Spatio-temporal control of light in complex media

• Auteur / Autrice : Sébastien Popoff
• Direction : Mathias Fink, Albert-Claude Boccara
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Acoustique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes -- Propagation

Lentilles (optique)

Lumière -- Propagation

Renversement du temps

Résumé

L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est d'associer les outils et le formalisme développés en acoustique aux techniques propres à l'optique. Ces études ont été rendues possibles grâce aux avancées technologiques récentes qui autorisent le contrôle et la mesure, spatialement et temporellement, des ondes optiques. En nous appuyant sur un système permettant de contrôler et de mesurer spatialement le champ complexe optique, nous avons enregistré la matrice de transmission d'un milieu diffusant. Nous exploitons cette matrice pour focaliser la lumière et détecter des images à travers le milieu ainsi que pour l'étude de ses propriétés physiques. En utilisant un montage et un modèle similaire, nous mesurons ensuite à travers un milieu aberrateur la matrice de réflexion d'un milieu contenant quelques diffuseurs efficaces. Nous exploitons la décomposition en valeurs singulières de cette matrice pour détecter les diffuseurs et focaliser la lumière sélectivement sur plusieurs d'entre eux, en compensant les aberrations du milieu de propagation. Une autre approche présentée est l'exploitation de l'analyse de la matrice de réflexion pour l'étude des modes de rayonnement d'une particule unique. La dernière étude réalisée concerne l'application du retournement sur modulation en optique. Cette technique consiste à apprendre les réponses d'un milieu diffusant ou réverbérant à une modulation et à exploiter ces réponses pour focaliser la lumière au sein du milieu. Nous prouvons l'efficacité de cette technique pour la focalisation temporelle dans une cavité et tentons de l'étendre pour une focalisation à la fois spatiale et temporelle.

The aim of the work presented in this dissertation is to combine the tools and the formalism developed initially for acoustic waves with techniques peculiar to the field of optics. The recent technology breakthroughs devoted to the spatial and temporal control and measure of the complex optical field have made possible these studies. Thanks to a system that allows us to spatially control and measure the optical field, we record the transmission matrix of a diffusing medium. We exploit this matrix to focus light and detect an image through the medium. We also apply the analysis of the matrix to the study of some physical properties of the medium. Using the same model and a similar experimental setup, we then measure through an aberrating medium the reflection matrix of a system that consists of a few strong scatterers. Using the singular value decomposition of this matrix, we are able to detect and selectively focus light on the scatterers, compensating in the process the aberrations induced by the propagation medium. Another approach described is to apply the analysis of the reflection matrix to study the radiation patterns of a unique scatterer. The last study concerns the application of the time reversal technique with modulated signals in optics. This method consists in recording the response of a medium to a modulation. These responses are then exploited to focus light inside the medium. We successfully prove the efficiency of this technique for a temporal focusing experiment in an optical cavity. We then try to extend these results to spatio-temporal focusing.