Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. 145-150. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

L’hologramme généré par ordinateur (HGO) a été démontré à jouer un rôle important depuis son invention par Lohmann dans les années 1960 dans de nombreuses applications telles que l’ingénierie du front d'onde, l’éclairage structuré et l’affichage optique, etc. Dans le travail de thèse ci-présent, la modélisation, la conception et l’optimisation d’HGO avec des phases binaires sont étudiées. Nous avons examiné un système pratique de projection d’image avec certaines spécifications de travail, par exemple, une distance de travail de 40 cm, une profondeur de champ de 10 cm et un angle de diffraction de 53 degré pour une longueur d’onde de travail de 632 nm, et ensuite conçu et optimisé un hologramme de phase binaire en passant par une recherche directe binaire pour ce système d’image. L’hologramme a été fabriqué par la lithographie à faisceau d’électrons. Pour atteindre l’angle de diffraction requis, nous avons discuté de l’architecture optique dans le système de projection d’image holographique. L’HGO conçu et le système de projection d’image holographique ont été validés expérimentalement par reconstruction optique. Étant donné que les pixels finiront par se regrouper pour former des ouvertures polygonales en hologramme, qui peut être vu clairement dans le processus de recherche directe binaire, nous avons proposé une nouvelle approche pour la conception directe des ouvertures polygonales basée sur la disposition triangulaire en HGO de grande taille en pixels. La diffraction de l’ouverture a été calculée par la transformation analytique d’Abbe. L’image reconstruite peut être exprimée comme une addition cohérente de motifs de diffraction à partir de tous les bords droits d’orientations et de longueurs différentes. Une optimisation en deux étapes comprenant l’algorithme génétique avec la recherche locale de codage des phases binaires des ouvertures, suivie par la recherche directe de co-sommets flottants des ouvertures triangulaires élémentaires a été développée. Nous avons en outre proposé une disposition d’ouverture quadrilatérale, qui fournit plus de degrés de liberté et peut former des ouvertures polygonales plus diverses en hologrammes. L’algorithme génétique parallèle avec la recherche locale a été adopté dans une première étape pour assigner des phases binaires, et la recherche directe a ensuite été utilisée pour optimiser des emplacements de co-sommets d'ouvertures quadrilatérales lors de la deuxième étape. Trois schémas différents pour l'algorithme en deux étapes ont été discutés pour fournir des moyens flexibles afin d’équilibrer la performance de l’optimisation et la durée nécessaire. / The computer-generated hologram (CGH) has been demonstrated to play an important role, since its invention by Lohmann in 1960s, in many applications such as wavefront engineering, structured illumination and optical display, etc. In this thesis, the modeling, design and optimization of CGH with binary phases are studied. We considered a practical projection image system with certain working specification, e.g. working distance of 40 cm, depth of field of 10 cm and a diffraction angle of 53 degree for 632 nm working wavelength, and then designed and optimized a binary-phase hologram by direct binary search for this image system. The hologram was fabricated by E-beam lithography. To achieve the required diffraction angle, we discussed the optical architecture in holographic projection image system. The designed CGH and holographic projection image system were validated experimentally by optical reconstruction. Since the pixels will eventually cluster to form polygonal apertures in hologram, which can be seen clearly during the process of direct binary search, we proposed a new approach to directly design polygonal apertures based on triangular layout in CGH of a large number of pixels. The diffraction of aperture was calculated by analytical Abbe transform. The reconstructed image can be expressed as a coherent addition of diffraction patterns from all the straight edges of different orientations and lengths. A two-step optimization including genetic algorithm with local search for encoding binary phases of apertures, followed by direct search for floating covertices of the elementary triangular apertures was developed. We further proposed a quadrilateral aperture layout, which provides more degrees of freedom and can form more diverse polygonal apertures in holograms. The parallel genetic algorithm with local search was adopted to assign binary phases in the first step, and direct search was then used to optimize of locations of covertices of quadrilateral apertures in the second step. Three different schemes for the two-step algorithm were discussed to provide flexible ways to balance the optimization performance and time cost. / Résumé en espagnol

Le design d’un dispositif optique sans lentille et portatif est basé sur la microscopie holographique numérique pour des applications de terrain ou de point-of-care. L’appareil développé repose sur cette technique de microscopie car elle permet de reconstruire le front d’onde diffracté (phase et intensité) par un échantillon biologique observé. Le dimensionnement de cet appareil dépend de l’illumination utilisée ainsi que des contraintes physiques associées à la détection. Afin de maximiser l’information pertinente et enregistrable d’échantillons faiblement diffusants, des simulations FDTD sont utilisées. La propagation des champs diffractés à l’aide d’outils fidèles permet de générer des hologrammes échantillonnés à la façon d’un détecteur et de reconstruire les spécimens avec un grossissement. Par exemple, la reconstruction numérique de l’hologramme associé à la diffraction d’une bille de diamètre de 5 mm simulée via la méthode FDTD, et grossie selon un grandissement Gy = 20, est de 107.22 mm pour la méthode de propagation du spectre angulaire DFFT. La procédure proposée ouvre donc la voie à l’étude du champ diffracté utilisable dans un contexte d’holographie numérique, et ce pour des échantillons numériques pouvant modéliser des spécimens biologiques. D’ailleurs, le dispositif sans lentille mis sur pied à partir d’un coupleur de fibre optique offre une visibilité atteignant V = 0:8435 pour une configuration hors axe et cette dernière est limitée par le bruit cohérent de la source laser utilisée. L’étude du grossissement et de la résolution du dispositif montrent que le microscope holographique portatif est limité par l’échantillonnage du capteur utilisé, et ce, bien que la méthode d’indexation de zéros permette d’interpoler et de résoudre des détails plus fins que la taille d’un pixel pour la propagation DFFT. Finalement, l’appareil conçu est capable d’effectuer de l’imagerie de phase quantitative. L’épaisseur reconstruite d’une cible de verre (n = 1:52) est de 149±23 nm et concorde avec la valeur attendue de 150 nm. / ompact off-axis holographic lensless microscope capable of non-invasively imaging weakly scattering biological samples for on the field applications is designed. The technique allows to reconstruct both the phase and intensity of a sample-diffracted wavefront. The dimensioning of the proposed device depends on both the illumination shining the sample and the physical constraint associated with acquisition device. Hence, FDTD simulations are used in order to ascertain the smallest usable scattered field. Using proper propagation methods, the diffracted field is used to generate a numerical hologram emulating the sensor’s sampling rate. Such hologram is then numerically reconstructed in order to retrieve the object and compare it with the former. For instance, a 5 mm diameter bead diffraction field is obtained via FDTD simulation. As it is magnified by a factor Gy = 20, its reconstruction retrieves a magnified bead of 107.22 mm in diameter. The proposed pipeline thus paves the way for the study of modelled biological sample usable scattered field for holographic applications. Moreover, the proposed compact lensless device using an optical fiber coupler attains an off-axis visibility of V = 0:8435 as this last is limited by coherent noise. The study of the microscope attainable magnification and resolution shows that it is limited by the sampling rate of the used acquistion device, and that is, albeit zero-padding interpolation could provide smaller than a pixel size detail resolution for DFFT propagation. Lastly, the designed device is capable of quantitative phase imaging. The reconstructed thickness of a glass phase target (n = 1:52) is of d = 149±23 nm which is in good agreement with the expected value of 150 nm.

Mémoire (M.A.)--Université du Québec à Chicoutimi, 1999. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Dans le cadre de cette thèse, un matériau composite polymère/cristal liquide dont la région de sensibilité se situe dans le proche infrarouge est présenté. L'objectif est d'étudier quantitativement la dynamique de formation de réseaux holographiques enregistrés dans ce matériau, les réactions physico-chimiques y prenant place ainsi que les propriétés structurelles des échantillons résultants. Des modèles sont présentés afin de décrire la dynamique de diffraction des hologrammes, leur anisotropie, la configuration et l'organisation du cristal liquide, la sélectivité angulaire ainsi que la dépendance thermique. Lorsque les hologrammes sont enregistrés, il se produit une séparation d'espèces entre le polymère et le cristal liquide. Le cristal liquide se retrouve sous forme de gouttelettes et l'orientation moyenne des molécules dans celles-ci est perpendiculaire aux franges du réseau. L'avantage de cette orientation est qu'il est possible d'obtenir des hologrammes ayant une dépendance importante en polarisation. Il est alors possible de faire commuter l'hologramme en faisant varier divers paramètres (polarisation, température, longueur d'onde de lecture, etc.) ou en appliquant un champ électrique sur ce dernier. Les dynamiques de diffraction, d'absorption et de diffusion sont présentées. Il en ressort que la présence d'inhibiteurs dans le matériau retarde le processus d'enregistrement et peut engendrer des non uniformités dans l'échantillon. L'étude de la sélectivité angulaire et de l'anisotropie a montré qu'une partie du cristal liquide n'était pas séparée ou orientée lors de l'enregistrement. Il a aussi été possible de relier les indices de réfraction du polymère et du cristal liquide aux indices effectifs des réseaux (indice moyen et profondeur de modulation). Cependant, la complexité des matériaux composites engendre des effets qui sont encore difficiles à modéliser correctement. Par exemple, la sélectivité angulaire pour une polarisation parallèle à l'orientation du cristal liquide présente des caractéristiques propres à des réseaux appodisés. Finalement, la dépendance en température des indices de réfraction du cristal liquide permet d'obtenir des réseaux dont l'efficacité de diffraction peut être variée potentiellement de 0 à 100%. Cet effet peut aussi être obtenu plus efficacement en appliquant un champ électrique sur ce matériau.

On présente une modélisation tout-analytique d'hologrammes épais uni- ou bidimensionnels (1D/2D), passifs ou actifs, pouvant être photo-inscrits dans des matrices de polymère éventuellement dopées, par exemple en vue de réaliser à faible coût des lasers DFB. Les outils et hypothèses de la modélisation (formalismes des ondes couplées et des matrices de transfert, régime de diffraction de Bragg, hypothèse des enveloppes lentement variables, approche perturbative) sont d'abord introduits et appliqués au cas d'un hologramme épais 1D (réseau en transmission) placé dans une cavité Fabry-Pérot. On montre que la matrice de transfert et la réponse de la structure sont entièrement gouvernées par quelques paramètres réduits : désaccord de phase des ondes co-propagatives avec la condition de Bragg du réseau et coefficients de couplage entre ces ondes. L'étude est ensuite étendue au cas d'un hologramme épais 2D, superposition de réseaux en transmission et en réflexion distribuée placés dans une cavité Fabry-Pérot. On montre que l'approche tout-analytique reste valide au prix de changements judicieux de base de décomposition des champs. Quelques paramètres suffisent à nouveau à décrire le système : désaccord avec la condition de Bragg de chaque réseau et coefficients de couplage entre ondes respectivement co- et contra-propagatives. Enfin, les bases d'une extension du traitement tout-analytique à un hologramme 2D actif sont posées. La présence d'une source localisée d'émission spontanée est prise en compte via une extension du formalisme des matrices de transfert. On montre que l'émission de la source est filtrée angulairement et spectralement par la cavité que forme l'H2D passif.

On présente une modélisation tout-analytique d’hologrammes épais uni- ou bidimensionnels (1D/2D), passifs ou actifs, pouvant être photo-inscrits dans des matrices de polymère éventuellement dopées, par exemple en vue de réaliser à faible coût des lasers DFB. Les outils et hypothèses de la modélisation (formalismes des ondes couplées et des matrices de transfert, régime de diffraction de Bragg, hypothèse des enveloppes lentement variables, approche perturbative) sont d’abord introduits et appliqués au cas d’un hologramme épais 1D (réseau en transmission) placé dans une cavité Fabry-Pérot. On montre que la matrice de transfert et la réponse de la structure sont entièrement gouvernées par quelques paramètres réduits : désaccord de phase des ondes co-propagatives avec la condition de Bragg du réseau et coefficients de couplage entre ces ondes. L’étude est ensuite étendue au cas d’un hologramme épais 2D, superposition de réseaux en transmission et en réflexion distribuée placés dans une cavité Fabry-Pérot. On montre que l’approche tout-analytique reste valide au prix de changements judicieux de base de décomposition des champs. Quelques paramètres suffisent à nouveau à décrire le système : désaccord avec la condition de Bragg de chaque réseau et coefficients de couplage entre ondes respectivement co- et contra-propagatives. Enfin, les bases d’une extension du traitement tout-analytique à un hologramme 2D actif sont posées. La présence d’une source localisée d’émission spontanée est prise en compte via une extension du formalisme des matrices de transfert. On montre que l’émission de la source est filtrée angulairement et spectralement par la cavité que forme l’H2D passif. / This work is devoted to an analytical modelling of thick, one- or two-dimensional (1D/2D), passive or active holograms. Such devices can be obtained by photoinscription of diffraction gratings in polymer matrices, e.g. for the fabrication of low-cost DFB lasers. First we introduce the tools and hypotheses (coupled-mode theory, transfer matrix formalism, Bragg diffraction regime, slowly-varying envelopes, perturbative approach) of our model and apply them to the case of a thick 1D hologram (transmission grating) in a Fabry-Pérot cavity. We show that its transfer matrix and optical response are entirely governed by a small set of adimensional parameters that quantify the phase mismatch with the Bragg condition of the grating and coupling constants between co-directional waves. We then extend our study to the case of a thick 2D hologram resulting from the crossed superposition of a transmission grating and a distributed Bragg reflector in a Fabry-Pérot cavity. We establish that our all-analytical approach remains valid, provided fields are expressed in a well-chosen basis. Again, a small set of physical parameters (phase mismatch with each grating’s Bragg condition, co- and contra-directional coupling constants) is shown to completely describe the behaviour of the device. Finally, we lay the foundations of an extension of our analytical treatment to the case of an active 2D hologram containing a single localized point source, whose isotropic spontaneous emission is readily taken into account through an extension of the transfer matrix formalism. We show that the emission is angularly and spectrally filtered by the response of the passive 2D hologram previously described.