La présente thèse de doctorat rapporte une étude expérimentale sur la réflexion résonante de la lumière dans des structures hélicoïdales à bande photonique interdite. Plusieurs aspects optiques et électro-optiques des cristaux liquides cholestériques sont abordés en concentrant l’attention sur deux effets principaux: l’influence des conditions aux limites (mécaniques et optiques) sur les propriétés optiques des couches de cristaux liquides cholestériques et le contrôle de la bande interdite de ces dernières. On présente un élément à double-rétroaction optique basé sur une cavité de Fabry-Pérot remplie de cristal liquide cholestérique. Les propriétés spectrales et de polarisation de cet élément sont caractérisées expérimentalement et par des simulations théoriques. Un changement mineur dans la structure en haut (cavité de Fabry-Pérot) nous a permis d’obtenir une transmission non-réciproque de la lumière sans application d’un champ externe à l’élément en question. Nous avons observé une transmission non-réciproque de la lumière par un système qui ressemble beaucoup aux structures naturelles observées sur certaines carapaces d’insectes (par exemple, sur les élytres de certains coléoptères): une simple couche de matière transparente linéaire dans son état fondamental. L’effet est défini par deux facteurs principaux: la chiralité et la périodicité de la matière ainsi que les conditions asymétriques aux surfaces limites. Concernant la partie sur le contrôle de la bande interdite, nous présentons la création et l’utilisation du mélange de cristal liquide cholestérique à deux fréquences pour le ‘déroulement’ et la reconstruction dynamique de la structure hélicoïdale. Le processus de reconstruction est accéléré d’un ordre de grandeur par l’application de champs électriques modérés. L’étape suivante du contrôle de la bande interdite est l’accord en longueur d’onde de la bande interdite. Un effet électromécanique est utilisé pour générer et étudier l’auto-adaptation du pas d’hélice de la couche de cristal liquide cholestérique. L’anisotropie négative diélectrique a permis d’assurer la stabilisation de la structure hélicoïdale de la couche pendant l’application du champ électrique qui a aussi changé l’épaisseur de la couche de cristal liquide en pliant un des substrats minces de la cellule. Cette déformation de la couche a généré un d’accord (et des sauts) des longueurs d’onde de la bande interdite. Les études spectrales et morphologiques pendant les changements de la bande interdite sont présentées et discutées. / The present PhD thesis reports experimental study of resonant reflection in helicodal photonic band gap structures. Several optical and electro-optical properties of cholesteric liquid crystals are investigated where attention was concentrated on two principal phenomena: the influence of mechanical and optical boundary conditions on optical properties of cholesteric liquid crystal layers and control of photonic band gap of cholesteric liquid crystals. The creation of a double-feedback optical element based on a Fabry-Perot cavity filled with a planar aligned cholesteric liquid crystal mixture is presented. The polarization and spectral properties of this element are characterized experimentally and simulated theoretically. Experimental results are obtained for the transmittance dependence upon the orientation of the linear polarization plane and the polarization state of incident probe beam. A slight change in above mentioned structure (Fabry-Perot cavity) let us obtain a non-reciprocal transmittance of light without applying any external field. We observed an optical non reciprocity in a material system that is very close to natural structures, such as insect skin: a single layer of linear transparent material in its ground state. The process is shown to be defined by two key parameters: the chiral and periodic nature of the material and its asymmetric boundary conditions. In the part of band gap control, we present the creation and the use of dual frequency cholesteric liquid crystal mixtures for the dynamic electrical unwinding and forced (accelerated) restoring of their molecular helix. The restoring process is accelerated almost by an order of magnitude for quite moderate voltages used. The next step of band gap control is the tuning of band gap (wavelength). Strong electromechanical effect was used to generate and study self-adaptation and pitch jumps in a layer of cholesteric liquid crystal. The negative dielectric anisotropy of the material allowed its stabilization by the electric field and important thickness changes, achieved thanks to the use of a very thin substrate, allowed the observation of multiple dynamic jumps at fixed deformation conditions. Spectral and morphological studies of the material during those jumps were performed and are presented.

Le sujet d’étude de cette thèse porte sur la recherche et le développement d’une couche antireflet (ARC) qu’il serait possible de déposer sur des surfaces à structure particulière (non plane). Plus spécifiquement, il s’agit de surfaces d’éléments optiques utilisés dans des systèmes de concentrateurs photovoltaïques (CPV). Ce projet de recherche a été initié par la compagnie Opsun Technologies Inc. suite à un constat de phénomène de réflexion introduite à l’ajout d’éléments optiques hautement focalisant dans leur système de CPV (que l’on va appeler HCPV par la suite). En effet, pour concentrer le rayonnement solaire sur une cellule photovoltaïque (PV), il est nécessaire d’ajouter une lentille focalisant le rayonnement (lentille de Fresnel). De plus, afin de se garantir une réception de tout le rayonnement nécessaire à la cellule PV, une composante de type guide d’onde est ajoutée. A la fois pour l’homogénéisation du rayonnement incident sur la cellule, mais surtout (dans le cas d’Opsun) pour avoir un angle d’acceptance (du rayonnement focalisé) plus large (±3.2° au lieu des ±0,5° à ±1° usuels). Ainsi, le phénomène de réflexion qui se produit à la surface de cet élément optique, lui enlève toute propriété pour laquelle il a été prévu. Le but du projet consiste alors en l’élimination de ces réflexions en utilisant une méthode de production et de déposition d’ARC, qui soit industrialisable. Dans un premier temps, différents moyens de production et de déposition d’ARC déjà existant ont été investigués. Toujours gardant en tête qu’ils doivent pouvoir être appliqués sur des surfaces particulières tout en restant industrialisables par la suite. Nos études nous ont montrées que ces méthodes classiques ne remplissent pas la condition exigée. Il a alors été décidé de rechercher des moyens de production d’ARC basées sur l’utilisation de nanostructures (NS) ou encore des couches à base de nanoparticules (NP). Dans un deuxième temps, une ARC composée de NS (fournit par l’institut Fraunhofer) a été étudiée en condition de laboratoire afin de connaître ses propriétés optiques (transmission, réflexion, diffusion). Ceci fait, la NS a été introduite dans le système HCPV et des mesures de rendement électrique ont alors été réalisées en temps réel. La NS a bien démontré une diminution de la réflexion sur l’ensemble de la longueur d’onde que nous visions (380-1500nm) qui a augmenté de 91,6% (sans AR) à 98,7% , ce qui s’est également traduit en une augmentation du rendement du système HCPV qui étaient de 5%. La NS reste néanmoins encore une méthode de laboratoire et demande beaucoup de conditions particulières afin d’être produite sur les surfaces que nous avons, augmentant considérablement son coût de production (voir en Annexe 8.1). Il a alors été décidé d’investiguer des ARC à base de NP, qui démontrent une meilleure satisfaction des exigences mentionnées précédemment. Ainsi, une troisième étape a consisté en la production et l’utilisation de NP de silice afin de produire des couches AR. En effet, une méthode bien connue de production de particules de silice a été utilisée pour l’obtention des NP, qu’est la méthode sol-gel. Par la suite, la suspension de NP produite a été déposée sur des surfaces de verre et de PMMA en utilisant une méthode de revêtement par immersion (angl. : dip coating (DC)) et leurs propriétés optiques ont été étudiées. Dans le cas présent, nous avons constaté que selon l’épaisseur d’ARC, nous avons une réflexion qui a été diminuée sur l’ensemble de la bande de longueur d’onde observé (380-1500nm). Il est à noter que, bien que l’on ait une certaine diminution sur la bande mentionnée, l’on observe une diminution maximale de la réflexion plus remarquable sur une bande de longueur d’onde spécifique. De plus, si l’on augmente l’épaisseur de l’ARC, il y a un décalage de cette diminution maximale vers les grandes longueurs d’onde. Si nous comparons les bandes de longueurs d’onde où la diminution est maximale (principalement dans le visible, entre 400nm et 800nm), nous pouvons constater que celle-ci augmente de 92,1% (sans AR) jusqu’à 99,2% suivant les épaisseurs d’ARC. Ces couches AR ont ensuite été ajoutés dans le système HCPV. Il a été observé que le rendement des HCPV ne suit pas une augmentation graduelle suivant l’augmentation de l’épaisseur de l’ARC, contrairement à ce qui été attendu. En effet, il atteint un maximum pour une épaisseur particulière (dans ce cas-ci environ 130nm (ARC4 dans Chapitre 3)) avant de diminuer à nouveau. La valeur du rendement maximal mesuré est comparable à ce qui était obtenu précédemment en utilisant les ARC à base de NS (5%). La variation des valeurs de rendement en fonction de l’épaisseur est due aux propriétés des cellules PV (multijonctions (MJ)) qui sont utilisées dans les HCPV (voir Chapitre 3 pour l’explication). Ainsi, dépendamment de l’ARC que nous pouvons produire et de la cellule MJ choisie, il sera possible d’optimiser le rendement des systèmes HCPV, selon leurs conditions d’utilisations. Pour finaliser ce projet, des tests environnementaux (accélérés) ont également été réalisés sur les ARC dans le but de connaître leur résistance mécanique, environnementale (température) ainsi qu’aux rayonnements UV, pour la même période de garantie du HCPV. Les résultats obtenus démontraient une diminution de l’efficacité de l’ARC de l’ordre de 3% en fin de test environnemental et une diminution de 1,5% pour les tests UV sur les petites longueurs d’onde (< 500nm). Ce qui reste bien inférieur aux pertes de rendement de systèmes CPV prévus par les tests standards, qui est de 20% en 25ans. / The subject of this thesis is to focus on the research and development of an antireflective coating (ARC) to coat surfaces with specific structuration (not plane). The surfaces in question are those of optical components used in high concentrating photovoltaic (HCPV) systems. This project has been initiated by Opsun Technologies Inc. after they were experiencing reflection phenomena when the concentrating optical components were added in the system. Indeed, to concentrate light on a photovoltaic (PV) cell, it is essential to use a lens (Fresnel lens). Furthermore, to ensure reception of all the incident wavelengths, a second optical component is added in the HCPV system. It can be assimilated to a waveguide, which is aimed to homogenize the rays. More importantly, it has the property to increase the angular aperture of the received light (±3.2° instead of the usual ±0,5° à ±1°). Thus, adding this second optical component, added a reflection phenomenon due to the extra interface, preventing the component to be used for its initial property. The aim of this project is thus to produce an ARC and coat these surfaces with a specific method, the whole processes must be industrializable at the same time. Hence, a first step was aimed to investigate different existing ARC production and coating methods that can correspond to our required properties. Classical ARC production methods have quickly been considered as non-eligible, therefore new methods have been explored such as nanostructured (NS) ARC or coatings based on nanoparticles (NP). In a second part of the work, a NS (kindly provided by the Fraunhofer institute), was studied in laboratory conditions, to know its optical properties (transmission, reflection, scattering). Afterwards, it was introduced in the HCPV system to get real-time studies of the electrical performance. The NS did show an increase in the optical transmission, on the whole wavelength ranges we are interested in (350-1500nm), which increased from 91,6% (without AR) up to 98,7% , which resulted in a direct increase of the electrical performance of the HCPV that was about 5%. Anyways, the NS is still a method developed and used on a laboratory level and requires a lot of specific production conditions, increasing its final coast (see Appendix 8.1). Thus, it was decided that coatings based on NP needed also to be investigated. A third step of this work was then to produce ARC based on silica NP using a well-known production method, which is the sol-gel process. The obtained NP were then deposed by a homemade dip coating (DC) method on glass and PMMA slides and their optical properties were studied (on a wavelength band varying from 380 to 1500nm). In this case, we also noticed an increase in the transmission, which was totally dependent on the ARC thicknesses. Indeed, a shift of the maximum transmission towards higher wavelengths was observed when the ARC thickness increased. It is important to mention that, even though a certain transmission increase on the considered wavelengths was obtained, a maximum increase on a specific wavelength (in the visible wavelengths, from 400nm to 800nm) band was observed for each ARC (or thickness). Those maximum transmissions of the different ARC, when compared, showed an increase from 92,1% (without AR) up to 99,2% depending on the ARC thickness. When the ARC were added in the HCPV system, the response of the electrical performance did not increase gradually, depending of the increase of the coating thickness, which was our expectation. Instead, it reached a maximum for a specific thickness (around 130nm (ARC4 in Chapitre 3)), before it decreased when higher thicknesses were used. The maximum electrical output value obtained has been found to be comparable to the results obtained using the NS (5%). This phenomenon can be explained by the specific properties of the PV cells (multijunction (MJ), see Chapitre 3 for the explanation). Thus, for a specific PV cell a specific ARC can be produced to optimize the electrical yield of the HCPV system, depending on the conditions they are used in. An ultimate step consisted in the environmental testing (accelerated tests) of our obtained ARC, to have information about their resistance in terms of mechanical deterioration, temperature and UV variation, for the same lifetime warranty of CPV systems. The results obtained showed a decrease of the ARC efficiency that was about 3% at the end of the temperature tests and a 1,5% variation of the transmission was observed after the UV tests for small wavelengths (< 500nm). This is relatively low compared to the warranty of CPV system efficiencies that are expected to decrease about 20% in 25 year lifetime.

L'environnement littoral est un milieu particulièrement soumis aux conséquences du changement climatique. Il est donc nécessaire de surveiller son évolution régulièrement afin de le préserver. Dans cette optique, le LiDAR aéroporté est un outil performant qui présente l'intérêt de réaliser des acquisitions répétées de grande précision sur de vastes étendues. En complément des informations délivrées sur la topographie, le LiDAR permet aussi d'enregistrer l'intensité rétrodiffusée par les surfaces variées de la zone littorale. Cette information, encore peu exploitée dans la littérature, permet d'obtenir de nouvelles données caractérisant les surfaces scannées. Toutefois, elles sont fortement influencées par l'angle d'incidence variable des tirs laser depuis l'avion. Le comportement de l'intensité rétrodiffusée par les surfaces survolées en fonction de ce paramètre est étudié grâce au modèle des distributions de microfacette. Les résultats ont montré, qu'en zone littorale, trois types de surface ont des comportements distincts : (i) les zones en eau réfléchissant de manière spéculaire le faisceau incident, (ii) les surfaces sableuses fortement diffuses, (iii) les zones sableuses fortement saturées en eau combinant les mécanismes spéculaire et diffus. Concernant les surfaces sableuses non saturées, les études ont montré que (i) la granulométrie, pour des sables fins à très grossiers, n'influence pas l'intensité rétrodiffusée et (ii) qu'une loi, obtenue empiriquement, a permis de relier le facteur d'humidité à l'intensité.

The Clement Ader Institute of Albi and the von Karman Institute follow<p>since numerous years works about IR radiometry with the aim to do quantitative<p>thermography (true temperature measurement without contact). These works allowed<p>to explore potentiality several spectral bands :8-12µm, 3-5µm and recently the<p>0.75-1.7µm band (near IR) with the help of CCD camera (Si) or VisGaAs camera.<p>Studies done in this specific domain have underlined some perturbations emphasized<p>at high-temperature (T>800◦C). This work has to deal in details with the<p>treatment of parameters playing a role in camera measurements. The first of these<p>parameters is the emissivity, this treatment is made in another thesis. The second<p>parameter affects particularly the hot spot location and the spatial distortion. This<p>perturbation comes from convective effect present around every hot objects.The<p>purpose of this thesis is to analyze this effect and to correct it. Indeed, when a hot<p>object is in a colder surrounding media, a temperature gradient is shaped around<p>the object and thus a refractive index gradient too. This phenomena brings inevitably<p>distortions of the spatial information received by the camera. The goal of this<p>work will be to estimate and correct error made on temperature and/or distortion<p>measurement by CCD or VisGaAs camera on hot object.We chose to focus our work<p>on the convective plume created by a hot horizontal disk. This study will be done<p>with an experimental and a numerical approach. For the numerical approach, a raytracing<p>code has been developed in order to obtain numerically the displacement<p>due to the light deviation occurring in the perturbation. The input data of the code<p>is the refractive index of the hot air present around the object. This refractive index,<p>depending on the wavelength, can be found directly from the temperature thanks<p>to the Gladstone-Dale law. The temperature is given by a CFD software such as<p>FLUENT. Experimentally, we will use the Background Oriented Schlieren (BOS)<p>method in order to retrieve the displacement. We can see that the displacement can<p>reach 4 pixels in the plume (corresponding to 1mm in this case). This perturbation<p>has been studied for several spectral bands (visible, near infrared, infrared). Finally,<p>some solutions of correction are given, like using the inverse Abel Transform<p>in order to retrieve from the 2D displacement, a 3D (axisymmetric) refractive index<p>field that we will implement in the ray-tracing code and consequently predict the<p>displacement for any kind of wavelength or distance (distance between the camera<p>and the object)./L’Institut Clément Ader Albi (ICAA) et l’Institut von Karman (IVK)<p>mènent depuis un certain nombre d’années des travaux sur la radiométrie IR dans<p>le but de faire de la thermographie quantitative (mesure de température vraie sans<p>contact). Ces travaux ont permis d’explorer les potentialités de plusieurs bandes<p>spectrales :8-12µm, 3-5µm et plus récemment la bande 0,75-1,7µm (proche IR) à<p>l’aide de caméras CCD (Si) ou VisGaAs. Les travaux effectués dans ce domaine<p>spectral ont permis de mettre en évidence un certains nombre de perturbations<p>renforcées par les hautes températures (T>800◦C). Cette thèse aborde de façon détaillée<p>le traitement d’un certain nombre de grandeurs d’influence liées à la mesure<p>de différents paramètres dans le domaine du proche IR mais également étendus aux<p>domaines du visible et de l’IR. La première de ces grandeurs est l’émissivité dont le<p>traitement a déjà été abordé par d’autres études. La seconde grandeur d’influence<p>touche plus particulièrement à la localisation des points chauds sur l’objet et la distorsion<p>du champ de température apportée par les effets convectifs présents autour<p>d’un objet à haute température, elle est le coeur de cette thèse. En effet, lorsqu’une<p>pièce chaude se trouve dans un milieu ambiant beaucoup plus froid, il se crée un<p>gradient de température et donc d’indice de réfraction autour de la pièce. Or les<p>caméras travaillant dans les différentes bandes spectrales vont être plus ou moins<p>sensibles à ces variations d’indices de réfraction du fait de la dépendance de l’indice<p>optique avec la longueur d’onde et de la résolution spatiale de la caméra utilisée.<p>Ce phénomène, appelé effet mirage, entraîne inévitablement une déformation des<p>informations spatiales reçues par la caméra. Le but de cette thèse a donc été d’estimer<p>et de proposer une première approche pour corriger l’erreur faite sur la mesure<p>de température et/ou de déformation faites par caméras sur des pièces chaudes.<p>La démarche générale du travail a donc été dans un premier temps de calculer le<p>champ de température autour de l’objet considéré en se ramenant d’abord à des cas<p>simplifiés. On en a déduit alors le champ de réfraction entraînant une « déformation<p>» de l’objet, en faisant le lien entre T et n. Cette étape correspond à l’approche<p>numérique de notre étude. Cette étape numérique a été réalisé à l’aide d’un outil de<p>lancer de rayons développée à l’ICA. L’approche expérimentale a consisté à l’utilisation<p>de méthodes telle que la BOS (Background Oriented Schlieren), la PIV,<p>la srtioscopie afin de déduire le champ de déplacements provoqué par le panache<p>convectif. Ces résultats ont été comparés à la méthode numérique et ceci pour différentes<p>longueurs d’ondes. Enfin, une stratégie de correction d’images perturbées<p>a été abordé à l’aide de méthodes telles que la transformée d’Abel inverse afin de<p>remonter au champ d’indice de réfraction 2D axisymétrique à partir d’une déformation<p>plane. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le contexte de cette thèse est celui des communications optiques sans fil pour des applications en environnements indoor. Pour discuter des performances d'une liaison optique sans fil, il est nécessaire d'établir une étude caractéristique du comportement du canal de propagation. Cette étude passe par l'étape de la mesure ou de l'estimation par la simulation de la réponse impulsionnelle. Après avoir décrit la composition d'une liaison et passé en revue les méthodes de simulation existantes, nous présentons nos algorithmes de simulation dans des environnements réalistes, en nous intéressant à leurs performances en termes de précision et de temps de calcul. Ces méthodes sont basées sur la résolution des équations de transport de la lumière par du lancer de rayons associées aux méthodes d'intégration stochastique de Monte Carlo. La version classique de ces méthodes est à la base de trois algorithmes de simulations proposés. En utilisant une optimisation par des chaînes de Markov, nous présentons ensuite deux autres algorithmes. Un bilan des performances de ces algorithmes est établi dans des scénarios mono et multi-antennes. Finalement, nous appliquons nos algorithmes pour caractériser l'impact de l'environnement de simulation sur les performances d'une liaison de communication par lumière visible, à savoir les modèles d'émetteurs, les matériaux des surfaces, l'obstruction du corps de l'utilisateur et sa mobilité, et la géométrie de la scène de simulation. / The context of this PhD thesis falls within the scope of optical wireless communications for applications in indoor environments. To discuss the performance of an optical wireless link, it is necessary to establish a characteristic study of the behavior of the optical wave propagation channel. This study can be realized by measurement or by the simulation of the channel impulse response. After describing the composition of an optical wireless link and reviewing existing simulation methods, we present our new simulation algorithms channel in realistic environments by focusing on their performances in terms of accuracy and their complexity in terms of computation time. These methods are based on solving the light transport equations by ray-tracing techniques associated with stochastic Monte Carlo integration methods. The classical version of these methods is the basis of three proposed simulation algorithms. By applying an optimization using Markov Chain, we present two new algorithms. A performance assessment of our simulation algorithms is established in mono and multi-antenna scenarios of our simulation algorithms. Finally, we present the application of these algorithms for characterizing the impact of the simulation environment on the performances of a visible light communication link. We particularly focus on the transmitter models, surface coating materials, obstruction of the user's body and its mobility, and the geometry of the simulation scene.