Les miroirs déformables ferrofluidiques sont construits à de plus faibles coûts et permettent de plus grandes amplitudes de déformations que les miroirs déformables solides. Avant le présent travail, ils semblaient être moins rapides. Pour cette raison, le but de ce mémoire est de mieux caractériser et améliorer leur dynamique. On montre que les miroirs ferrofluidiques actuels sont limités à une fréquence de coupure, définie par un déphasage de 90 degrés, autour de 20 Hz. Toutefois, augmenter la viscosité du liquide, déposer une membrane ou ajouter un champ magnétique externe sont des solutions qui permettent d'augmenter leur vitesse. Par exemple, avec un ferrofluide ayant une viscosité de 494 cP, on obtient un retard critique à l'aide d'ondes carrées de 450 Hz, ce qui correspond à une fréquence de correction de 900 Hz dans un système d'optique adaptative. On présente également l'idée d'utiliser des impulsions de surcharge pour contrer la perte d'amplitude aux hautes fréquences et ainsi obtenir une réponse de la hauteur du liquide ayant une forme assez carrée.

L'utilisation d'un miroir liquide déformable à base de ferrofluide est l'une des nouvelles applications en optique adaptative. Ce miroir liquide déformable possède l'avantage, en comparaison du miroir solide déformable, de générer un faible coût de production des actionneurs ainsi qu'une grande amplitude de déformation de la surface du miroir. Ce mémoire est dédié à l'étude de la miniaturisation des actionneurs composant le miroir déformable. Ainsi, au sein d'un système d'optique adaptatif actuel muni d'un miroir déformable liquide à base de ferrofluide, des bobines de 5 mm de diamètre sont utilisées en tant qu'actionneurs afin de créer un champ magnétique qui déforme la surface du ferrofluide. La miniaturisation des actionneurs doit permettre l'amélioration de la finesse des déformations, la diminution de l'espace occupé par le système optique ainsi que la baisse des coûts de production. Pour se faire, une diminution de la largeur à demi-hauteur des déformations gaussiennes à la surface du liquide est requise afin de créer différents systèmes d'actionneurs de diamètres inférieurs à 5 mm. En premier lieu, la technologie des bobines électriques est privilégiée. Ainsi, un système de bobines de 2,5 mm de diamètre est étudié où l'importance du coeur magnétique de la bobine apparaît. Afin de diminuer la largeur à demi-hauteur de la déformation, un système d'immersion est mis en place avec une bobine de 1,5 mm de diamètre. La limite physique de la technologie des bobines électriques est alors atteinte. Afin d'outrepasser cette limite, un système de boucle de courant entouré d'un champ magnétique permanent permet d'obtenir des actionneurs de 1,2 mm de diamètre. En conclusion, l'avenir des actionneurs du miroir déformable liquide devrait avoir comme point d'appui la technologie des MEMS avec des actionneurs de 400 ptm.

Le concept de miroir déformable à base de liquide magnétique (ferrofluide) a énormément contribué à la technologie des miroirs déformables. Les miroirs déformables à ferrofluide (MDFs) permettent des déformations qui peuvent varier de quelques nanometres jusqu'à quelques millimètres, ce qui est largement supérieur à ce que les miroirs déformables commerciaux peuvent produire. Toutefois, un inconvénient majeur de ces MDFs est leur réponse non linéaire. Une nouvelle technique qui permet de surmonter ce problème est de superposer un champ magnétique constant et uniforme au champ magnétique produit par les action-neurs. Nous avons fabriqué un MDF à 91 actionneurs qui utilise cette nouvelle technique de linéarisation. Les performances obtenues sont comparables à celles des miroirs déformables disponibles commercialement. Les premiers 36 polynômes de Zernikes ont été produits en utilisant ce miroir et, basés sur nos mesures, nous prévoyons des amplitude maximales sur le front d'onde qui peuvent atteindre plus de 70 [mu]m. La combinaison linéaire de polynômes de Zernike, la reproductibilité au fil du temps, ainsi que l'application de ce MDF à compenser les aberrations de l'oeil humain est présentée.

Les miroirs déformables ont de nombreuses applications dans le domaine des nouvelles technologies, principalement en ce qui concerne la photonique, l'ophtalmologie et l'astronomie. Le type de miroir déformable utilisé présentement pour ces applications présente certaines limites de tailles de la surface réfléchissante et d'amplitude de déformation. Nos travaux de recherche portent sur le développement d'un nouveau type de miroir liquide. L'approche proposée implique le dépôt d'un film souple et réfléchissant (le MELLF) à la surface d'un fluide déformable par un champ magnétique externe (ferrofluide). ce qui pourrait constituer un progrès important dans l'élaboration d'un nouveau type de miroir adaptatif. Un ferrofluide pour un tel système doit posséder certaines propriétés: une bonne susceptibilité magnétique, un faible taux d'évaporation, une stabilité de la suspension des particules et une compatibilité physico-chimique avec le film réfléchissant. Lesliquides magnétiques disponibles commercialement sont très dispendieux et ne rencontrent pas les exigences permettant la déposition d'un film réfléchissant à leurinterface air-liquide. Ce travail porte sur les travaux réalisés pour permettre l'élaboration et lacaractérisation d'un nouveau ferrofluide qui s'avère prometteur dans la réalisation d'unnouveau type de miroir déformable.

Un nouvel algorithme de contrôle de miroir déformable à base de ferrofluide a été proposé afin de répondre à un besoin spécifique des entreprises de fabrication de lentille de précision. Il s'est avéré efficace pour améliorer la précision du contrôle en boucle ouverte par rapport à la méthode usuelle. Il a été estimé que le miroir utilisé pouvait produire une surface avec une fiabilité à X/5, à la condition de porter une attention particulière aux instruments utilisés. Les analyses de reproductivité ont confirmé la faible sensibilité du système aux paramètres potentiellement problématiques et ont permis de déterminer une erreur maximale de 2

Ce travail étudie la possibilité de courber le lobe central d’un faisceau Bessel d’ordre zéro sur de longues distances le long de son axe de propagation à l’aide d’un miroir liquide déformable. La méthode suggérée est fixe de sorte qu’aucun élément optique ne se déplace lors du processus. La méthode permet de conserver la symétrie du lobe central lors de la trajectoire du faisceau. Des simulations théoriques ont été développées et montrent que différentes formes de courbures de trajectoires peuvent être produites. Plusieurs méthodes de production de faisceaux à trajectoires courbées ont été étudiées; citons les masques en transmission, les éléments optiques holographiques et les miroirs liquides déformables. Les résultats obtenus avec le miroir liquide déformable sont présentés et permettent, par exemple, de produire un faisceau Bessel d’ordre zéro Jo(αr) à trajectoire parabolique pouvant courber de 0,6 mm après une distance de propagation de 30 cm tout en conservant une largeur à mi-hauteur de 60 microns au niveau du lobe central. Des faisceaux avec des courbures de trajectoire d’ordre supérieur ont également été produits. Il a aussi été possible de séparer le lobe central d’un faisceau en deux lors de sa propagation et de faire courber un faisceau Bessel d’ordre 1 J₁(αr). Cette méthode est tout attitrée pour permettre l’inscription de guides d’onde courbés. / We propose a strategy to curve the trajectory of the central lobe of a zero order Bessel beam Jo(αr) along its propagation axis. The proposed method involves modifying the phase of the beam incident on an adaptive mirror. We show that the central lobe of the beam can be propagated along parabolic and cubic trajectories while preserving its symmetry. Theoretical simulations were reproduced in laboratory using an adaptive liquid mirror. The parabolic trajectory of the 60-micron central spot of a Jo(αr) beam exhibits a 0.6-mm off axis shift after 30-cm propagation. The versatility of the adaptive liquid mirror allows producing other beam shapes and trajectories. For example, it is possible to split the central lobe of a Bessel beam in two (Y shape); it is also possible to modify the diameter of a tunnel beam during the propagation a higher-order J₁(αr) Bessel beam. Comparison with Airy beams and potential applications in guided-wave optics will be discussed.

Le sujet de cette thèse est la caractérisation dynamique d’une surface générée par plusieurs actionneurs d’un miroir ferrofluidique intégré dans un montage d’optique adaptative.Elle conclut un projet de doctorat au sein du groupe Borra s’étant échelonné sur 4 années. Un bref portrait général de l’optique adaptative est d’abord présenté, suivi d’une section sur la théorie du contrôle. Les types de contrôleurs y sont abordés, soit PID et surcharge. L’effet de la viscosité sur la réponse dynamique du système, ainsi que les analyseurs de front d’onde utilisés sont ensuite expliqués. La section résultats est subdivisée en plusieurs sous-sections ordonnées de façon chronologique. Dans un premier temps, il est question des résultats obtenus dans le cadre d’une caractérisation d’un nouveau miroir de 91 actionneurs fabriqué au sein du groupe. Il est ensuite question des résultats obtenus avec diverses techniques telles le PSD et l’imagerie déclenchée. Il y aura toute une section sur les résultats en vitesse, en fonction de la viscosité du liquide, suivie d’une section sur les simulations réalisées avec Simulink afin de bien cibler les limites du système. Les résultats portant sur la technique de surcharge des actionneurs seront ensuite présentés avec des projections futures. La dernière partie de cette thèse portera sur une innovation apportée par un autre membre du groupe. Nous parlerons de la déposition d’une membrane élastomère réfléchissante et de ses effets sur la dynamique du système. / The subject of this thesis is the dynamic characterization of a surface generated by a ferrofluidic mirror integrated in an adaptive optics bench. It ends a PhD project within the Borra group that has been carried out for the past 4 years. At first there’s going to be a brief overview of adaptive optics in general, followed by a section on control theory. Controller types are discussed, PID and overdrive. The effect of viscosity on the dynamic response of the system is then explained followed by a section on wavefront analysers used. The results section is divided into several sub-sections ordered chronologically. At first, the results obtained through a characterization of a new mirror made of 91 actuators manufactured within the group are discussed. The results with various techniques such as PSD and triggered imaging are explained. There will be a whole section on the speed results depending on the viscosity of the liquid, followed by a section on simulation done with Simulink in order to target the system boundaries. The results bearing on the overdrive controller will then be presented with future projections. The last part will focus on an innovation brought by another group member. We will discuss the deposition of a reflective elastomeric membrane and its effects on system dynamics.

L'optique adaptative est une technique consistant à faire réfléchir un front d'onde perturbé à la surface d'un miroir déformable afin de le corriger. La surface d'un ferrofluide est déformable par un champ magnétique permettant son utilisation dans un dispositif d'optique adaptative. Les MeLLFs, constitués d'un film de nanoparticules d'argent à l'interface air-eau stabilisées par un ligand dithiocarbamate sont utilisés pour augmenter la réflectivité des dispositifs. Dans ce projet de maitrise, plusieurs techniques ont été utilisées pour comprendre quels paramètres rendent les MeLLFs plus réfléchissants. Ainsi, des analyses Uv-Visible ont été utilisées pour la détermination de la réflectivité et de l'opacité des MeLLFs. La spectroscopie Raman a été utilisée pour caractériser la fonctionnalisation des nanoparticules par les ligands. Finalement, la microscopie électronique en transmission (MET) a été utilisée pour déterminer la taille des particules et la densité de particules à la surface.

Les axicons ont mené à de nombreux articles dans la littérature depuis l'invention de ce terme. Toutefois, ce n'est que récemment que les axicons coniques sont devenus populaires et fréquemment utilisés en laboratoire. Ces éléments, le plus souvent de profil conique, sont généralement fabriqués en verre, ce qui rend impossible de varier l'angle du cône, paramètre le plus critique dans la formation du faisceau de Bessel. Gagner ce degré de liberté permettrait de varier la taille et la longueur du faisceau de Bessel dynamiquement. Cela ouvrirait la porte à de nouvelles applications et permettrait de faire plusieurs expériences en n'achetant qu'un seul axicon. Le miroir déformable ferrofluidique sur lequel notre groupe de recherche travaille depuis plusieurs années pourrait générer un tel axicon en réflexion. Contrairement aux autres miroirs déformables sur le marché, ce miroir atteint de grandes amplitudes de déformations et ne génère pas d'hystérésis, ce qui explique pourquoi les miroirs déformables conventionnels n'ont pas déjà conduit à un axicon déformable satisfaisant. Ce mémoire détaille un peu de théorie utile, mais surtout les simulations et les expériences qui ont mené au résultat final. Nous avons produit un axicon conique en réflexion dont l'angle varie de 0.004 à 0.157 degré. Il est donc possible de faire un axicon dont l'angle varie linéairement et de façon continue en utilisant un miroir déformable ferrofluidique. Des travaux futurs pourront agrandir la plage d'angles atteinte par le miroir et peut-être produire d'autres formes d'axicon variable comme des axicons elliptiques ou logarithmiques.

Ce travail consiste à démontrer l'intérêt d'utiliser des liquides magnétiques (ferrofluides) pour la fabrication de miroirs déformables dont la surface est modifiable par un champ magnétique. Une partie de ce travail consiste en une amélioration technologique d'un concept de miroir déformable à base de ferrofluide développé par Laird en 2005. Après avoir introduit le concept de miroir déformable ferrofluidique et présenté les constituants de base d'un système d'optique adaptative, nous explorons les nouvelles applications de l'optique adaptative qui ont vu le jour au cours des dix dernières années. Ces nouvelles applications ont crée un besoin pour le développement de nouveaux miroirs déformables à faible coût et possédant des caractéristiques différentes des systèmes classiques utilisés initialement pour l'astronomie. Nous incluons ensuite un chapitre traitant des technologies existantes de miroirs déformables. Un chapitre entier suit afin d'établir les bases théoriques et les techniques utilisées pour simuler le comportement spatial de ces miroirs. Trois types de miroirs déformables ferrofluidiques sont présentés dans ce chapitre et reposent tous sur l'utilisation de boucles de courant et/ou de réseaux de fils comme sources de champ magnétique. Ensuite, le comportement spatial de ces miroirs déformables est étudié expérimentalement à l'aide de trois prototypes conçus dans notre laboratoire. Nous présentons aussi dans ce chapitre des exemples d'applications de ces miroirs pour la correction d'aberrations statiques, introduites dans un système optique par le désalignement de composantes optiques ou la présence d'éléments aberrants. En dernier lieu, nous discutons des résultats obtenus avec ces prototypes, nous introduisons quelques applications potentielles pour ces miroirs déformables et présentons les avantages et inconvénients d'une telle technologie. / This work shows the usefulness of using magnetic liquids (ferrofluids) for the fabrication of deformable mirrors whose surface can be shaped by magnetic fields. Part of this work consists of a technological improvement of a concept of ferrofluidic deformable mirror developed by Laird in 2005. After an introduction on the concept of the ferrofluidic deformable mirror, we present the basic components of an adaptive optics System. Next, we explore new applications of adaptive optics that have emerged during the last decade. These new applications have created an interest in the design of affordable deformable mirrors with characteristics different from those commonly used in Astronomy. We then present a chapter discussing of existing technologies of deformable mirrors. The following chapter is devoted to the theoretical basis and the techniques used to simulate the spatial behavior of these ferrofluidic deformable mirrors. Three types of mirrors are presented in this chapter, each of which use current loops and/or wire network as sources of magnetic field. The spatial behavior of these deformable mirrors is studied in experiments using three prototypes designed in our laboratory. In this chapter, we also present applications of these mirrors for the correction of static aberrations, introduced to an optical System by the misalignment of the components or the presence of aberrant elements. Lastly, we discuss results obtained for these prototypes and introduce potential applications of these deformable mirrors, presenting the advantages and disadvantages of such a technology.