instrumental, la simulation numérique avancée et la création de protocoles de mesure pour l’interprétation de donnés à caractère complexe.La partie instrumentale de la thèse a été consacrée au développement d’un instrument novateur, adapté à la prise d’images polarimétriques à différents échelles (du millimètre au micron) pouvant être rapidement reconfigurable pour offrir différents modes d’imagerie du même échantillon. Les deux aspects principaux qui caractérisent l’instrument sont i) la possibilité d’obtenir des images polarimétriques réelles de l’échantillon et des images de la distribution angulaire de lumière diffusé par une zone sur l’échantillon dont sa taille et position peuvent être sélectionnée par l’utilisateur à volonté, ii) le contrôle total de l’état de polarisation, de la taille et de la divergence des faisceaux utilisés pour l’éclairage de l’échantillon et pour la réalisation des images de celui-ci. Ces deux aspects ne se trouvent réunis sur aucun autre appareil commercial ou expérimental actuel.Le premier objet d’étude en utilisant le polarimètre imageur multimodal a été l’étude de l’effet de l’épaisseur d’un milieu diffusant sur sa réponse optique. En imagerie médicale il existe un large consensus sur les avantages de l’utilisation de différentes propriétés polarimétriques pour améliorer l’efficacité de techniques optiques de dépistage de différentes maladies. En dépit de ces avantages, l’interprétation des observables polarimétriques en termes de propriétés physiologiques des tissus se trouve souvent obscurcie par l’influence de l’épaisseur, souvent inconnue, de l’échantillon étudié.L’objectif des travaux a été donc, de mieux comprendre la dépendance des propriétés polarimétriques de différents matériaux diffusants avec l’épaisseur de ceux-ci. En conclusion, il a été possible de montrer que, de manière assez universelle, les propriétés polarimétriques des milieux diffusants varient proportionnellement au chemin optique que la lumière a parcouru à l’intérieur du milieu, tandis que le dégrée de polarisation dépend quadratiquement de ce chemin. Cette découverte a pu être ensuite utilisée pour élaborer une méthode d’analyse de données qui permet de s’affranchir de l’effet des variations d’épaisseur des tissus, rendant ainsi les mesures très robustes et liées uniquement aux propriétés intrinsèques des échantillons étudiés.Un deuxième objet d’étude a été la réponse polarimétrique de particules de taille micrométrique. La sélection des particules étudiées par analogie à la taille des cellules qui forment les tissus biologiques et qui sont responsables de la dispersion de la lumière. Grâce à des mesures polarimétriques, il a été découvert que lorsque les microparticules sont éclairées avec une incidence oblique par rapport à l’axe optique du microscope, celles-ci semblent se comporter comme si elles étaient optiquement actives. D’ailleurs, il a été trouvé que la valeur de cette activité optique apparente dépend de la forme des particules étudiées. L’explication de ce phénomène est basée sur l’apparition d’une phase topologique dans le faisceau de lumière. Cette phase topologique dépend du parcours de la lumière diffusée à l’intérieur du microscope. L’observation inédite de cette phase topologique a été possible grâce au fait que l’imageur polarimétrique multimodale permet un éclairage des échantillons à l’incidence oblique. Cette découverte peut améliorer significativement l’efficacité de méthodes optiques pour la détermination de la forme de micro-objets. / The work carried out during this thesis was aimed to study the interaction of polarized light from the scattering media and particles. This work is part of a strong collaborative context between the LPICM and various private and public laboratories. A wide variety of aspects have been treated deeply, including instrumental development, advanced numerical simulation and the creation of measurement protocols for the interpretation of complex data.The instrumental part of the thesis was devoted to the development of an innovative instrument, suitable for taking polarimetric images at different scales (from millimeters to microns) that can be quickly reconfigured to offer different imaging modes of the same sample. The two main aspects that characterize the instrument are i) the possibility of obtaining real polarimetric images of the sample and the angular distribution of light scattered by an illuminated zone whose size and position can be controlled, ii) the total control of the polarization state, size and divergence of the beams. These two aspects are not united on any other commercial or experimental apparatus today.The first object of the study using the multimodal imaging polarimeter was to study the effect of the thickness from a scattering medium on its optical response. In medical imaging, there is a broad consensus on the benefits of using different polarimetric properties to improve the effectiveness of optical screening techniques for different diseases. Despite these advantages, the interpretation of the polarimetric responses in terms of the physiological properties of tissues has been obscured by the influence of the unknown thickness of the sample.The objective of the work was, therefore, to better understand the dependence of the polarimetric properties of different scattering materials with the known thickness. In conclusion, it is possible to show that the polarimetric properties of the scattering media vary proportionally with the optical path that the light has traveled inside the medium, whereas the degree of polarization depends quadratically on the optical path. This discovery could be used to develop a method of data analysis that overcomes the effect of thickness variations, thus making the measurements very robust and related only to the intrinsic properties of the samples studied.The second object of study was to study the polarimetric responses from particles of micrometric size. The selection of the particles studied by analogy to the size of the cells that form the biological tissues, and which are responsible for the dispersion of light. By means of the polarimetric measurements, it has been discovered that when the microparticles are illuminated with an oblique incidence with respect to the optical axis of the microscope, they appear to behave as if they were optically active. Moreover, it has been found that the value of this apparent optical activity depends on the shape of the particles. The explanation of this phenomenon is based on the appearance of a topological phase of the beam. This topological phase depends on the path of the light scattered inside the microscope. The unprecedented observation of this topological phase has been done by the fact that the multimodal polarimetric imager allows illumination of the samples at the oblique incidence. This discovery can significantly improve the efficiency of optical methods for determining the shape of micro-objects.

Dans ce mémoire, je propose une nouvelle technique optique de mesure de positions relatives 3D, tailles et indices de réfraction d’un ensemble de particules, éclairées par un faisceau laser plan pulsé : l’imagerie interférométrique de Fourier (FII). Dans le cadre de ce travail, les particules sont sphériques, homogènes transparentes et isotropes. Lorsque ces particules sont éclairées, elles se comportent comme des sources d’ondes lumineuses sphériques qui interférent entre elles. L’enregistrement des franges d’interférences et leur analyse par transformation de Fourier peut permettre d’accéder aux caractéristiques des particules. Dans ce mémoire, je décris l’influence des caractéristiques de particules sur les représentations spectrales des franges d’interférences crées par les couples de particules éclairées dans l’espace de Fourier 2D. Les franges d’interférences sont simulées numériquement en utilisant la théorie de Lorenz-Mie. Puis j’aborde le problème inverse en montrant comment il est possible de retrouver les caractéristiques des particules, en me servant de l’optique géométrique et du filtrage spatial par transformation de Fourier. / In this thesis, I propose a new optical technique for measuring 3D relative positions, sizes and refractive indices of a set of particles, which are illuminated by a plane and pulsed laser beam. In this work, the particles are spherical, transparent, homogeneous and isotropic. When these particles are illuminated, they have the behavior of sources of spherical light waves which interfere. The recording of interference fringes and analysisby Fourier transform can measure the characteristics of the particles. I describe the influence of particle characteristics on spectral representations of the interference fringes created by the pairs of particles illuminated in 2D Fourier space. The interference fringes are simulated numerically using the Lorenz-Mietheory. The inverse problem is approached by showing how it is possible to measure the characteristics of particles with geometrical optics and spatial filtering by Fourier transformation.

Zur vollständigen Beschreibung eines monochromatischen Wellenfeldes ist die Kenntnis über die Amplituden- und Phasenverteilung unabdingbar. Während sich die messtechnische Erfassung der Amplitudenverteilung durch lichtempfindliche Sensoren recht einfach realisieren lässt, gestaltet sich die Bestimmung der Phasenverteilung weitaus schwieriger. Die Phasenverteilung eines optischen Wellenfeldes kann nur über indirekte Verfahren gewonnen werden. Es ergibt sich ein sogenanntes phase retrieval Problem. Zur Lösung dieses Problems bieten sich verschiedene Verfahren aus dem Bereich der berührungslosen und zerstörungsfreien optische Messtechnik an. In dieser Arbeit wird ein deterministisches Verfahren zur Phasenrekonstruktion mit Hilfe Greenscher Funktionen vorgestellt. Die erste Greensche Identität dient als Grundlage zur Entwicklung einer Gleichung, welche in der Lage ist, bei der Rekonstruktion einer Phasenverteilung spezifische Randbedingungen zu berücksichtigen. Dies ermöglicht unter anderem eine genaue Charakterisierung von Phasenobjekten bzw. ihren optischen Eigenschaften, wie beispielsweise der Brechzahlverteilung. Das vorgestellte Verfahren zur Phasenrekonstruktion basiert einerseits auf schnellen Algorithmen, welche die Leistung von parallelen Prozessoren ausnutzen und andererseits auf geschickten experimentellen Aufbauten, mit welchen die notwendigen Eingangsdaten zur Lösung der Gleichung simultan gewonnen werden können. Es ergibt sich damit die Möglichkeit, die Amplituden- und Phasenverteilung eines Wellenfeldes in Echtzeit zu bestimmen und daraus folgend ein Mittel zur quantitativen Bewertungen und Analyse von dynamischen Prozessen sowohl in der Industrie als auch im Bereich der Life Sciences. / In order to describe a monochromatic wave field entirely, knowledge about the amplitude and phase distribution is elementary. While it is easy to measure the amplitude distribution of an optical wave field by the use of photosensitive detectors, the determination of the phase distribution is by far more difficult. Due to the fact, that the phase distribution can not be measured directly, a problem of phase retrieval is presented. This problem may be solved by applying a non-contacting and non-destructive optical metrology technique. In this thesis a deterministic method for phase retrieval based on Green''s functions will be introduced. Green''s first identity serves as a starting point to derive an equation for phase retrieval considering different boundary conditions. Among others, this allows an exact characterization of phase objects, or their optical properties, as for example the refractive index distribution. On the one hand, the presented phase retrieval technique is based on fast algorithms which take advantage of the performance of parallel processors. On the other hand, skilful experimental setups allow the simultaneous acquisition of the input data, which are necessary to solve the phase retrieval equation. It follows that the presented technique is able to determine the amplitude and phase distribution of a wave field in real-time. Hence this technique enables the quantitative evaluation and analysis of dynamic processes in industry as well as in the area of life sciences.

[pt] Neste trabalho é desenvolvido um modelamento matemático para os elementos que compõem um sistema de compensação de PMD de primeira ordem, visando obter alternativas de solução para a metodologia de controle do sistema de compensação. Um algoritmo de controle utilizando uma lógica simplificada, diferente das encontradas em outros sistemas de compensação, é desenvolvido. Os resultados das simulações matemáticas, das diferentes partes do sistema de compensação e do algoritmo de controle desenvolvido, são comparados com resultados experimentais, obtendo-se uma excelente concordância. Um protótipo de um compensador de PMD de primeira ordem, utilizando diferentes topologias de compensação, é implementado e os resultados experimentais apresentados. Os resultados experimentais obtidos demonstram que a performance do protótipo desenvolvido é melhor que à obtida com outros sistemas de compensação desenvolvidos por outros grupos de pesquisa [22, 60]. / [en] In this work a mathematical model for the elements of the first order compensation system is developed to obtain alternative solutions of control methodology of the compensator. A control algorithm, using a simplified logic, different from the ones found in other compensation systems, is developed. The mathematical simulations results of the implemented model for different parts of the compensation system and of the control algorithm are compared to the experimental results showing good agreement. A first order PMD compensation prototype is implemented, using different compensation topologies. The experimental results are presented, proving a better performance when compared to the experimental results obtained by other research groups [22, 60].

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