Approche matricielle de la propagation de la lumière à travers des milieux hautement diffusants pour le contôle temporel et spatial du champ

Matricial approach for field correlation and temporal control of light propagation through strongly scattering media

• Auteur / Autrice : Louisiane Devaud
• Direction : Sylvain Gigan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Maître
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Allard P. Mosk, Sébastien Popoff
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hui Cao, Rachel Grange

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes mésoscopiques

Matrices

Optique non linéaire

Lumière -- Propagation

Mots clés libres

Milieux complexes

Diffusion

Aspects temporels

Corrélations du champ

Approche matricielle

Matrice de transmission

Complex media

Scattering

Temporal aspects

Résumé

Comprendre la propagation de la lumière en milieu complexe représente un enjeu académique majeur. En vue d’applications en imagerie médicale, il est même essentiel de pouvoir la contrôler. Sa linéarité autorise, pour l’étude de la transmission lumineuse, une approche matricielle qui, associée aux méthodes de façonnage du front d’onde, a joué un rôle clé dans sa manipulation. Initialement développée en régime monochromatique, cette approche permet également d’appréhender les aspects temporels ou spectraux de la propagation en régime pulsé. Dans ce travail, nous montrons que la matrice de transmission, dûment décomposée en valeurs singulières, est un outil permettant un contrôle très poussé du champ électrique en sortie de milieux complexes. Les corrélations du champ sont notamment manipulées à volonté, et ce au-delà des seuls degrés spatiaux. De plus, au cours de la propagation de pulses courts, la puissance instantanée de sortie peut être modulée grâce à la détermination expérimentale préalable d’une matrice de transmission résolue en temps.

Understand light propagation in complex media is a major academic challenge. It is even essential to control it when aiming for medical imaging applications. Linearity of light propagation allows using a matricial approach to describe light propagation. Associated to wavefront shaping techniques, the matricial description plays an important role in light manipulation. Initially developed for monochromatic regimes, this approach also enables to tackle temporal or spectral aspects when it comes to propagation of pulses of light. In this work, we show that the transmission matrix and its singular value decomposition is a tool that allows an extensive control over the electric field behind complex media. For instance, field correlations are engineered at will, and even beyond the mere spatial degrees of freedom. Moreover, instantaneous power of short pulses benhind a scattering medium can be modulated thanks to the experimental determination of a time resolved transmission matrix.