L'arrivée au début du millénaire des métasurfaces offre une approche novatrice à la manipulation des ondes électromagnétiques. De l'interaction du front d'onde incident et des méta-atomes, structures fondamentales de la métasurface, émerge des propriétés optiques exotiques que l'on ne retrouve pas chez des matériaux ordinaires. Bien que cette technologie promette de s'affranchir des limitations de l'optique classique, l'intégration de métasurfaces à des systèmes optiques déjà existants demeure une avenue peu explorée. Toutefois, de récents développements dans la modélisation de métasurfaces auraient le potentiel de promouvoir cette intégration. En effet, par la conjonction de modèles et d'outils de conception optique traditionnelle, il serait possible d'extraire efficacement les propriétés optiques de métasurfaces au cœur d'un système optique complexe. Ce projet propose donc une méthode d'intégration des métasurfaces en conception optique grâce à des modèles semi-analytiques permettant de caractériser des structures rectangulaires et cylindriques agissant comme méta-atomes. De cette façon, les propriétés des méta-atomes utiles à la conception optique ont pu être étudiées. En plus de pouvoir obtenir les dimensions de structures permettant à la métasurface d'opérer adéquatement, les comportements de ces structures sous différentes conditions d'illumination ont été établis. Des analyses subséquentes sur la performance et la dispersion chromatique de métalentilles ont révélé des particularités fondamentalement distinctes de l'optique classique. Pour conclure, une démonstration de systèmes combinant métasurfaces avec éléments réfractifs a servi de preuve de concept pour la méthode proposée de conception optique exploitant les métasurfaces de manière avantageuse. / The arrival at the beginning of the millennium of metasurfaces offers an innovative approach to the manipulation of electromagnetic waves. From the interaction of the incident wavefront and the meta-atoms, fundamental structures of the metasurface, emerge exotic optical properties not found in ordinary materials. Although this technology promises to overcome the limitations of conventional optics, the integration of metasurfaces into existing optical systems remains an unexplored avenue. However, recent developments in metasurface modelling have the potential to promote this integration. Indeed, by combining models and traditional optical design tools, it would be possible to efficiently extract the optical properties of metasurfaces within a complex optical system. This project proposes a method for integrating metasurfaces in optical design using semi-analytical models to characterize rectangular and cylindrical structures acting as meta-atoms. In this way, the properties of meta-atoms useful for optical design could be studied. In addition to being able to obtain the dimensions of structures allowing the metasurface to operate adequately, the behavior of these structures under different illumination conditions has been established. Subsequent analyzes of the performance and chromatic dispersion of metalenses have revealed features fundamentally distinct from conventional optics. To conclude, demonstrations of systems combining metasurfaces with refractive elements served as proof of concept for the proposed method of optical design exploiting metasurfaces in an advantageous way.

Adaptive optical systems have applications in various domains: imaging (zoom and autofocus), medicine (endoscopy, ophthalmology), virtual and augmented reality. Liquid crystal-based lenses have become a big part of adaptive optics industry as they have numerous advantages in comparison with traditional methods. Despite significant progress made over the past decades, certain performance and production limitations still exist. This thesis explores ways of overcoming these problems, considering two types of tunable lenses: liquid crystal lens using dielectric dividing principle and modal control lens.The introduction of this thesis presents the theory of liquid crystals and adaptive lenses, addressing existing liquid crystal lenses as well.In the first and second chapters of this work we demonstrate the results of theoretical modeling of double dielectric optically hidden liquid crystal lens design. We have studied the influence of geometrical parameters, such as thickness of liquid crystal cell, shape and dimensions of dielectrics forming the optically hidden layer, on the optical power of the lens. The dependences of optical power on the relative permittivity and conductivity of dielectrics were obtained. The behavior of such a lens in the presence of temperature variation was analyzed. We have further extended the concept of hidden dielectric layer to exploration of microstructures. Two systems of microlenses and microprisms have been simulated. The comparison of optical phase modulation dependence on spatial frequency of microstructures was obtained. Deviations from ideal wavefronts were evaluated in both cases. We also compared proposed designs with a standard interdigital electrode approach. Suggested devices could be used for continuous light steering or as tunable microlens arrays. In the third and fourth chapters we present our studies of tunable lenses based on modal control principle. We verified simulation results by comparing them with experimentally obtained dependences of optical power and root mean square spherical aberrations. We have explored the following modifications of conventional modal control lens: 1) additional powered ring electrode; 2) floating disk electrode; 3) combination of the first two cases. The influence of each modification was studied and explained. Simulation results showed that using the combination of additional electrodes along with optimal powering technique -the wavefront could be corrected within the entire clear aperture of the lens. Modified lens meets low aberration requirements for ophthalmic applications (for example,intraocular implant). Finally, a new design of a wide aperture tunable modal control Fresnel lens was investigated. Imaging performance of the proposed Fresnel lens was evaluated and compared with the reference lens built using traditional modal control approach. The prototype device demonstrated the increase of optical powerin comparison with a conventional modal control lens of the same aperture size. A theoretical model and numerical simulations of the Fresnel lens design were presented. Simulations demonstrated a possibility of noticeable image quality improvement obtained using optimized voltages and frequencies.

Concevoir une lentille, que ce soit pour l'astronomie, la microscopie ou la vision numérique, est un problème de taille visant à trouver un compromis idéal entre la qualité d'image et les différentes contraintes. Par une procédure d'essais-erreurs, une approche typique consiste à sélectionner un point de départ parmi une banque de designs optiques puis à l'optimiser dans l'espoir de satisfaire les présents requis. Cette approche n'exploite pas pleinement la montagne d'information contenue dans les banques de designs : un seul de ces designs contribue au problème à la fois, et seulement s'il répond approximativement aux spécifications et à la configuration désirée. Comment peut-on faire mieux ? L'hypothèse de départ de cette thèse est que l'on peut utiliser l'apprentissage automatique pour extraire et exploiter les caractéristiques communes aux designs de haute qualité que l'on retrouve dans ces banques de données. Concrètement, ces designs conçus par des experts contribuent à l'entraînement d'un modèle d'apprentissage profond qui prend en entrée les spécifications désirées et retourne tous les paramètres nécessaires pour modéliser une lentille. Le contenu de cette thèse, qui détaille le développement de ce cadre d'extrapolation de lentilles, peut se résumer en trois principales contributions. Premièrement, nous définissons et validons un objectif d'entraînement qui compense pour la rareté des données disponibles, soit en intégrant le problème d'optimisation de lentilles directement à la boucle d'entraînement du modèle. Deuxièmement, nous élaborons un modèle dynamique qui acquiert une représentation commune pour toutes les lentilles indépendamment de leur configuration, ce qui nous permet d'extrapoler la banque de designs pour générer des lentilles sur de nouvelles configurations. Troisièmement, nous ajustons le cadre pour refléter le caractère multimodal de la conception afin d'inférer plusieurs lentilles de structures différentes pour n'importe quel ensemble de spécifications et de configuration de lentille. Avec une portée adéquate et un entraînement réussi, ce cadre d'extrapolation de lentilles représente un outil inédit pour la conception optique : une fois le modèle déployé, il permet d'obtenir sur demande des points de départ de haute qualité, variés et sur mesure, et ce, en un temps minimal. / Designing a lens, whether for astronomy, microscopy, or computer vision, is a challenging task that seeks an ideal balance between image quality and various constraints. Through a trial-and-error process, a typical approach consists in selecting a starting point in a lens design database and optimizing it to hopefully satisfy the problem at hand. This approach, however, does not fully harness the wealth of information contained in lens design databases: only one such design contributes to the problem at a time, and only if it approximately meets the desired specifications and configuration. How can we do better? The premise of this work is that machine learning can be used to extract and exploit the common features of the high-quality designs contained in lens design databases. Specifically, the expertly conceived designs that compose these databases are used to guide the training process of a deep learning-based model, which receives the design specifications as input and returns all the parameters needed to fully represent a lens. The content of the thesis, which details the development of this lens design extrapolation framework, can be summarized in three main contributions. First, we define and validate a training objective that compensates for the scarcity of available data, by integrating the lens optimization problem directly into the model training loop. Second, we develop a dynamic model that acquires a common representation for all lenses regardless of their configuration, allowing us to extrapolate the lens database to generate lenses on new, unseen configurations. Third, we extend the framework to capture the multimodal nature of lens design, so that multiple lenses with different structures can be inferred for any given set of specifications and configuration. With a suitable scope and a successful training process, this lens design extrapolation framework offers a new and valuable tool for lens designers: once the model is deployed, only a minimal amount of time is required to obtain varied, high-quality starting points that are tailored to the desired specifications.

Les lentilles à cristaux liquides sont l'un des éléments clés de l'optique adaptative. Elles sont activement développées pour les applications d'imagerie dans des domaines tels que la microscopie, la réalité augmentée, l'ophtalmologie et l'astronomie. Ces lentilles offrent plusieurs avantages par rapport aux méthodes traditionnelles, notamment leur ajustabilité et leur adaptabilité. Cependant, certaines limitations subsistent dans leurs performances et leur production, telles qu'une plage de puissance optique limitée, une sensibilité à la température et une complexité de fabrication. Cette thèse contribue à la recherche en cours sur les lentilles à cristaux liquides et leur potentiel de révolutionner l'optique adaptative. En abordant les limitations et en proposant de nouveaux designs, elle ouvre des opportunités pour une imagerie améliorée, une correction de la vision avancée et des dispositifs optiques avancés pour les technologies de nouvelle génération. Dans la section Introduction, la théorie des cristaux liquides et les lentilles à cristaux liquides existantes sont discutées, ainsi que certains aspects importants de leur fabrication. Le Chapitre 1 présente un dispositif à indice de réfraction gradient ajustable électriquement basé sur des électrodes serpentines en oxyde d'indium-étain. Nous démontrons expérimentalement que le dispositif est capable de générer différentes fonctions optiques, notamment des lentilles sphériques standard, des axicons, des lentilles cylindriques et des prismes. L'absence de couche semi-conductrice ou organique faiblement conductrice dans ce design offre un avantage économique significatif, ainsi qu'une fiabilité environnementale et une stabilité thermique accrues pendant son fonctionnement. Le Chapitre 2 détaille un nouveau design d'une lentille à cristaux liquides ajustable électriquement capable de produire une large gamme de formes de fronts d'onde. Cela inclut la modulation de phase de type sombrero, permettant la focalisation de la lumière dans une distribution d'intensité en forme d'anneau, ainsi que des axicons et des lentilles sphériques standard avec une réponse bipolaire (fournissant à la fois des puissances optiques positives et négatives). Ce design présente de nombreux avantages tels qu'une fabrication simple, une petite taille, une consommation d'énergie plus faible, un faible coût. Le Chapitre 3 étend le design précédent (Chapitre 2), en proposant une lentille à cristaux liquides ajustable électriquement capable de créer dynamiquement des profils de fronts d'onde symétriques. Divers fronts d'onde, y compris non monotone, sont prédits théoriquement et démontrés expérimentalement. La performance optique des dispositifs est caractérisée expérimentalement dans un schéma d'imagerie. La lentille proposée peut être intégrée dans des caméras miniatures modernes pour fournir d'énormes avantages en augmentant la qualité des images enregistrées via la génération de formes de fronts d'onde souhaitées, en modifiant le foyer etc. / Liquid crystal lenses are one of the critical elements of the adaptive optics. They are actively developed for imaging applications across fields like microscopy, augmented reality, ophthalmology, and astronomy. These lenses offer several advantages over traditional methods, including tunability and adaptability. However, certain limitations remain in their performance and production, such as a limited optical power range, temperature sensitivity, and manufacturing complexity. This thesis contributes to the ongoing research of liquid crystal lenses and their potential to revolutionize adaptive optics. Addressing limitations and proposing new designs opens opportunities for improved imaging, advanced vision correction, and advanced optical devices for next-generation technologies. In the Introduction section, the theory of liquid crystals and existing liquid crystal lenses are discussed, along with some essential aspects of their fabrication. Chapter 1 introduces an electrically tunable gradient refractive index device based on serpentine electrodes made of indium tin oxide. We experimentally demonstrate that the device can generate diverse optical functions, including standard spherical lenses, axicons, cylindrical lenses, and prisms. The absence of a semiconductor or organic weakly conductive layer in this design provides a significant cost advantage and greater environmental reliability and thermal stability during its operation. Chapter 2 details a new electrically tunable liquid crystal lens design capable of producing a wide range of wavefront shapes, including sombrero-type phase modulation, enabling the focusing of light into a ring-shaped intensity distribution, as well as axicons and standard spherical lenses with bipolar response (providing both positive and negative optical powers). This design has numerous advantages, such as simple fabrication, small size, lower power consumption, and low cost. Chapter 3 extends the earlier design (Chapter 2), offering an electrically tunable liquid crystal lens capable of dynamically creating symmetric wavefront profiles. Various wavefronts, including non-monotonic, are predicted theoretically and demonstrated experimentally. The optical performance of the devices is characterized experimentally in an imaging scheme. The proposed lens can be integrated into modern miniature cameras to provide huge advantages by increasing the quality of recorded images via generating desired wavefront forms, changing the focus, etc.

L'arrivée au début du millénaire des métasurfaces offre une approche novatrice à la manipulation des ondes électromagnétiques. De l'interaction du front d'onde incident et des méta-atomes, structures fondamentales de la métasurface, émerge des propriétés optiques exotiques que l'on ne retrouve pas chez des matériaux ordinaires. Bien que cette technologie promette de s'affranchir des limitations de l'optique classique, l'intégration de métasurfaces à des systèmes optiques déjà existants demeure une avenue peu explorée. Toutefois, de récents développements dans la modélisation de métasurfaces auraient le potentiel de promouvoir cette intégration. En effet, par la conjonction de modèles et d'outils de conception optique traditionnelle, il serait possible d'extraire efficacement les propriétés optiques de métasurfaces au cœur d'un système optique complexe. Ce projet propose donc une méthode d'intégration des métasurfaces en conception optique grâce à des modèles semi-analytiques permettant de caractériser des structures rectangulaires et cylindriques agissant comme méta-atomes. De cette façon, les propriétés des méta-atomes utiles à la conception optique ont pu être étudiées. En plus de pouvoir obtenir les dimensions de structures permettant à la métasurface d'opérer adéquatement, les comportements de ces structures sous différentes conditions d'illumination ont été établis. Des analyses subséquentes sur la performance et la dispersion chromatique de métalentilles ont révélé des particularités fondamentalement distinctes de l'optique classique. Pour conclure, une démonstration de systèmes combinant métasurfaces avec éléments réfractifs a servi de preuve de concept pour la méthode proposée de conception optique exploitant les métasurfaces de manière avantageuse. / The arrival at the beginning of the millennium of metasurfaces offers an innovative approach to the manipulation of electromagnetic waves. From the interaction of the incident wavefront and the meta-atoms, fundamental structures of the metasurface, emerge exotic optical properties not found in ordinary materials. Although this technology promises to overcome the limitations of conventional optics, the integration of metasurfaces into existing optical systems remains an unexplored avenue. However, recent developments in metasurface modelling have the potential to promote this integration. Indeed, by combining models and traditional optical design tools, it would be possible to efficiently extract the optical properties of metasurfaces within a complex optical system. This project proposes a method for integrating metasurfaces in optical design using semi-analytical models to characterize rectangular and cylindrical structures acting as meta-atoms. In this way, the properties of meta-atoms useful for optical design could be studied. In addition to being able to obtain the dimensions of structures allowing the metasurface to operate adequately, the behavior of these structures under different illumination conditions has been established. Subsequent analyzes of the performance and chromatic dispersion of metalenses have revealed features fundamentally distinct from conventional optics. To conclude, demonstrations of systems combining metasurfaces with refractive elements served as proof of concept for the proposed method of optical design exploiting metasurfaces in an advantageous way.

L'observation du Soleil à haute résolution angulaire est d'une grande importance en astronomie. Dans ce contexte, je montre les effets de la turbulence optique sur les images solaires, notamment sur les mesures astrométrique du diamètre solaire en longue pose. Je propose, dans l'approximation des faibles perturbations, une modélisation des fluctuations d'angle d'arrivée locales chromatiques et polychromatiques qui a des retombées directes pour les observations diurnes de la turbulence optique. Afin d'extraire les fluctuations d'angle d'arrivée à partir des images courte pose du bord solaire, je propose une approche efficace et stable qui consiste en une intégration photométrique saturée avec test de l'anisoplanétisme local. Cette méthode améliore l'efficacité des méthodes précédentes. Elle a aussi des retombées sur la mesure du diamètre solaire en longue pose et la définition du diamètre photométrique. Une autre manière de mesurer les fluctuations d'angle d'arrivée de jour est de le faire dans le plan conjugué de la pupille. J'étudie cette approche avec sa validité et ses limites. Comme application directe on présente le concept d'un moniteur profileur de la turbulence optique basse altitude. Une autre partie importante de mon travail est la modélisation de la variation temporelle de la turbulence optique en introduisant le bouillonnement propre. Le modèle théorique que je propose est présenté avec des exemples liés à des techniques diverses de l'observation à haute résolution angulaire (interférométrie, optique adaptative...) en présence de turbulence optique.

La réduction des dimensions des composants en microélectronique impose d'améliorer constamment la résolution ultime des dispositifs de lithographie. Cependant, ces évolutions deviennent de plus en plus difficiles et coûteuses à mettre en oeuvre et pourraient favoriser l'apparition de techniques de lithographie alternatives, comme la lithographie assistée par plasmons de surface. L'objectif de cette thèse a consisté à évaluer les performances, les contraintes et par conséquent les applications possibles et les conditions d'utilisation de cette nouvelle technique. En se focalisant sur les propriétés intrinsèques des films minces métalliques, deux approches complémentaires ont ainsi été développées. La génération d'un champ d'interférences plasmonique a tout d'abord conduit à l'impression, dans une couche de résine photosensible, de motifs relativement complexes mais de résolution limitée; La réalisation d'une lithographie haute résolution assistée par plasmons de surface a ensuite été abordée à travers la conception d'une nanosource optique compacte et efficace, la géométrie obtenue pouvant également être adaptée pour générer des motifs arbitraires ou réaliser une source accordable en longueur d'onde. Les différents résultats indiquent que cette technique de champ proche bas coût serait particulièrement bien appropriée à des besoins de lithographie ponctuels et/ou spécifiques, mais que les systèmes étudiés pourraient aussi être utilisés pour d'autres applications, comme le stockage optique par exemple.

Dans cette thèse, nous étudions le routage multicast tout optique (AOMR) dans les réseaux WDM. Notre objectif est de trouver un ensemble de structures de diffusion, par exemple un arbre optique ou une forêt optique, pour distribuer des messages multicast vers toutes les destinations en même temps, soit en tenant compte du délai de bout en bout et du stress des liens soit en minimisant le coût total ou le budget en puissance. En ce qui concerne l'AOMR qui tient compte à la fois du délai et du stress des liens, un algorithme efficace évitant les nœuds de branchement ne pouvant pas dupliquer la lumière dans des arbres optiques est proposé. Cet algorithme améliore le délai de bout en bout sur les arbres optiques et trouve un bon compromis entre le délai, le stress des liens et le coût total. En ce qui concerne l'AOMR qui considère la puissance, un nouveau modèle plus précis et plus réaliste de la perte de puissance est introduit lors de la mise en œuvre d'une session multicast. Il distingue deux types de perte de puissance : la partie ponctionnée par les nœuds optiques intermédiaires pour un éventuel monitorage et la partie ponctionnée par les destinations pour la récupération des messages multicast. Basé sur ce nouveau modèle, nous proposons un calcule des arbres optiques optimisant la puissance de l'émetteur réalisé à partir d'une programmation linéaire mixte en nombres d'entiers (MILP). Pour y parvenir, un ensemble d'équations linéaires est introduit pour remplacer les équations non-linéaires induites par les coupleurs optiques. Pour analyser les algorithmes heuristiques de l'AOMR et évaluer leurs performances, nous proposons une analyse mathématique des résultats. Dans notre analyse, nous établis- sons les bornes de coût des routes et les ratios d'approximation des algorithmes dans les réseaux maillés WDM pondérés et non-pondérés. Pour le routage multicast optique de coût minimal, une nouvelle structure appelée hiérarchie optique est proposée. Il est prouvé que la structure optimale n'est pas toujours un arbre optique, mais une hiérarchie optique. Le calcul de la hiérarchie optique est modélisé sous forme d'une ILP. Ce calcul exact permet d'obtenir la solution optimale pour les petites instances. Dans les réseaux WDM à grande échelle, une heuristique efficace utilisant une stratégie de renouvellement du graphe est proposée. Les résultats de simulation justifient l'emploi de la hiérarchie optique pour l'AOMR dans les réseaux WDM avec une capacité clairsemée de duplication.

En propagation endo-atmosphérique et sur des longues distances (supérieure à quelques kilomètres), les effets de la turbulence atmosphérique sont importants pour les liaisons de télécommunication optique en espace libre (LOA). Le champ de l'onde subit des perturbations de phase qui modulent l'intensité reçue par le récepteur, dans des proportions pouvant être rédhibitoires pour la fiabilité de la liaison. La pré-compensation du champ émis à l'aide d'une optique adaptative (OA) a été proposée afin de limiter cet effet et de permettre d'augmenter la distance de propagation ainsi que le débit des LOA. L'objectif de cette thèse est d'évaluer les performances et les limites, en termes d'efficacité vis-à-vis des LOA, des différentes méthodes de corrections par OA et d'étudier la possibilité de concepts plus efficaces. Nous avons montré qu'une approche itérative de correction de phase et d'amplitude - qualifiée de correction optimale - permet d'atteindre des performances excellentes, la meilleure parmi les approches proposées jusque-là. L'étude de cette approche théorique, nous a permis de fixer les limites de l'apport d'un système d'OA et de montrer que la correction a encore un intérêt largement au-delà de la limite des faibles perturbations. Dans le régime de fortes turbulences, nous montrons les limites des approches classiques - OA par mesure de front d'onde (ASO), par modulation de phase ou itérative de phase (qualifiée de sous-optimale) - notamment à cause de la scintillation, des enroulements de phase et de la présence de bruit de mesure. Nous avons quantifié la baisse de leurs performances vis-à-vis de la correction optimale et proposé une solution permettant de s'affranchir des effets de la scintillation sur la mesure de front d'onde. Nous avons finalement proposé un dispositif pour la pré-compensation de phase et d'amplitude et plus particulièrement de la mesure et de la commande qui devrait permettre de mettre en œuvre la correction optimale.

Après avoir introduit les spécificités des différents outils de CAO optiques existants, on contribue au développement d'une approche orientée "Circuit" basée sur l'utilisation de matrices-S, après sa généralisation, pour les composants optiques grâce à l'utilisation du formalisme de la matrice de Jones.<br />Plusieurs composants passifs tels que guide, miroir, isolateur ou encore coupleur optique ont été modéléisés tout d'abord de manière descriptive, puis de manière plus technologique en insérant dans chacun des modèles les spécificités liées à la technologie de fabrication. Nous générons ainsi une bibliothèque de composants à base de fibre optique, d'optique intégrée sur verre ou encore à base de semi-conducteur.<br />Cette bibliothèque de composants est ensuite implémentée dans un simulateur RF de type "Circuit" nous permettant de simuler des circuits optiques. Plusieurs exemples sont étudiés parmi lesquels des interféromètres de Fabry-Perot ou de Mach-Zehnder, des filtres en longueurs d'ondes ou encore des circuits intégrés sur verre.