Les éléments optiques diffractifs (EODs) sont des composants largement utilisés pour la mise en forme de faisceaux laser et le stockage d'information. L'objectif de cette étude est la fabrication d'EODs, qui soient performants et répondent aux besoins actuels des industriels, selon un procédé simple à mettre en 'uvre, reproductible et pour un coût raisonnable. Une première approche a porté sur l'enregistrement holographique de réseaux dans des matériaux photopolymérisables où le système photo-amorceur est un système à trois composants. Ce dernier étant plus performant d'un point de vue photochimique (vitesse et taux de polymérisation élevés), l'optimisation de ces matériaux a conduit à des rendements de diffraction corrigés dans l'ordre 1 supérieurs à 90%. La seconde approche correspond à la fabrication d'EODs dans un matériau sol-gel hybride de la famille des ORMOCER®s, qui est plus performant (transparence, stabilités thermique, chimique et mécanique) que la photorésine initialement mise en 'uvre. L'élément final est créé par moulage à partir d'un EOD en photorésine obtenu par photolithographie à écriture directe parallèle à 436 nm. Ce procédé a été mis en place, optimisé et validé grâce à de nombreuses caractérisations structurelles et fonctionnelles, ce qui conduit à une nouvelle génération d'EODs présentant des efficacités de diffraction à l'ordre 0 inférieures à 1%. Ainsi, cette méthode de fabrication a pu être utilisée pour fabriquer des composants en petites séries ou pour le prototypage, sur des substrats de tailles et de matériaux différents (silicium, verre, silice, céramique et plastique), afin d'étendre le champ d'applications des EODs.

Ce travail de thèse s'est inscrit dans la recherche et développement de la photoinscription directe massivement parallèle. L'utilisation d'un masque reconfigurable dans un phototraceur combine la rapidité de la photolithographie par projection et la flexibilité intrinsèque du modulateur spatial de lumière. Le premier axe de travail était d'améliorer la résolution, la vitesse d'écriture et la précision d'un phototraceur existant à Télécom Bretagne et à base d'un modulateur spatial de lumière à cristaux liquides afin d'atteindre la résolution limite possible avec ce système. Nous avons ainsi fabriqué des éléments optiques diffractifs (EOD) dans la photorésine de dimension critique 1 µm à 32 niveaux de phase avec une efficacité de diffraction à l'ordre 0 inférieure à 1% et celle de l'ordre +1 aux alentours de 80%. Le second volet consistait à mettre en place un nouveau phototraceur à l'aide d'un modulateur spatial de lumière à micro-miroirs et d'utiliser des nouvelles longueurs d'onde d'écriture aux alentours de 365 nm, afin d'élargir la gamme de matériaux photosensibles utilisables et d'accéder à une résolution sub-micronique. Ce phototraceur permet la fabrication des EODs binaires par écriture directe dans le matériau sol-gel hybride Ormocer avec une résolution de 700 nm. La dernière partie concernait l'étude et la première démonstration expérimentale de faisabilité de la combinaison de cette technique de phototraçage massivement parallèle avec celle de la photopolymérisation à deux photons qui permet de dépasser la limite de diffraction des systèmes de photoinscription classiques.

Ce travail de thèse visait à concevoir, assembler, optimiser et tester des modules d’illumination structurée à base d’éléments optiques diffractifs (EODs) pour une application de reconnaissance faciale sur appareils mobiles (smartphones, tablettes). L’intégration des modules dans des smartphones impliquait de fortes contraintes de miniaturisation, de consommation énergétique, de coût, et de sécurité laser. L’élément clé de chaque module était un EOD de Fourier à angle de diffraction supérieur à la limite du modèle scalaire paraxial de la diffraction permettant d’illuminer la surface d’un visage à une distance d’une portée de bras. Afin de faciliter la conception (relâchement des contraintes angulaires), la fabrication (minimisation de l’efficacité de diffraction à l’ordre 0) et la réplication des EODs, le premier axe de travail a consisté à concevoir et à fabriquer des dispositifs hybrides « agrandisseurs d’angles » combinant des EODs et des optiques divergentes conventionnelles. Le second volet portait sur la conception des EODs qui devait prendre en considération à la fois les paramètres des systèmes bas coût d’illumination et d’acquisition d’images utilisés, notamment pour contrôler la présence de granularité laser (« speckle ») sur la figure de diffraction souhaitée (contrôle imposé par les algorithmes de reconnaissance faciale et de détection de fraudes utilisés). Le savoir-faire acquis dans le domaine de l’illumination structurée générée par des EODs a été étendu et transposé à trois autres applications dans les domaines de la vibrométrie, de l’aviation civile et commerciale, et de l’aviation militaire. / This thesis work aimed to design, assemble, optimize and test structured illumination modules based on diffractive optical elements (DOEs) for facial recognition application on mobile devices (smartphones, tablets). The integration of modules into smartphones involved significant constraints in terms of miniaturization, energy consumption, cost and laser safety. The key element of each module was a Fourier DOE with a diffraction angle greater than the limit of the paraxial scalar diffraction model to illuminate the surface of a face at a distance of an arm reach. In order to facilitate the design (relaxation of angular constraints), manufacturing (minimization of the zero order diffraction efficiency) and replication of DOEs, the first axis of research consisted in designing and manufacturing hybrid "angle enlarger" devices combining DOEs and conventional divergent optics. The second part concerned the design of the DOEs, which had to take into account both the parameters of the low-cost illumination and image acquisition systems used, in particular to control the presence of laser speckle on the desired diffraction pattern (control imposed by the facial recognition and fraud detection algorithms used). The know-how acquired in the field of structured illumination generated by DOEs has been extended and transposed to three other applications in the fields of vibrometry, civil and commercial aviation, and military aviation.

Les techniques d'interférométrie microscopiques, basées sur le principe de l'interférence lumineuse, ont connu un développement considérable au cours des dernières années. On distingue deux familles de techniques : la microscopie à saut de phase (PSM) bien adaptée pour l'analyse de défauts peu profonds à l'échelle nanométrique et la microscopie à sonde de faible cohérence (CPM) pour permettre la mesure de reliefs beaucoup plus profonds. Le but de cette étude porte sur l'amélioration des performances du montage de l'interféromètre microscopique en termes de sa précision, de sa résolution, de son contrôle automatique et de son utilisation dans la caractérisation des couches minces et épaisses utilisées dans la microélectronique et dans l'optique. En particulier, de nouveaux algorithmes de contrôle, de traitement et d'analyse ont été conçus pour faciliter la caractérisation des couches, et pour corriger certaines erreurs dans les méthodes PSM et CPM. Pour mieux cerner les performances et les limites du système, nous avons effectué des études comparatives entre nos propres mesures en PSM et en CPM et les mesures faites avec d'autres techniques (stylet, AFM, MEB et microscopie confocale) à travers trois applications. Nous avons montré dans la première application que la PSM pourrait être utilisée pour l'étalonnage quantitatif du procédé de recuit laser des couches de Si-poly pour les écrans plats d'une manière souple, non-destructive et beaucoup plus rapide que les méthodes classiques. Dans la deuxième application, nous avons montré que l'utilisation de la CPM pourrait contribuer à un prototypage rapide des Éléments Optiques Diffractifs (EODs) en raison de sa rapidité, de sa précision et de sa capacité de profiler correctement des couches transparentes épaisses. Dans la troisième et dernière application, une nouvelle technique interférométrique non-destructive a été développée pour caractériser les interfaces enterrées sous une couche transparente.

Le domaine des couches minces optiques a vu les fonctions de filtrage se complexifier et les techniques de dépôt se perfectionner. Cependant, certains filtres requièrent des performances ultimes notamment en termes d’uniformité et de centrage de leur réponse spectrale. Atteindre ces spécificités requiert un contrôle précis de l'épaisseur optique des couches de l’empilement. Pour se faire, l’utilisation d’un matériau dont l’indice de réfraction peut être modifié localement après dépôt est une solution. Le candidat retenu est un verre de chalcogénures : l’AMTIR-1, un verre commercial, dont l’indice de réfraction décroit sous l’action d’un champ électrique lumineux. Des couches minces de ce matériau ont été déposées par évaporation par canon à électrons et leurs propriétés optiques ont été caractérisées par mesures spectrophotométriques. Des variations d’indice photo-induites de ~4.10-2 ont été enregistrées à λ = 1 μm. Ces variations d’indice ont ensuite été exploitées pour concevoir des composants à base de couches minces optiques spatialement structurés. En particulier, des composants optiques diffractifs binaires ont été enregistrés dans le volume d’une monocouche épaisse de chalcogénure par exposition structurée. Un accord quasi parfait entre théorie et expérience a ainsi été obtenu. L’insertion de ces couches photosensibles à base de chalcogénures dans des filtres optiques interférentiels multicouches a également été investiguée. Une démonstration du contrôle local de la réponse spectrale d’un filtre passe-bande de type Fabry-Perot a été réalisée, démontrant ainsi le potentiel de cette nouvelle approche pour la réalisation de composants optiques optimisés. / In recent years, there has been a tremendous progress in the complexity of thin film optical filters but also an important improvement in the deposition techniques. However, some filters require ultimate performances especially in terms of uniformity and absolute position of their spectral responses. Achieving these characteristics requires a precise and local control of the optical thickness of each of the layers. To overcome some of these fabrication constraints, the use of a material which index of refraction or thickness can be locally changed after deposition is an attractive solution. The chosen material is a chalcogenide glass : AMTIR-1, a commercial glass which refractive index decreases when exposed to light source. Thin films of this material were deposited by electron beam deposition and optical properties were characterized by spectrophotometric measurements. Photo-induced refractive index changes of ~ 4.10-2 were recorded at λ = 1 μm. These refractive index variations were then used to fabricate spatially structured thin films. In particular, diffractive optical elements were recorded in the volume of a thick chalcogenide single layer. This is performed by structured exposure using an optical arrangement based on a digital micromirror device. A close to perfect agreement between theory and experiment has been obtained. The insertion of these chalcogenide-based photosensitive layers in multilayer optical interference filters has also been investigated. A demonstration of the local control of the spectral response of a Fabry-Perot bandpass filter was performed, demonstrating the potential of this new approach for the production of optimized optical components

La lumière du soleil est un bon candidat comme source propre et abondante d'énergie renouvelable. Cette source d'énergie écocompatible peut être exploitée pour répondre aux besoins croissants en énergie du monde. Plusieurs générations de cellules photovoltaïques ont été utilisées pour convertir directement la lumière solaire en énergie électrique. La troisième génération de type multijonction des cellules photovoltaïques est caractérisée par un niveau d'efficacité plus élevé que celui de tous les autres types de cellules photovoltaïques. Des dispositifs optiques, tels que des concentrateurs optiques, des séparateurs optiques et des dispositifs optiques réalisant simultanément la séparation du spectre et la concentration du faisceau ont été utilisés dans des systèmes de cellules solaires. Récemment, les Eléments Optiques Diffractifs (EOD) font l'objet d'un intérêt soutenu en vue de leur utilisation dans la conception de systèmes optiques appliqués aux cellules photovoltaïques. Cette thèse est consacrée à la conception d'un EOD qui peut réaliser simultanément la séparation du spectre et la concentration du faisceau pour des cellules photovoltaïques de type multijonction latéral ou similaire. Les EOD qui ont été conçus ont une structure sous-longueur d'onde et fonctionnent en espace lointain pour implanter la double fonction séparation du spectre et concentration du faisceau. Pour cette raison, des outils de simulation ont été développés pour simuler le comportement du champ magnétique à l'intérieur de l'EOD à structure sous-longueur d'onde. De plus, un propagateur hybride rigoureux a aussi été développé, il est basé sur les deux théories de la diffraction, à savoir la théorie scalaire et la théorie rigoureuse. La méthode FDTD (Finite Difference Time Domain) ou méthode de différences finies dans le domaine temporel a été utilisée pour modéliser la propagation du champ magnétique en champ proche c'est-à-dire à l'intérieur et autour de l'EOD. La méthode ASM (Angular Spectrum Method) ou méthode à spectre angulaire a été utilisée pour modéliser de façon rigoureuse la propagation libre en champ lointain. Deux EOD différents ont été développés permettant d'implanter les fonctions souhaitées (séparation du spectre et concentration du faisceau) ; il s'agit d'une part d'un composant diffractif intitulé G-Fresnel (Grating and Fresnel lens) qui combine un réseau avec une lentille de Fresnel et d'autre part d'une lentille hors-axe. Les composants proposés réalisent la séparation du spectre en deux bandes pour une plage visible-proche infrarouge du spectre solaire. Ces deux bandes peuvent être absorbées et converties en énergie électrique par deux cellules photovoltaïques différentes et disposées latéralement par rapport à l'axe du système. Ces dispositifs permettent d'obtenir un faible facteur de concentration et une efficacité de diffraction théorique d'environ 70 % pour les deux bandes séparées. Grâce à une distance de focalisation faible, ces composants peuvent être intégrés dans des systèmes compacts de cellules solaires. La validation expérimentale du prototype fabriqué montre une bonne correspondance entre les performances expérimentales et le modèle théorique / Sunlight represents a good candidate for an abundant and clean source of renewable energy. This environmentally friendly energy source can be exploited to provide an answer to the increasing requirement of energy from the world. Several generations of photovoltaic cells have been successively used to convert sunlight directly into electrical energy. Third generation multijunction PV cells are characterized by the highest level of efficiency between all types of PV cells. Optical devices have been used in solar cell systems such as optical concentrators, optical splitters, and hybrid optical devices that achieve Spectrum Splitting and Beam Concentration (SSBC) simultaneously. Recently, diffractive optical elements (DOE’s) have attracted more attention for their smart use it in the design of optical devices for PV cells applications.This thesis was allocated to design a DOE that can achieve the SSBC functions for the benefit of the lateral multijunction PV cells or similar. The desired design DOE's have a subwavelength structure and operate in the far field to implement the target functions (i.e. SSBC). Therefore, some modelling tools have been developed which can be used to simulate the electromagnetic field behavior inside a specific DOE structure, in the range of subwavelength features. Furthermore, a rigorous hybrid propagator is developed that is based on both major diffraction theories (i.e. rigorous and scalar diffraction theory). The FDTD method was used to model the propagation of the electromagnetic field in the near field, i.e. inside and around a DOE, and the ASM method was used to model rigorously propagation in the free space far field.The proposed device required to implement the intended functions is based on two different DOE’s components; a G-Fresnel (i.e. Grating and Fresnel lens), and an off-axis lens. The proposed devices achieve the spectrum splitting for a Vis-NIR range of the solar spectrum into two bands. These two bands can be absorbed and converted into electrical energy by two different PV cells, which are laterally arranged. These devices are able to implement a low concentration factor of “concentrator PV cell systems”. These devices also allow achieving theoretically around 70 % of optical diffraction efficiency for the both separated bands. The impact distance is very small for the devices proposed, which allows the possibility to integrate these devices into compact solar cell systems. The experimental validation of the fabricated prototype appears to provide a good matching of the experimental performance with the theoretical model.