Interférométrie stochastique tridimensionnelle : théorie et applications à la métrologie optique super-sensible et à l'amplification de la diffusion de lumière

Three-dimensional stochastic interferometry : theory and applications to high-sensitivity optical metrology and light scattering amplification

• Auteur / Autrice : Guillaume Graciani
• Direction : Marcel Filoche, François Amblard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/11/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Hyuk Kyu Pak
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marcel Filoche, François Amblard, Sylvain Gigan, Pierre Chavel, Georg Maret, François Lequeux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Gigan, Pierre Chavel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie -- Instruments

Mesure

Capteurs optiques

Optique

Mots clés libres

Optique statistique

Interferometrie

Métrologie

Speckle

Diffusion

Spectroscopie

Statistical optics

Interferometry

Metrology

Speckle

Scattering

Spectroscopy

Résumé

La puissance de la métrologie optique nécessite généralement des géométries simples avec un alignement précis et une phase optique bien contrôlée. Dans cette thèse, nous développons plutôt la notion d'interférométrie du chaos, en utilisant un champ optique ayant un désordre géométrique maximal et une phase aléatoire. Nous montrons que la stochasticité conduit à une très grande sensibilité interférométrique et ouvre la possibilité d'un large éventail de nouvelles mesures optiques et d'une nouvelle méthode que nous appelons la Cavity Amplified Speckle Spectroscopy (Spectroscopie de Speckle Amplifiée par Cavité).L'idée clef est d'injecter un laser monochromatique à très faible bande passante dans une cavité à haute réflectivité Lambertienne, qui agit comme un résonateur aléatoire à gain élevé. On obtient alors un billard Lambertien cohérent en 3D, rempli d'un champ aléatoire 3D statistiquement homogène dans l'espace et invariant par rotation. En tout point P, il peut être décrit comme la superposition cohérente d'un grand nombre d'ondes planes prises au hasard dans une distribution statistique unique qui combine indépendamment (1) une distribution à symétrie sphérique du vecteur d'onde sur une sphère ||k||=k0, avec (2) une distribution uniforme de la phase sur [0,2pi], et (3) un état de polarisation uniformément distribué sur la sphère de Poincarré. Le motif de speckle 3D aléatoire qui en résulte reste constant dans le temps tant que la diffusion de la longueur d'onde du laser peut être négligée. A plus long terme, cependant, il se comporte ergodiquement. Ce travail représente la première réalisation expérimentale de la notion de champ aléatoire 3D proposée par Berry, et il se rapporte également aux recherches sur l'enchevêtrement classique de la lumière. Les concepts de résonateur aléatoire à gain élevé, ou billard lambertien cohérent, correspondent à un nouveau domaine de l’optique, qui n'obéit ni à l'équation d'onde ni à l'équation de diffusion, et devrait conduire à de nouvelles recherches théoriques et expérimentales.En pratique, avec une diffusion suffisamment lente de la phase d'entrée et un bruit de photons suffisamment faible, l'intensité du champ de speckle ne fluctue et ne devient ergodique que si la géométrie de la cavité n'est pas constante, ou si elle contient un milieu avec une distribution de longueurs de chemins optiques ou une polarisation non constante. En utilisant des spectres de décorrélation d'intensité obtenus entre 100 MHz et 0,01 Hz à partir de grains de speckle individuels, nous démontrons la possibilité de mesurer les variations picométriques de la géométrie de la cavité et de détecter sous l’ angstrom le mouvement de diffuseurs en solution. Cette interférométrie volumique du chaos peut également être utilisée pour amplifier des signaux de diffusion auparavant indétectables, et nous montrons un setup miniaturisé de diffusion de la lumière fonctionnant avec des volumes de l’ordre du microlitre et des systèmes quasi-transparents. Un brevet a été déposé pour toute une série d'applications, notamment la détection des vibrations sismiques et acoustiques, la caractérisation du bruit de phase des lasers et la mesure d'échantillons très dilués et peu diffusants.

The power of optical metrology generally requires simple geometries with precise alignment and well controlled optical phases. In the present thesis, we develop instead the notion of chaos interferometry, using an optical field with maximal geometric disorder and phase randomness. We show that stochasticity leads to a very high interferometric sensitivity and opens up the possibility for a wide range of new optical measurements and a new method we call Cavity Amplified Speckle Spectroscopy.The key idea is to inject a very small bandwidth monochromatic laser into a cavity with high albedo Lambertian reflectivity, which acts as a high-gain random resonator. A 3D coherent Lambertian billiard is obtained, filled with a 3D random field that is statistically uniform in space and invariant by rotation. At any given point P, it can be described as the coherent superposition of a large number of plane waves randomly taken from a unique statistical distribution that independently combines (1) a spherically symmetric distribution of the wave vector on a sphere ||k||=k0, with (2) a uniform distribution of the phase on [0,2pi], and (3) a uniformly distributed polarization state on the Poincarré sphere. The resulting random 3D speckle pattern remains constant with time as long as the diffusion of the laser’s wavelength can be neglected. At longer times however, it behaves ergodically. This work represents the first experimental realization of the notion of a 3D random field proposed by Berry, and it also relates to the investigations on classical light entanglement. The concepts of high-gain random resonator, or coherent Lambertian billiard, correspond to a new kind of field in optics, that obeys neither the wave equation nor the diffusion equation, and should lead to new theoretical and experimental investigations.Practically, with a slow enough diffusion of the input phase and a small enough photon-number noise, the speckle intensity field fluctuates and becomes ergodic only if the geometry of the cavity is not constant, or if it contains a medium with a non-constant optical path length distribution or polarization. Using intensity decorrelation spectra obtained between 100 MHz and 0.01 Hz from single speckles, we show the possibility to measure picometer variations of the cavity geometry and to detect sub-angstrom motion of scatterers in solutions. Chaos interferometry can also be used to amplify previously undetectable scattering signals, and we show a miniaturized light scattering setup working with microliter volumes and quasi-transparent systems. A patent was filled for a range of applications including seismic and acoustic vibration sensing, laser phase noise characterization and measurements of highly diluted and poorly scattering samples.