L’imagerie optique à travers des milieux diffusants, comme des milieux biologiques ou de la peinture blanche, reste un challenge car l’information spatiale portée par la lumière incidente est mélangée par les évènements multiples de diffusion. Toutefois, les modulateurs spatiaux de lumière (SLM) disposent de millions de degrés de liberté pour contrôler le profil spatial de la lumière en sortie du milieu, en forme de tavelure (speckle), avec des techniques de modulation du front d’onde. Cependant, si le laser génère une impulsion brève, le signal transmis s’allonge temporellement, car le milieu diffusant répond différemment pour les diverses composantes spectrales de l’impulsion. Nous avons développé, au cours de cette thèse, des méthodes de contrôle du profil spatiotemporel d’une impulsion brève transmise à travers un milieu diffusant. En mesurant la Matrice de Transmission Multi-Spectrale ou Résolue-Temporellement, la propagation de l’impulsion peut être totalement décrite dans le domaine spectral ou temporel. Avec des techniques de manipulation du front d’onde, les degrés de libertés spectraux/temporel peuvent être ajustés avec un unique SLM via la diversité spectrale du milieu diffusant. Nous avons démontré, de manière déterministe, la focalisation spatio-temporelle d’une impulsion brève après propagation dans un milieu diffusant, avec une compression temporelle proche de la durée initiale de l’impulsion, à différentes positions de l’espace-temps. Nous avons également démontré un façonnage contrôlé du profil temporel de l’impulsion, notamment avec la génération d’impulsions doubles. Nous exploitons cette focalisation spatio-temporelle pour exciter un processus optique non-linéaire, la fluorescence à deux photons. Cette approche ouvre des perspectives intéressantes pour le contrôle cohérent, l’étude de l’interaction lumière-matière ainsi que l’imagerie multi-photonique. / Optical imaging through highly disordered media such as biological tissue or white paint remains a challenge as spatial information gets mixed because of multiple scattering. Nonetheless, spatial light modulators (SLM) offer millions of degrees of freedom to control the spatial speckle pattern at the output of a disordered medium with wavefront shaping techniques. However, if the laser generates a broadband ultrashort pulse, the transmitted signal becomes temporally broadened as the medium responds disparately for the different spectral components of the pulse. We have developed methods to control the spatio-temporal profile of the pulse at the output of a thick scattering medium. By measuring either the Multispectral or the Time- Resolved Transmission Matrix, we can fully describe the propagation of the broadband pulse either in the spectral or temporal domain. With wavefront shaping techniques, one can control both spatial and spectral/temporal degrees of freedom with a single SLM via the spectral diversity of the scattering medium. We have demonstrated deterministic spatio-temporal focusing of an ultrashort pulse of light after the medium, with a temporal compression almost to its initial time-width in different space-time position, as well as different temporal profile such as double pulses. We exploit this spatio-temporal focusing beam to enhance a non-linear process that is two-photon excitation. It opens interesting perspectives in coherent control, light-matter interactions and multiphotonic imaging.

Cette thèse étudie la technique dite de ‘Retournement Temporel’ afin d’améliorer l’efficacité énergétique des futurs réseaux mobiles d’une part, et réduire le coût des futurs terminaux mobiles, d’autre part. Le retournement temporel consiste à utiliser l’inverse temporel de la réponse impulsionnelle du canal de propagation entre un émetteur et un récepteur pour préfiltrer l’émission d’un signal de données. Avantageusement, le signal ainsi préfiltré est reçu avec une puissance renforcée (c’est la focalisation spatiale) et un écho principal qui est renforcé par rapport aux échos secondaires (c’est la compression temporelle). Lors d’une étape préalable d’apprentissage, l’émetteur estime le canal en mesurant un signal pilote provenant du récepteur. La focalisation spatiotemporelle n’est obtenue qu’à condition que la propagation demeure identique entre la phase d’apprentissage et la phase de transmission de données : c’est la condition de ‘réciprocité du canal’. De nombreux travaux montrent que la focalisation spatiale permet de réduire la puissance émise nécessaire pour atteindre une puissance cible au récepteur d’une part, et que la compression temporelle permet de réduire la complexité du récepteur nécessaire pour gérer l’effet des échos multiples, d’autre part. Cependant, les études sur la réduction de la complexité du récepteur se limitent à l’ultra large bande. Des travaux de cette thèse (basés sur des simulations et des mesures expérimentales) montrent que pour des bandes de fréquences plus typiques des futurs réseaux mobiles (fréquence porteuse à 1GHz et spectre de 30 MHz à 100 MHz), grâce au retournement temporel, un récepteur simple et un signal monoporteuse suffisent pour atteindre de hauts débits. En outre, la condition de réciprocité du canal n’est pas vérifiée dans deux scénarios typiques des réseaux mobiles. Tout d’abord, dans la plupart des réseaux mobiles européens, le mode de duplex en fréquence est utilisé. Ce mode implique que l’émetteur et le récepteur communiquent l’un avec l’autre sur des fréquences porteuses distinctes, et donc à travers des canaux de propagations différents. De plus, lorsqu’on considère un récepteur sur un véhicule connecté en mouvement, l’émetteur et le récepteur communiquent l’un avec l’autre à des instants distincts, correspondants à des positions distinctes du véhicule, et donc à travers des canaux de propagations différents. Des travaux de cette thèse proposent des solutions pour obtenir la focalisation spatio-temporelle dans ces deux scenarios. Enfin, des travaux de la thèse explorent la combinaison du retournement temporel avec d’autres techniques de traitement de signal récentes (la modulation spatiale, d’une part, et une nouvelle forme d’onde multiporteuse, d’autre part), ou des scenarios de déploiement nouveaux (ondes millimétriques et très grands réseaux d’antennes pour inter-connecter les noeuds d’un réseau ultra dense) ou de nouvelles applications (guidage et navigation) envisageables pour les futurs réseaux mobiles. / This thesis studies the time reversal technique to improve the energy efficiency of future mobile networks and reduce the cost of future mobile devices. Time reversal technique consists in using the time inverse of the propagation channel impulse response (between a transceiver and a receiver) as a prefilter. Such pre-filtered signal is received with a stronger power (this is spatial focusing) and with a strong main echo, relatively to secondary echoes (this is time compression). During a previous learning phase, the transceiver estimates the channel by measuring the pilot signal emitted by the receiver. Space-time focusing is obtained only at the condition that the propagation remains identical between the learning phase and the data transmission phase: this is the ‘channel reciprocity’ condition. Numerous works show that spatial focusing allows for the reduction of the required transmit power for a given target received power, on the one hand, and that time compression allow for the reduction of the required complexity at the receiver side to handle multiple echoes, on the other hand. However, studies on complexity reduction are limited to ultra wideband. Some works of this thesis (based on simulations and experimental measurements) show that, for bands which are more typical for future networks (a carrier frequency of 1GHz and a spectrum of 30 MHz to 100 MHz), thanks to time reversal, a simple receiver and a mono-carrier signal are sufficient to reach high data rates. Moreover, the channel reciprocity condition is not verified in two scenarios which are typical from mobile networks. Firstly, in most European mobile networks, the frequency division duplex mode is used. This mode implies that the transceiver and the receiver communicate on distinct carriers, and therefore through different propagation channels. Secondly, when considering a receiver on a moving connected vehicle, the transceiver and the receiver communicate one with each other at distinct instants, corresponding to distinct positions of the vehicles, and therefore through different propagation channels. Some works of this thesis propose solutions to obtain space-time focusing for these two scenarios. Finally, some works of this thesis explore the combination of time reversal with other recent signal processing techniques (spatial modulation, on the one hand, a new multi-carrier waveform, on the other hand), or new deployment scenarios (millimeter waves and large antenna arrays to interconnect the nodes of an ultra dense network) or new applications (guidance and navigation) which can be envisaged for future mobile networks.

Le travail présenté dans cette thèse concerne la mise en oeuvre numérique de techniques temporelles pour des applications en compatibilité électromagnétique (CEM) impulsionnelle, essentiellement pour des études en chambre réverbérante à brassage de modes (CRBM). Prenant le contre-pied des approches fréquentielles, adaptées par nature aux études de cavités résonantes, l'idée directrice de ce mémoire a été d'étudier des moyens temporels originaux d'investigation de CRBM en vue de proposer de nouveaux paradigmes pour la caractérisation d'équipements. Originellement développé en acoustique, le processus de retournement temporel (RT) récemment appliqué aux ondes électromagnétiques permet une focalisation spatiale et temporelle de ces dernières d'autant meilleur que le milieu de propagation est réverbérant. Les chambres réverbérantes (CR) sont ainsi des endroits idéaux pour l'application du processus de RT. Après une nécessaire étude des nombreux paramètres qui gouvernent ce dernier couplée à la définition de méthodologies numériques spécifiques, les applications du RT en CRBM sont exposées. En particulier, l'intérêt d'une focalisation sélective pour des tests en susceptibilité rayonnée est démontré. L'importance des coefficients d'absorption et de diffraction des équipements en CRBM justifie leur caractérisation précise et efficace. À cette fin, la mise en oeuvre d'un calcul temporel de section efficace totale de diffraction (TSCS en anglais) est détaillée. L'application de cette nouvelle technique à différentes formes de brasseurs de modes permet au final de confronter ces résultats avec ceux obtenus à l'aide de tests normatifs CEM.

Le travail présenté dans cette thèse concerne la mise en oeuvre numérique de techniques temporelles pour des applications en compatibilité électromagnétique (CEM) impulsionnelle, essentiellement pour des études en chambre réverbérante à brassage de modes (CRBM). Prenant le contre-pied des approches fréquentielles, adaptées par nature aux études de cavités résonantes, l’idée directrice de ce mémoire a été d’étudier des moyens temporels originaux d’investigation de CRBM en vue de proposer de nouveaux paradigmes pour la caractérisation d’équipements. Originellement développé en acoustique, le processus de retournement temporel (RT) récemment appliqué aux ondes électromagnétiques permet une focalisation spatiale et temporelle de ces dernières d’autant meilleur que le milieu de propagation est réverbérant. Les chambres réverbérantes (CR) sont ainsi des endroits idéaux pour l’application du processus de RT. Après une nécessaire étude des nombreux paramètres qui gouvernent ce dernier couplée à la définition de méthodologies numériques spécifiques, les applications du RT en CRBM sont exposées. En particulier, l’intérêt d’une focalisation sélective pour des tests en susceptibilité rayonnée est démontré. L’importance des coefficients d’absorption et de diffraction des équipements en CRBM justifie leur caractérisation précise et efficace. À cette fin, la mise en oeuvre d’un calcul temporel de section efficace totale de diffraction (TSCS en anglais) est détaillée. L’application de cette nouvelle technique à différentes formes de brasseurs de modes permet au final de confronter ces résultats avec ceux obtenus à l’aide de tests normatifs CEM. / The work presented in this thesis concerns the use of time techniques for impulsive ElectroMagnetic Compatibility (EMC) applications, mainly for Modes Stirred Reverberation Chamber (MSRC) studies. Contrary to approaches from frequency domain, obviously well-fitted for studies in resonant cavities, the main idea of this thesis was to study an original time method for MSRC investigation to propose new paradigms for equipment characterization. Originally developed in acoustics, the Time Reversal (TR) process recently applied to electromagnetic waves allows focusing it both in time and space. The process quality is even higher if the propagation environment is reverberant. Thus, the Reverberation Chambers (RC) are an ideal locations for TR implementation. After a study of parameters involved in the TR process coupled with the definition of specific numerical methods, the applications of TR in MSRC are exposed. In particular, the interest of selective focusing for radiated susceptibility tests is demonstrated. The importance of absorption and diffraction coefficients for MSRC equipment justifies their accurate and efficient characterization. To this end, the implementation of a temporal calculation of the Total Scattering Cross Section (TSCS) in RC is detailed. The application of this new technique to different forms of stirrers allows finally to face these results with those obtained from standard EMC test.