Dans cette thèse, nous étudions la détection homodyne (ou rétroinjection optique, ou self-mixing) appliquée à la mesure de la vitesse du vent. Il n’existe actuellement pas sur le marché de solution de mesure du vent par des moyens optiques à faible coût. L’objectif de cette thèse est de développer un tel prototype, en se basant sur le principe de la rétroinjection optique. Les différentes solutions d’anémométrie existant actuellement sont étudiées (anémométrie à coupelles, à ultrasons et à fil chaud, sondes de Pitot, PIV/PTV, sodars et lidars), avec un bref descriptif des avantages et inconvénients de chacune d’entre elles. Les équations de fonctionnement d’un laser soumis à rétroinjection optique sont redémontrées dans cette thèse. Les expressions résultantes sont des équations différentielles non linéaires et à retard, qui peuvent être réduites en un modèle statique couramment utilisé dans la littérature. Ce modèle prévoit une variation périodique de la puissance du laser pour un déplacement à vitesse constante de la cible responsable de la rétroinjection. Pour une puissance réinjectée suffisamment grande, ce modèle prévoit des discontinuités dans la puissance du laser. Nous développons un nouveau modèle issu des équations complètes linéarisées, qui permet de décrire le comportement dynamique du laser. Ce modèle prévoit notamment la présence d’oscillations amorties lors des discontinuités du modèle statique. Les caractéristiques de ces oscillations sont liées à la distance et au coefficient de réflexion de la cible. Les prédictions de ce modèle ont été vérifiées expérimentalement, et les résultats en ont été publiés dans la revue Optics Letters. Le corps de cette thèse se concentre sur l’acquisition et le traitement du signal de self-mixing, issu du passage de particules portées par le vent dans le faisceau de la diode laser utilisée. Comme la fréquence du signal est proportionnelle à la vitesse de la particule projetée sur l’axe optique du laser, nous avons mis en place un traitement dans le domaine fréquentiel par transformée de Fourier discrète. La ongueur de la transformée à utiliser est un compromis dicté par la recherche d’un rapport signal-sur-bruit optimal, le temps d’interaction de la particule avec le faisceau, et les ressources disponibles pour les calculs. Après avoir fixé ce compromis, nous calculons la fréquence de fausses détections qui en résulte. Nous étudions le biais qu’introduisent ces fausses détections sur la mesure de vitesse, ainsi qu’un algorithme permettant de compenser ce biais. Nous étudions ensuite les configurations optiques permettant de mesurer la vitesse du vent dans le plan horizontal (donnée qui intéresse les acheteurs potentiels du produit). Nous démontrons qu’il est nécessaire d’utiliser au moins quatre têtes optiques pour obtenir une acquisition fiable du signal. Des essais réalisés en soufflerie indiquent que le capteur mesure effectivement la vitesse du vent qui lui est présenté. Un démonstrateur autonome avec une unique voie de mesure a été monté sur un mât de prospection éolienne. Les mesures en résultant indiquent que le capteur est sensible à la température ambiante. Après correction par rapport à la température, la mesure effectuée est bien corrélée à une mesure de référence par un anémomètre et une girouette. Cette thèse a donc permis de développer un démonstrateur autonome permettant de mesurer la vitesse du vent en utilisant la rétroinjection optique, en conditions extérieures. / In this thesis, we study the homodyne detection (or self-mixing) applied to wind speed measurements. At the moment, there is no commercially available optical anemometer with a low price point. The objective of this thesis is to develop such a prototype, which will be using the self-mixing phenomenon. Existing anemometers are studied, with a short comparison of advantages and drawbacks of each solution (cup, ultra-sonic and hot-wire anemometers, Pitot probes, PIV/PTV, sodars and lidars). The equations describing the behavior of a self-mixing laser are demonstrated in this thesis. The resulting expressions are nonlinear delayed differential equations. These equations can be reduced to a static model that is commonly used in the relevant literature. This model predicts a periodic variation of the laser power for a linear displacement of the target responsible for self-mixing. If the reflection coefficient of the target is big enough, this model predicts discontinuities in the laser power. We develop a new model from the complete equations. This new model allows for the study of the dynamical behavior of the laser. It notably predicts damped oscillations where the static model presents discontinuities. The characteristics of these oscillations are related to the distance of the target and its reflectivity. The predictions of this new model were confirmed experimentally, and the corresponding results were published in the Optics Letters journal. The main part of this thesis is focused on the acquisition and processing of the self-mixing signal, which is produced by particles carried by the wind in the laser beam. The frequency of the resulting signal is proportional to the speed of the particle projected onto the optical axis. Therefore, we use a discrete Fourier transform to study the signal in the frequency domain. The length of the Fourier transform is a compromise between the necessity of an optimal signal-to-noise ratio that can trigger the detection, the interaction time between the particle and the beam, and the resources available for computing. After choosing the right compromise, we compute the resulting false detection frequency. We study the bias arising from these false detections, and we create an algorithm that can be used to compensate this bias. Finally, we study the optical configurations that allows for the measurement of wind speed in the horizontal plane (it is this data that is interesting for the potential clients). We demonstrate that at least four optical heads are necessary to obtain a reliable acquisition. The tests conducted in a wind tunnel show that the sensor actually measures the wind speed. An autonomous demonstrator with one measuring channel has been put on a measuring mast. The resulting measurements show that the sensor is temperature sensitive. When the measurements are corrected against the temperature, they are well correlated to a reference measurement made by a cup anemometer and a wind vane. This thesis has led to the development of an autonomous demonstrator that measures the wind speed by self-mixing in a laser diode, in outdoor conditions.

Le phénomène d’interférométrie par réinjection optique se produit lorsqu’une portion de la puissance optique du laser est rétrodiffusée par une cible distante puis réinjectée dans la cavité laser ce qui affecte les propriétés d’émission du laser (fréquence et puissance en particulier). Ce principe résulte alors en un capteur interférométrique compact, auto-aligné et sans contact. Des applications récentes des capteurs par réinjection optique dans les domaines de la microfluidique et de l’acoustique ont montré des résultats prometteurs et ouvert de nouveaux domaines de recherche. Pourtant, dans le cadre de ces applications, l’amplitude du signal est extrêmement faible à cause de la faible amplitude des variations de la puissance rétrodiffusée qui est mesurée. Dans cette thèse, un modèle analytique décrivant la dépendance de l’amplitude du signal issu d’une diode laser monomode au courant d’injection et à la température est développé à partir des équations d’évolution de Lang et Kobayashi. Le modèle a été développé pour toutes les méthodes connues d’acquisition du signal interférométrique par réinjection optique : par la photodiode de monitoring incluse dans le boîtier de la diode laser, par la captation de la puissance optique au moyen d’un photodétecteur externe et par l’amplification de la tension aux bornes de la diode laser elle-même. Le modèle démontre que les signaux des photodiodes et de la tension sont liés à l’efficacité externe de la diode laser, qui elle-même est fonction du courant injecté et de la température. Qui plus est, le modèle prédit une évolution très différente de l’amplitude de ces différents signaux en fonction du courant d’injection ou de la température. Un résultat remarquable, confirmé par une campagne de mesures pour ces trois types de signaux sur une large plage de courants d’injection et de températures. Ainsi ce modèle simple permet une compréhension nouvelle des stratégies de polarisation très différentes de la diode laser permettant d’obtenir une sensibilité optimale du capteur dans les différents schémas d’acquisition du signal. Par ailleurs, les relations entre la phase et l’amplitude des signaux issus des photodiodes externes et de monitoring ont été étudiées sur le plan théorique et expérimental ce qui a permis de révéler des résultats inattendus. À partir du modèle et basé sur des observations expérimentales, une étude critique a été menée sur l’impact de la combinaison des trois signaux dans la stratégie de traitement du signal afin d’améliorer la sensibilité du capteur aux réinjections optiques de faible amplitude. / The optical feedback interferometry phenomenon occurs when a portion of the output optical power is back-scattered from a remote target and coupled into the laser cavity to vary the laser’s emission properties (frequency and power mostly). Thus, this scheme results in a compact, self-aligned and contact-less interferometric sensor. Recent applications of optical feedback interferometer in the domains of microfluidics or acoustics have shown promising results and open new fields of researches. However in these applications, the amplitude of the sensing signal is extremely small due to the weakness of the backscattered power changes that are measured. In this thesis, an analytical model that describes the laser injection current and temperature dependence of the optical feedback interferometry signal strength for a single-mode laser diode has been derived from the Lang and Kobayashi rate equations. The model has been developed for all the known signal acquisition methods of the optical feedback interferometry scheme: from the package included monitoring photodiode, by collection of the laser power with an external photodetector and by amplification of the variations in the laser junction voltage. The model shows that both the photodiodes and the voltage signals strengths are related to the laser slope efficiency, which itself is a function of the laser injection current and of the temperature. Moreover, the model predicts different behaviors of the photodiodes and the voltage signal strengths with the change of the laser injection current and the temperature; an important result that has been proven by conducting measurements on all three signals for a wide range of injection current and temperature. Therefore, this simple model provides important insights into the radically different biasing strategies required to achieve optimal sensor sensitivity for the different interferometric signal acquisition schemes. In addition, the phase and amplitude relationships between the external and the in-package photodiode signals have been investigated theoretically and experimentally demonstrating unexpected results. Based on our model and on experimental observations, a critical study has been performed on the impact of the combination of the three signals in the signal processing strategy in order to improve the sensor sensibility to low amplitude optical feedback.

Le phénomène d’interférométrie par réinjection optique, ou effet self-mixing dans un laser permet de concevoir des capteurs non-invasifs, auto-alignés, ne nécessitant que peu d’éléments optiques et simples à implémenter. Ce type de capteur permet de mesurer avec la précision propre à l’interférométrie laser le déplacement, la vitesse ou la position de cibles dite coopératives (cibles réfléchissantes ou fortement diffusantes). Dans cette étude, ce type de capteurs est appliqué à la mesure de profil d’écoulement des fluides dans des microcanaux. Le faible coût et la polyvalence des capteurs à réinjection optique sont d’un grand intérêt dans l’industrie biomédicale et chimique, ainsi que pour la recherche en mécanique des fluides. Dans un premier temps, et en se basant sur les études réalisées dans des macro-canaux, nous avons proposé un modèle d’interferométrie par réinjection optique dans une diode laser lorsque la cible est constitué de particules en mouvement, en suspension dans un liquide. A partir de ce modèle, nous avons étudié expérimentalement l’impact du volume de mesure ainsi que du type de particules (taille et concentration) sur le signal mesuré. Nous avons ensuite proposé des méthodes de traitement du signal permettant de calculer le calcul du débit du fluide, ainsi que sous certaines conditions identifiées, la vitesse locale en tout point d’un microcanal. Ces études préliminaires nous ont permis de reconstruire le profil d’écoulement de différents liquides dans des canaux de 320µm de diamètre. Enfin, nous avons comparé les performances du capteur développé dans cette thèse avec un capteur basé sur la technique du Dual-Slit, technique déjà validée pour la microfluidique, en mesurant le profil d’écoulement dans un canal à section rectangulaire de 100x20µm. / The phenomenon of optical feedback interferometry (OFI) or self-mixing effect in a laser is used to design non-invasive and self-aligned sensors, requiring only few optical elements and simple to implement. This type of sensor is used to measure the displacement, velocity or position of cooperative targets (reflective or strongly scattering targets). In this study, this phenomenom is applied to the measurement of fluid flow profile in microchannels. The low cost and versatility of optical feedback sensors are of great interest in biomedical and chemical industry as well as research in fluid mechanics. Based on studies in macro-channels, we proposed first a theoretical model of OFI in a laser diode when the target consists of moving particles suspended in a liquid. Based on this model, we then studied experimentally the impact of the sensor’s sensing volume and the type of particles (size and concentration) on the OFI signal. We then proposed signal processing methods for calculating the fluid flow rate, as well as the local velocity at any point in a microchannel. These preliminary studies allowed us to reconstruct the flow profile of different liquids flowing in a circular channel of 320μm diameter. Finally, we compared the performance of the sensor developed in this thesis with a sensor based on the Dual-Slit technique, which has been already validated for microchannels, by measuring the flow profile in a rectangular shaped channel (100x20µm).

Abstract This thesis describes the laser Doppler technique based on a self-mixing effect in a diode laser to noninvasive cardiovascular pulse detection in a human wrist above the radial artery. The main applications of self-mixing interferometry described in this thesis in addition to pulse detection are arterial pulse shape and autonomic regulation measurements. The elastic properties of the arterial wall are evaluated and compared to pulse wave velocity variation at different pressure conditions inside the radial artery. The main advantages of self-mixing interferometry compared to conventional interferometers are that the measurement set up is simple, because basically only one optical component, the laser diode, is needed. The use of fewer components decreases the price of the device, thus making it inexpensive to use. Moreover, an interferometer can be implemented in a small size and it is easy to control because only one optical axis has to be adjusted. In addition, an accuracy, which corresponds to half of the wavelength of the light source, can be achieved. These benefits make this technique interesting for application to the measurement of different parameters of the cardiovascular pulse. In this thesis, measurement of three different parameters from cardiovascular pulsation in the wrist is studied. The first study considers arterial pulse shape measurement. It was found that an arterial pulse shape reconstructed from the Doppler signal correlates well to the pulse shape of a blood pressure pulse measured with a commercial photoplethysmograph. The second study considers measurement of autonomic regulation using the Doppler technique. It was found that the baroreflex part of autonomic regulation can be measured from the displacement of the arterial wall, which is affected by blood pressure variation inside the artery. In the third study, self-mixing interferometry is superimposed to evaluate the elastic properties of the arterial wall. It was found that the elastic modulus of the arterial wall increases as blood pressure increases. Correlations between measurements and theoretical values were found but deviation in measured values was large. It was noticed that the elastic modulus of the arterial wall and pulse wave velocity behave similarly as a function of blood pressure. When the arterial pressure increases, both the elastic modulus and pulse wave velocity reach higher values than in lower pressure.

L'interférométrie à rétro-injection optique, également connu sous le nom de Self-Mixing, permet de concevoir des capteurs qui sont compacts, auto-alignés et sans contact. Dans ce phénomène, une partie du faisceau laser de retour réfléchi par la cible rentre dans la cavité active de laser et fait varier ses propriétés spectrales. La diode laser agit alors comme une source de lumière, un microinterféromètre ainsi qu'un détecteur de lumière. Dans cette thèse, un capteur de déplacement, basé sur la rétro-injection optique, a été optimisé de sorte que des mesures précises peuvent être obtenues en temps réel. Le capteur est robuste à la disparition des franges de self-mixing pour des vibrations harmoniques. Il est également capable de s'adapter à un changement dans le régime de feedback optique et peut donc extraire le déplacement dans les cas les plus répandus expérimentalement, à savoir un feedback faible puis modéré. L'utilisation de l'optique adaptative, sous la forme d'une lentille liquide, a également été démontrée pour ce capteur, ce qui nous a permis de maintenir le capteur dans un régime de feedback favorable. L'influence du speckle a également été réduite de telle sorte que le capteur mesure jusqu'à la gamme centimétrique pour des cibles non- oopératives. Une nouvelle technique est également présentée, elle permet de rendre le capteur insensible aux vibrations mécaniques parasites qui fausseraient la mesure pour des conditions industrielles. / Optical Feedback Interferometry, also known as Self-Mixing, results in compact, selfaligned and contact-less sensors. In this phenomenon, a portion of the laser beam is back reflected from the target and enters the active laser cavity to vary its spectral properties. The laser diode then simultaneously acts as a light source, a micro- nterferometer as well as a light detector. In this thesis, a self-mixing displacement sensor has been optimised so that precise measurement can be obtained in real-time. The sensor is robust to the disappearance of self-mixing fringes for harmonic vibrations. It is also able to auto-adapt itself to a change in the optical feedback regime and so can extract displacement from the weak as well as moderate feedback regime signals. The use of adaptive optics, in the form of a liquid lens, has also been demonstrated for this sensor, which has allowed us to maintain the sensor in a fringe-loss less regime. The influence of speckle has also been reduced so that the sensor can now measure up to the centimetric range for non-cooperative targets. A novel technique has also been presented that makes the sensor insensitive to parasitic mechanical vibrations that would falsify the measurement under industrial conditions.

Les mesures de vitesse sans contact des cibles mobiles comme les structures mécaniques sont souvent utilisés dans diverses applications industrielles pour le contrôle non destructif et le contrôle qualité. En outre, les processus de mesure de vitesse peuvent devenir cruciaux si elle est l'un des paramètres qui régissent la sécurité et la performance d'un système comme dans le transport. La mesure précise et sans contact de vitesse de fluide circulant dans des micro-canaux est un enjeu majeur pour l'industrie chimique fabriquant des produits pharmaceutiques. En médecine, la connaissance de la vitesse du flux sanguin dans les vaisseaux peut permettre d'anticiper sur des maladies cardiovasculaires. De telles mesures sans contact peuvent être réalisées par ultrasons ou par micro-ondes mais ces deux méthodes ont une résolution spatiale relativement faible. D'autre part, les capteurs optiques usuels sont souvent de coût élevé. Par exemple, la vélocimétrie laser Doppler conventionnelle (ou LDV pour Laser Doppler Velocimetry) est une technique de haute précision pour des mesures de vitesse, mais l'utilisation d'un grand nombre de composants optiques implique un prix élevé. L'interférométrie à rétroinjection optique est une solution attrayante qui nous permet de concevoir des capteurs laser à faible coût présentant une bonne précision. Disposant de capteurs optiques sans contact utilisant juste une diode Laser soumise à la rétroinjection optique pour venir mesurer des vitesses, l'objectif de cette thèse est de développer des dispositifs adaptés à ce type de mesure et opérant en temps réel. En interférométrie à rétroinjection optique (ou OFI pour Optical Feedback Interferometry), couramment appelée self-mixing, une interférence se produit dans la cavité active du laser entre le champ existant dans la cavité et celui rétrodiffusé par une cible extérieure située en face de la diode laser induisant des variations de la puissance optique de sortie dues notamment à l'effet Doppler. Par mesure de la fréquence Doppler de la puissance optique, la vitesse de la cible peut être déterminée. Dans cette thèse, nous étudions les principales techniques de traitement du signal permettant d'offrir en temps réel des mesures de fréquence Doppler de précision acceptable. La première technique est basée sur une analyse spectrale classique et requiert le calcul d'une transformée de Fourier rapide (FFT). Cette technique est robuste mais nécessite un matériel électronique complexe et coûteux en ressources pour le traitement du signal en temps réel. La seconde est basée sur une modélisation autorégressive d'ordre 2 (AR2) du signal de self-mixing par un filtre de prédiction linéaire. La fréquence Doppler correspond à la fréquence de résonnance de ce filtre. Cette technique est plus précise, plus rapide et moins gourmande en ressources que la FFT. Par contre, elle présente un risque de divergence et nécessite un calibrage au démarrage. La troisième est une technique originale de traitement du signal temps-réel qui a permis d'améliorer les performances du capteur en termes de gamme de vitesses mesurables. Cette technique n'est pas gourmande en ressources comme la FFT et ne nécessite pas de calibrage comme l'AR2. Cette technique a été implémentée et validée expérimentalement en configurations réelles. Elle a permis de fournir des mesures de bonne précision, comparable à celle de la FFT. Nous appliquons ensuite ces méthodes de traitement du signal sur des signaux de self-mixing issus du passage de particules portées par un liquide dans le faisceau de la diode laser utilisée. En fait, dans ce cas, le signal de self-mixing ne présente plus un pic Doppler mais une distribution de fréquences Doppler car les particules traversant le faisceau sont de vitesses différentes allant de zéro au bord du canal jusqu'une valeur maximale au centre. Un autre phénomène qui peut contribuer à l'élargissement spectral est la diffusion multiple des particules. L'AR2 et la technique développée ont permis d'obtenir des mesures fiables de la vitesse d'écoulement fluidique dans un canal à l'échelle microscopique. D'autre part, nous étudions les configurations optiques du dispositif de mesure. Nous montrons que le dispositif employant une seule diode laser est sensible aux variations d'angle d'incidence avec la cible. Cet angle doit être connu pour calculer la vitesse. Nous proposons ensuite un dispositif employant deux diodes laser et nous montrons sa robustesse face aux variations d'angles d'incidence et sa capacité de calculer la vitesse de la cible sans connaitre les angles d'incidence. Nous analysons ce dispositif afin de déterminer la configuration optimale permettant de garantir les meilleures performances. Des simulations et des résultats expérimentaux permettent de valider les performances de ce dispositif en termes de précision et de robustesse. Enfin, nous appliquons ce dispositif à double-tête laser et la technique de traitement développée dans cette thèse pour mesurer la vitesse d'écoulement d'un liquide injecté dans un canal macroscopique par une pompe péristaltique à débit non continu. Cette thèse a donc permis de développer un capteur optique robuste à faible coût permettant de mesurer la vitesse en temps-réel en utilisant la rétroinjection optique.

L'interaction entre un faisceau laser émis avec une partie de la lumière réfléchi depuis une cible qui rentre dans la cavité active du laser, est à l'origine du phénomène de rétro-injection optique ou self-mixing. L'utilisation de ces franges interférométriques non conventionnelles, semble attractive du au faible nombre des composant optiques et son caractère auto-aligné. Dans cette thèse nous approchons leur développement en tant qu'implémentation embarqué rentable pour la mesure du déplacement. A cette fin, nous avons exploré des méthodes du traitement du signal pour la détection des franges et la reconstruction du mouvement de la cible, en évitant l'usage de composant externes. Premièrement, nous avons identifié quelques incompatibilités dans des algorithmes précédentes établis dans notre centre de recherche, puis nous avons avancé des solutions. Fondé sur la théorie d'interpolation, an algorithme simplifié mais démontré convenable en temps-réel à été proposé pour la reconstruction du déplacement. En s'appuyant sur l'élaboration d'un signal analytique, il à été proposé une version amélioré pour le calcul de phase. Celle-ci nous à permit de fournir un algorithme pour la détection de franges, robuste aux variations d'amplitude, sans tenir compte du régime de rétro-injection, impliquant une convenable utilisation pour une variété d'applications. / The interaction between an emitted laser beam and a small portion of backscattered light from a pointed target that re-enters the laser's cavity, is at the origin of optical feedback phenomenon or self-mixing. Exploiting these unconventional interferometric fringes for non-contact sensors is attractive due to its minimal optical part-count and self-aligned nature. In this thesis we approach its development as a cost-eective embedded implementation for displacement measurement. To this end we explored signal processing methods for fringe detection and target's movement reconstruction, avoiding the usage of external components. We first identified some incompatibilities in prior algorithms from our research center, and then proposed further solutions. Based on interpolation theory, a simplified but proved real-time algorithm resulted for displacement reconstruction. Relying on analytical signal elaboration, an improved approach for phase calculation allowed us to provide a fringe detection algorithm robust to amplitude variations, disregarding the feedback regime and thus, allowing a seemly usage over an increased variety of applications.