Polarisation et cohérence optique

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Lumière complexe en milieu désordonné



Activité portée par : C. Amra, M. Zerrad, G. Soriano
Collaborateurs internes : M. Lequime (CONCEPT), H. Tortel (HIPE), P. Réfrégier (PHYTI)

Collaborateurs externes : X. Orlik (ONERA DOTA), J.C. André (LRGP)

Doctorants : A. Ghabbach (ANR TraMEL), Q. Ailloud (CNES/PACA)

Dans le domaine de l’imagerie en milieu trouble, une première étape consiste à élaborer la relation entre le signal d’entrée (une image par exemple) et le signal de sortie (l’image diffusée/diffractée). La différence observée entre l’entrée et la sortie constitue une signature du milieu complexe traversé, et fournit un premier outil de scrutation/sondage/caractérisation. Mais par là-même, la mémoire de l’entrée qui persiste en sortie est une donnée précieuse qui peut servir à transporter de l’information à travers le milieu diffusant. De nombreux efforts sont ainsi consentis pour déceler et amplifier cette mémoire, de manière à reconstruire sans déformation le signal d’entrée. Différents types de signaux peuvent également être envisagés, pour cibler la meilleure persistance en fonction du milieu. Les applications sont naturellement nombreuses et concernent les secteurs de la navigation, du vivant et de la défense, de la télédétection…

Les signaux abordés ici concernent la polarisation et la cohérence en entrée et sortie de système. Le milieu traversé est désordonné et produit du speckle, dont la granularité se traduit par l’enregistrement de 106 points de mesure sur une caméra CCD positionnée dans une direction de l’espace. Il s’agit alors de mesurer les propriétés de la lumière (polarisation et cohérence temporelle) dans chaque « grain » de speckle, et d’en étudier les statistiques que l’on cherche ensuite à relier à celles de l’onde incidente et du milieu diffusant.

En d’autres termes, la lumière partiellement polarisée transporte un désordre temporel que l’on projette sur un désordre spatial (l’échantillon). Cette projection « mêle » les statistiques spatiales et temporelles de la lumière et de l’échantillon, et ce couplage vient régir les propriétés de l’onde diffusée (le speckle) que l’on étudie. Ceci revient donc à scruter le désordre spatial du milieu avec les statistiques temporelles de l’onde incidente, ce qui nous éloigne des méthodes plus classiques où le signal sonde est ajustable mais déterministe. Les effets mémoire sont alors analysés à travers les densités de probabilité de l’intensité, du degré ou de l’état de polarisation, ou de la cohérence temporelle du speckle.

Ces études entièrement nouvelles au laboratoire ont conduit à de nombreux succès, à la fois en termes de connaissance et de valorisation. Elles ont été dynamisées par la labellisation du projet ANR TRAMEL en 2015, qui a fédéré 4 équipes de l’UMR (CONCEPT/RCMO/HIPE/SEMOX) et l’ONERA/DOTA. 14 articles et 2 brevets ont été publiés dans ce cadre, en parallèle de nouveaux contrats avec le CNES et PSA. Enfin, ces études se sont étendues à l’analyse optique de végétaux (domaine agroalimentaire, avec BioGemma) grâce à la labellisation d’un nouveau projet ANR en 2016 (OptiPag).

L’accent a cependant été mis sur les fondamentaux, en raison de nombreux phénomènes inattendus qui n’avaient pas été identifiés jusque-là. En particulier le phénomène de repolarisation temporelle (locale) a été mis en évidence, avec un excellent accord calcul/mesure. Le processus associé impose qu’une lumière diffusée par un volume ne peut pas être dépolarisée, quelle que soit l’onde incidente. Quand bien même cette onde incidente serait totalement dépolarisée, la lumière diffusée révèle un degré de polarisation moyen de 0,75. Nous avons également montré comment la dépolarisation temporelle venait en compétition de ce phénomène de repolarisation, dans le cas de milieux dispersifs. Cette compétition a été mise à profit pour « inverser » la polarisation, une procédure unique susceptible de permettre l’extraction, dans un faisceau, de la quantité de lumière dépolarisée. Enfin, la dépolarisation spatiale a été formalisée et quantifiée, et sa nature multi-échelle mise en évidence. Notons que l’interprétation de ces phénomènes a requis de coupler les formalismes de l’optique statistique et l’optique électromagnétique.

Un instrument unique a été construit dans ce contexte pour autoriser la mesure de polarisation (état et degré) dans chaque grain de speckle, en dépit d’innombrables difficultés (dérives thermiques et mécaniques du speckle et des matrices LCD, grandes dynamiques requises à faible niveau sur la matrice CCD, stabilité et échantillonnage sub-picométrique en longueur d’onde, effets de seuil…). Ce système optique fournit aujourd’hui les histogrammes (ou lois de densités de probabilité) de l’intensité, de l’état de polarisation et du degré de polarisation du speckle ; il ne trouve pas d’équivalent en dehors du projet TRAMEL. Les mesures bénéficient d’une grande robustesse grâce au nombre important de données (106). De façon générale, toutes les prédictions ont ainsi pu être valisées avec cet instrument, nous assurant de la bonne compréhension des phénomènes.

La liste des publications (RICL) ci-après témoigne de ces briques de connaissance sur lesquelles s’est progressivement construit le projet scientifique ici exposé. On pourra aussi consulter, pour plus d’information, le site du projet ANR TRAMEL : http://conceptatfresnel.wix.com/tramel.

Mots-clés : Lumière complexe et milieux désordonnés, optique électromagnétique et optique statistique, polarisation et cohérence…

Publications :

Jacques Sorrentini, Myriam Zerrad, and Claude Amra, "Statistical signatures of random media and their correlation to polarization properties," Opt. Lett. 34, 2429-2431 (2009)

Myriam Zerrad, Jacques Sorrentini, Gabriel Soriano, and Claude Amra, "Gradual loss of polarization in light scattered from rough surfaces : Electromagnetic prediction," Opt. Express 18, 15832-15843 (2010)

J. Sorrentini, M. Zerrad, G. Soriano, and C. Amra, "Enpolarization of light by scattering media," Opt. Express 19, 21313-21320 (2011)

P. Réfrégier, M. Zerrad, and C. Amra, "Coherence and polarization properties in speckle of totally depolarized light scattered by totally depolarizing media," Opt. Lett. 37, 2055-2057 (2012)

M. Zerrad, G. Soriano, A. Ghabbach, and C. Amra, "Light enpolarization by disordered media under partial polarized illumination : The role of cross-scattering coefficients," Opt. Express 21, 2787-2794 (2013)

G. Soriano, M. Zerrad, and C. Amra, "Mapping the coherence time of far-field speckle scattered by disordered media," Opt. Express 21, 24191-24200 (2013)

G. Soriano, M. Zerrad, and C. Amra, "Enpolarization and depolarization of light scattered from chromatic complex media," Opt. Express 22, 12603-12613 (2014)

A. Ghabbach, M. Zerrad, G. Soriano, and C. Amra, "Accurate metrology of polarization curves measured at the speckle size of visible light scattering," Opt. Express 22, 14594-14609 (2014)

Ayman Ghabbach, Myriam Zerrad, Gabriel Soriano, Simona Liukaityte, and Claude Amra, “Depolarization and enpolarization DOP histograms measured for surface and bulk speckle patterns”

Ayman Ghabbach, Myriam Zerrad, Gabriel Soriano, Simona Liukaityte, and Claude Amra, Optics Express, Vol. 22, Iss. 18, p. 21427 (2014)

Jan Dupont, Xavier Orlik, A. Ghabbach, M. Zerrad, G. Soriano, and C. Amra, "Polarization analysis of speckle field below its transverse correlation width : application to surface and bulk scattering," Opt. Express 22, 24133-24141 (2014)

Myriam Zerrad, Clément Luitot, Jacques Berthon, and Claude Amra, "Optical systems for controlled specular depolarization," Opt. Lett. 39, 6919-6922 (2014)

Myriam Zerrad, Hervé Tortel, Gabriel Soriano, Ayman Ghabbach, and Claude Amra, "Spatial depolarization of light from the bulks : electromagnetic prediction," Opt. Express 23, 8246-8260 (2015)

G. Soriano, M. Zerrad, and C. Amra, "Speckle intensity statistics for chromatic scattering media under partially polarized illumination," Opt. Express 23, 20796-20803 (2015)

Brevets :

Myriam Zerrad, Gabriel Soriano, Claude Amra. Gamma speckle. France, N° de brevet : ICG30195 FR. 2015.

Myriam Zerrad, Claude Amra. Dépolariseurs spéculaires parfaits. France, N° de brevet : FR1454923. 2014.

Projets académiques financés :

  • Ces travaux ont bénéficié du soutien de l’ANR via le financement du projet TraMEL 2011-2015
  • Le projet OptiPag dévolu à l’analyse optique de végétaux a été labellisé par l’ANR en 2016
  • Une R&T « dépolariseurs spéculaires parfaits » a été financée par le CNES (2015-2016). De nouvelles R&T sont en cours de signature pour 2017.

Contrats de recherche avec des industriels : Un contrat a été signé en 2015 dans le cadre de l’Open Lab PSA.

Projet soumis (non labellisé) :
Projet LUCID (ANR ASTRID 2015-2016)