Journées Des Doctorants de l’Institut Fresnel

1er et 2 juillet 2021

Ecole-Centrale-Marseille

Votez pour vos candidats préférés à chaque fin de session

Vote for your favorite candidates at each session end

1ère Année : 14 Posters

2ème Année : 17 Présentations « MT180 » 3 minutes 3ème Année : 21 Présentations « MT300 » 5 minutes

Permanents : 8 Présentations « Ma Recherche en 300 secondes »

Rappel des critères d’évaluation à prendre en compte / Reminder of evaluation criteria

• Vulgarisation : expliquer les concepts et les idées dans un langage accessible aux non-scientifiques et non-spécialistes du domaine

  Vulgarization: explain concepts and ideas in a language accessible to non-scientists and non-specialists in the field

  
  

• Structure et enchaînement des idées : logique, clarté des slides, structure du poster

  Structure and flow of ideas: logic, clarity of slides, structure of poster

  
  

• Discours : fluidité, rythme, gestuelle, humour, métaphores, exemples, illustrations…

  Speech: fluidity, rhythm, gestures, humor, metaphors, examples, illustrations...

  
  

• Implication : transmettre sa passion, susciter la curiosité du public, effort pour effectuer sa présentation en Français

  Involvement: transmit your passion, raise the curiosity of the audience, effort to

  present in French

  
  

• Originalité / Originality

Jeudi 1er juillet 2021

Vendredi 2 juillet 2021

Session Posters

Jeudi 1er juillet de 15h00 à 17h00

Conférences Invités

Intervention de David KARLIN, PhD - ITG formation

Écrire une section "Résultats" claire et cohérente

La section "Résultats" de votre article est-elle claire ?

Dans cet atelier, un formateur et ancien chercheur, David Karlin, vous montrera la méthode OHEDR, qu'il enseigne dans ses formations à l'écriture d'article.

Il vous propose de faire un diagnostic d'articles en direct lors de l'atelier.

Le diagnostic peut en effet vous permettre d'augmenter vos chances de publication... Information : moretime4research.com

Invités du MEMO Chapter Student Jeremy ATTARD & Denis CAROTI

"Esprit critique es-tu là? Quelques outils pratiques d'autodéfense intellectuelle."

Poincaré écrivait en 1902: "Douter de tout ou tout croire sont deux solutions également commodes, qui l'une et l'autre nous dispensent de réfléchir." Trouver l'équilibre entre ces deux positions intenables est toujours d'une grande importance dans notre société contemporaine où l'accès à l'information n'a jamais été aussi simple et où pourtant se faire une idée fiable sur des sujets complexes n'en reste pas moins compliqué. Nous introduirons dans cette conférence certaines questions épistémologiques fondamentales afin de cadrer autant que faire se peut ces problématiques, tout en fournissant dans le même temps quelques outils pratiques d'autodéfense intellectuelle issus de ces questionnements.

Permanents

Ma Recherche en 300 secondes

THEME MODELISATION ELECTROMAGNETIQUE : Boris Gralak et Guillaume Demésy THEME INFORMATION ET PHOTONIQUE : Gabriel Soriano et Ali Khalighi

THEME NANOPHOTONIQUE ET COMPOSANTS : Julien Lumeau et Brian Stout THEME IMAGERIE : Patrick Ferrand et Anne Sentenac

Jeudi 01/07 à 14h30

Boris Gralak " Quelle perméabilité dans les milieux magnétiques passifs ? "

Gabriel Soriano " Surfaces Rugueuses Aléatoires "

Julien Lumeau " Matériaux à changement de phase pour la modulation de la lumière "

Patrick Ferrand " Briquettes, donuts et rockets "

Vendredi 02/07 à 9h30

Guillaume Demésy " Une quasi-introduction aux quasi-modes "

Ali Khalighi " Internet of Lights "

Brian Stout " Sonnez des cloches de lumière "

Anne Sentenac " La microscopie super-résolue à éclairement aléatoire "

Résumés des 1ère Années Posters

Méthodes de morphing automatisé pour une application en calcul numérique accéléré.

AZNAVOURIAN Ronald – GSM

Directeur de thèse : Julien MAROT

Cette thèse se situe dans le contexte du traitement de l’image appliqué aux simulations numériques, et plus particulièrement, aux simulations numériques dans le domaine de la propagation d’ondes sismiques, en nous limitant aux ondes de surface. Cette thèse est constituée de trois parties :

• Premièrement, l’étude du bruit de signaux sismiques. Débruiter un signal est un exercice qui a déjà été fait à maintes reprises, mais ici, l’idée serait d’analyser uniquement le bruit, afin de vérifier si on pourrait caractériser un sol seulement à partir de l’analyse du bruit.

• Deuxièmement, l’extrapolation d’un résultat de simulation numérique à partir de deux résultats obtenus par des calculs. Par le passé nous avons montré qu’il était possible d’obtenir un assez bon résultat en utilisant le morphing pour déduire, par interpolation, un résultat intermédiaire entre deux résultats obtenus par des calculs, et maintenant, nous voudrions faire exactement l’inverse, c’est- à-dire créer une « fonction » inverse du morphing qui nous permettrait non plus d’interpoler, mais d’extrapoler un résultat en dehors des limites situées entre deux résultats obtenus par des calculs.

• Troisièmement, on voudrait utiliser des méthodes d’optimisation pour obtenir le meilleur design de cape d’invisibilité sismique. Intuitivement, nous savons que plus nous augmentons l’anisotropie ou le nombre de couronnes de la cape, et plus celle-ci sera performante, toutefois, dans le monde réel, on ne peut pas augmenter indéfiniment les valeurs de ces paramètres. L’idée est donc de trouver le meilleur point d’équilibre entre ce qui reste dans le domaine du possible, dans le monde réel, et le meilleur résultat numérique théorique.

Generative Adversarial Network for multimodality PET/MRI Generation

BAZANGANI Farideh – IMOTHEP

Directeurs de thèse : Éric GUEDJ, Frédéric RICHARD

Recently with the strengths of Artificial Intelligence (AI) and the power of Deep Learning models, scientists focused on Computer-Aided Diagnosis (CAD) for the automation of medical tasks. One of the biggest challenges for using Deep learning models especially for neuroimage processing like segmentation or classification is the lack of sufficient samples to train a deep network. As most of the neuroimages are 3D volume, 3D deep learning models by catching the spatial information of medical images in 3D like MRI and PET achieved good performance in CAD but still, the lack of adequate medical images can ascertain in training such 3D models. In addition, sometimes based on some data privacy using local databases in institutes and hospitals is not possible.

After the development of the generative model especially generative adversarial network (GAN) and the need for more data in the medical field, image synthesis is one of the most interesting topics in medical image processing. Early works before the generative model for image synthesis focused on statistical approaches like transformation or mixture models. For example for multimodalits generatived images since there are many variabilities in different modalities therefore the mapping is a tough task for a non-generative model. With the Generative model by the capability of generating data, this mapping could have done more productive and reliable.

Freshly by developing GAN and various kinds of GAN like conditional GNA, Wasserstein GAN and Pix2Pix GAN it is achievable to have sufficient quality for generated images and including some clinical data like age, gender or level of education in the model in order to increase the effectiveness of the generated model. Another possibility could be generating artificial neuroimages with respect to specific brain disease like Alzheimer disease in different stages which could be helpful for the clinician to diagnose Alzheimer in the early stages.

Furthermore with generating different modalities of medical images like PET or MRI the patient would not require to accept the health risk of some neuroimaging scan like PET image and can have the PET image even just by taking an MRI or vice versa. This technique will help to reduce the medical cost for the patients and help the clinician to get more knowledge in a shorter time by obtaining different modalities of neuroimages.

Quantitative phase microscopy of bacteria using 4 wave interferometry

BENEFICE Maëlle – MOSAIC

Directeur de thèse : Guillaume BAFFOU

The aim of my thesis is to apply Quadriwave Lateral Shearing Interferometry (QLSI), a quantitative phase imaging technique to the study of hyperthermophile archaea, species which live at very high temperature. QLSI is based on a simple grating placed in front of a usual camera. This offers the possibility to image living specimen quantitatively, non-invasively, without any label and with a good contrast. The advantage of this technique is its simplicity, as it only requires a microscope, a Kholler illumination and a phase camera. The grating placed in front of the camera creates an interferogram from which we can retrieve the phase and the intensity of the image.

I’ve first focus my work on imaging bacteria. I imaged Escherichia Coli at various temperature around their optimal growth temperature (37°C). The heating is done via a heating stage. I’ve monitored their growth during time. As QLSI allows to obtain quantitative phase information, I calculated the optical volume and then deduced the dry mass of the bacteria. I compared the growth rate of bacteria at various temperature, by comparing their dry mass over time.

I’ve also studied bacteria at higher temperature using laser heating. Laser heating creates a temperature gradient allowing to follow the growth of bacteria at various temperature in a single acquisition.

Eude d’un concept de dispositif de mesure de glycémie non invasif pour le monitoring du fantassin

BUISSON Clément – HIPE

Directeurs de thèse : Pierre SABOUROUX, Victoria TISHKOVA

Le corps humain a besoin d’énergie pour pouvoir fonctionner et le sucre en est une source. Lors d’un repas, le sucre ingéré par l’intermédiaire des aliments va avoir un impact sur le corps humain qui se caractérise par une variation de glycémie. En effet la glycémie représente la concentration en sucre dans le sang. Cette concentration peut être catégorisée suivant trois cas : les cas pathologiques de l’hypoglycémie (manque de sucre) et de l’hyperglycémie (trop de sucre) et l’état normal. Les techniques de contrôle classiques de cette glycémie sont invasives et nécessitent l’utilisation d’une aiguille.

L’objectif de la thèse est d’étudier un dispositif de mesure non invasif en continue de la glycémie. Cela permettrait ainsi, aux diabétiques d’éviter des piqures récurrentes, aux sportifs de pouvoir gérer leur apport énergétique de façon optimale, et pour l’armée, de gérer et de contrôler l’état de santé des soldats en mission. Notre dispositif de mesure se base sur un brassard équipé d’un réseau de six antennes dipôles positionnées autour du bras. On émet sur une antenne et réceptionne les informations sur les cinq autres puis avec une permutation circulaire on change d’antenne émettrice et d’antennes réceptrices. En traitant les informations, l’objectif est de trouver la concentration en sucre au moment de la mesure.

Tomographie photoacoustique pour l’imagerie multiphysique des tissus biologiques

CAPART Antoine – DIMABIO

Directrice de thèse : Anabela DA SILVA

La tomographie photoacoustique est une modalité d’imagerie basée sur la génération d’ondes acoustiques par illumination des tissus avec une source laser pulsée. La lumière absorbée par le tissu est convertie en chaleur. Cette chaleur induit alors une expansion thermique qui crée alors une onde acoustique détectable à l’aide de transducteurs. La pression photoacoustique générée par cette impulsion laser dépend des paramètres optiques du tissu illuminé mais aussi de ses paramètres mécaniques.

Cette thèse a pour objectif de récupérer des informations quantitatives précises sur les paramètres optiques et/ou mécaniques du milieu sondé à partir de l’exploitation des signaux photoacoustiques obtenus. La résolution d’un problème inverse doit donc être réalisée afin de remonter à ces informations et les découpler.

L’obtention de ces informations pour des organes particuliers permet de remonter à leur composition et peut alors aider au diagnostic de diverses pathologies. Dans le cadre de cette thèse, l’application de cette méthode au disque intervertébrale est prévue, en collaboration avec Olivier BOIRON de l’IRPHE qui s’intéresse à la biomécanique de cet organe.

Inner structure imaging of solar system’s small bodies

DUFAURE Astrid – HIPE

Directrices de thèse: Christelle EYRAUD, Amélie LITMAN

The shape and surface of comets and asteroids are relatively well known thanks to the different observations and cameras on board during the space missions. However, to image the internal structure we only know the technique of RADAR, such as the one on-board of ROSETTA mission which aimed to image the internal structure of the comet 67P/CG. The studies carried out following this mission allowed to determine the effective permittivity of the comet thanks to temporal echoes. This mission has motivated other space missions such as the HERA mission led by ESA to the binary asteroid Didymos (rendezvous 2024). The goal of my PhD thesis is to develop algorithms to better image the internal structure of small solar bodies using electromagnetic (E.M.) programming. During this PhD thesis, a coupling of RADAR techniques with E.M. imaging procedures will be implemented. Then, we will adapt the imaging reconstruction algorithms to the physics of the problem by incorporating a priori information in collaboration with the Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble (IPAG), PI of the RADAR on board the HERA mission. A collaboration with the University of Tampere (Finland) is also in progress concerning temporal E.M. modeling.

3D Super-resolution microscopy using Random Illuminations (RIM Microscopy)

GIROUSSENS Guillaume – SEMO

Directeurs de thèse : Anne SENTENAC, Marc ALLAIN

RIM is a super-resolution technique derived from structured illumination microscopy that aims to get rid of the constraint of controlling illuminations, by using speckle illuminations instead of lights grids.

The main challenge of 3D extension come from the fact that the point spread function of the microscope is not isotropic alongside the optical axis, and in particular, have a missing cone, that prevents a good resolution on objects that have low frequency along transversal planes. Moreover, images are acquired through a camera, that can only outputs 2D data, so another question rises in 3D data processing: should the data be processed plane by plane, as they are given by the camera, or should they be processed as a whole 3D object? To answer this question, I’ve implemented simulations of the different methods to compare their results, only on a visual basis for now.

In addition to the extension of the existing method for the 3D imaging, I have also run various tests in order to characterize the behavior of the existing algorithm and looked into a technique that performs an approximation of reconstruction problem that could lead to real time reconstruction.

Apprentissage à l’aide de techniques issues de la théorie de l’information pour la microscopie non conventionnelle

JUSTEL Timothée – PHYTI

Directeurs de thèse : Antoine ROUEFF, Frédéric GALLAND

Il existe de nombreuses situations pour lesquelles il est nécessaire de faire de l’estimation ou de la classification à partir de mesures bruitées. C’est par exemple le cas pour les méthodes de microscopie développées à l’Institut Fresnel dans le domaine de l’optique pour la biologie. Lorsque l’on dispose de modèles probabilistes des données, qui peuvent dépendre de paramètres inconnus, il devient alors possible de mettre en œuvre différentes techniques statistiques afin d’optimiser les traitements considérés. Une tâche qui reste néanmoins complexe est la détermination de ces modèles à partir de quelques observations seulement et lorsque l’on considère de plus des observations acquises à faible flux, ce qui est fréquent en imagerie pour la biologie, pour des raisons de temps de mesures ou de fragilité des échantillons. L’objectif de cette thèse est d’aborder ce problème d’apprentissage statistique à l’aide de techniques issues de la théorie de l’information. Durant cette première année de thèse, nous nous sommes ainsi intéressés à la spectroscopie Raman comprimée, qui consiste à mesurer non plus le spectre entier de l’échantillon, mais le nombre de photons reçus sur quelques détecteurs après filtrage optique du spectre par des filtres binaires. En se basant sur les travaux réalisés précédemment dans l’équipe PhyTI en collaboration avec l’équipe MOSAIC, nous avons ainsi travaillé sur l’optimisation de ces filtres binaires pour la classification et l’estimation de spectres.

Investigation of Optical Nonlinearities for Super Resolution Applications

KARIMBANA KANDY Arjun – ILM / RCMO

Directeurs de thèse : Julien LUMEAU, Konstantinos ILIOPOULOS, Jean-Yves NATOLI

Surpassing the diffraction limit of a focused laser beam is necessary to achieve a sub-wavelength laser beam size. Materials with high nonlinear saturable absorption (SA) characteristics along with nonlinear self-focusing properties can be employed for this purpose. The materials such as Topological Insulators (TI), Transition Metal Dichalcogenides (TMDs) and Indium Tin Oxide (ITO) etc., are extremely interesting and promising candidates in this perspective. The target of this project is to investigate the optical nonlinearity of topological insulators via the Z-Scan technique in order to determine the best candidates for a high saturable absorption efficiency. In the perspective of nonlinearity, most of the proposed materials exhibit a high response when their dimensions are comparable with the atomic scale. Hence, the proposed materials will be deposited as thin films via electron beam deposition and the crystalline-amorphous phase change and its influence on the nonlinearity will be analyzed. The nonlinear refraction and the nonlinear absorption characteristics of the proposed materials will be studied over a wide range of wavelength, possibly from UV to mid IR, by employing an optical parametric amplifier (OPA) in the Z-Scan setup. This will allow an optimization of the nonlinear optical response. The materials of thus confirmed super resolution characteristics will

be utilized in a nano photo-inscription setup for fabricating photonic components like optical filters, photonic crystals, etc., with a hundred nm or even smaller resolution

Near Field Dipole-Dipole Coupling Near Conductive Plate In The Microwave Range: An RF Analogue To Förster Resonance Energy Transfer In Optics

LEZHENNIKOVA Kseniia – CLARTE

Directeur de thèse : Stefan ENOCH

Förster resonance energy transfer (FRET) is a near-field interaction between pairs of quantum emitters. FRET plays a key role in many applications, from the photosynthetic apparatus of plants and bacteria to manipulating, storing, and transferring quantum information. It depends on the donor and emitter itself, but it is also modified by the electromagnetic environment and studied with the Green function. The resonance energy transfer effect is an analogue of the effect on the power transferred between two classical dipoles. One of the most effective ways to investigate this effect is to analyze the antenna impedance in the microwave, this is a direct measurement of the energy transfer unlike optics where measurements are indirect. In this work we consider the classical analogue of the FRET to characterize the effect of the environment. We perform an analytical calculations and measurement of the energy transfer of the of two dipoles near a conductive plane in the microwave range and develop an analytical model to calculate the energy transfer ratio between the two dipoles with finite length by calculation of mutual impedance of the dipoles. The result was compared with an analytical model for calculating FRET from the Green function of the point dipoles at optical wavelengths.

Contribution of Machine Learning by deep neural networks of molecular neuroimaging data for the Differential Diagnosis of Psychiatric Pathologies

PHAM Minh-Tuan – IMOTHEP

Directeurs de thèse : Éric GUEDJ, Mouloud ADEL

Without the advantage of neuroimaging technology, psychiatric diagnosing is not much different now than they were in the past. Neuroimaging likes Positron Emission Tomography (PET) images could make it possible to better clarify psychiatric pathologies by identifying different profiles between diseases. However, interpretation these exams is still subjective and highly impacted by doctor’s experiments. Furthermore, individual and quantified approaches are necessary for the medical management of the pathologies. Tools developed in recent years are based on voxel-based approach and limited in sensitivity, mono-parametric nature. To overcome these drawbacks, in this project, we first investigate PET images in multidimensional based approach using statistics, machine learning and taking into account local tensorial methods (voxel level), global (geometric/graph analysis) approaches and temporal analysis. This dynamic approach could make it possible to extract relevant parameters (such as cerebral functional connectivity) as well as relevant features (such as graph features). Then, the

extracted features are combined with clinical data and are used as input for a classifier. In order to do this, a framework based on AutoEncoder and Graph neural network will be studied and developed both for combining data and classification task.

Label-Free Single Molecule Detection using Deep Ultraviolet Optical Antennas

ROY Prithu – MOSAIC

Directeur de thèse : Jérôme WENGER

Single molecule detection being promising future application have a lot of challenges, to curb those we rely on Label-free technique based of auto-fluorescence of protein under Ultraviolet excitation. However, auto-fluorescence signals being intrinsically weak leads to poor SNR. In our work we intend to solve this problem by using plasmonics in UV regime. Al being the optimum choice for UV plasmonics is exploited, however biologically compatible buffers (water) and UV leads to corrosion in Al nanostructures. We solve this corrosion issue by passivating Al nano-aperture with metal-oxide. We found 10 nm thick layer of SiO2 or 5 nm each of SiO2-TiO2 is most convenient for corrosion protection

1. it can increase the threshold to 30 fold higher. After protection from corrosion, In the race to increase SNR we devise novel antenna: optical horn antenna that gives state-of-art directivity among deep UV plasmonics nano-antenna. The draw back in deep UV is unavailability of high NA objective, our optical horn antenna helps to couple the light to low NA (0.8) objective thus enhancing the collection efficiency. The endgame is to detect the single protein with just one tryptophan (source of auto-fluorescence) at physiological concentration and study its dynamics. In near future we are approaching toward incorporating resonance antennas like gap nanostructure to our Nano-aperture +horn antenna configuration to further enhance the excitation locally.

   
   

   

   Traitement de Données et Modélisation à l'Aide des Algorithmes d’Intelligence Artificielle pour un Réseau de Capteurs

   
   

   SHAKIL Ali – GSM

   Directeurs de thèse : Ali KHALIGHI et PUDLO Pierre (I2M)

   
   

   L’industriel financeur de la thèse (SUEZ) travaille sur le sujet de la digitalisation du cycle de l’eau dans la ville (Marseille). Cette digitalisation passe par le déploiement de capteurs installés dans les avaloirs*1 afin de mesurer le niveau de déchets accumulé à l’intérieur. Le but de cette thèse est de comprendre les dynamiques d’accumulations des déchets à travers les données récupérées et de développer des outils efficaces de traitement pour traiter en temps réel de grandes quantités de données collectées afin d’améliorer la maintenance du réseau d’assainissement.

   J’ai commencé ma thèse en février dernier. Pendant les premières semaines que j’ai passé en particulier en entreprise, j’ai pu prendre en main le sujet et mieux comprendre la complexité du problème. En effet de nombreux facteurs vont intervenir sur la dynamique de remplissage de ces avaloirs tels que la topographie de la ville, la configuration des avaloirs et de son environnement direct, de la pluie, des saisons, etc.

   En réalité, les mesures sont accompagnées d’un bruit sous forme de piques qui s’ajoutent aux données. Mon objectif dans un premier temps est de débruiter les données pour ensuite essayer de corréler les différents facteurs d’influences avec les mesures réelles afin d’y associer un modèle mathématique. Les étapes suivantes consisteront à développer des algorithmes efficaces de traitement de données pour leur classification et pour la prédiction d’accumulation des déchets.

   
   

   

   Intracellular dynamics study using quadriwave lateral shearing interferometry

   
   

   Roman ZINCHUK – MOSAIC

   
   

   Directeurs de thèse : Serge MONNERET, Julien SAVATIER et Benoit WATTELLIER (PHASICS)

   
   

   It is now known that interaction between cells and their environment or between intracellular compartments is based on complex vesicular transport processes. The nature and dynamics of such processes are still a hot topic of scientific study.

   Progress about intracellular trafficking is currently essentially made by constant innovation in fluorescence-based techniques, now reaching single-molecule resolution in living cells. In this case, fluorophore photobleaching is an issue for long-term studies (over a few tens of minutes). Quantitative phase imaging techniques are conventionally used to create long-term high contrast imaging of cells, label-free.

   During the first year of PhD we used improved wavefront sensing technique created by PHASICS called QWLSI-HD (HD for High Definition), where we could multiply by 9 the number of measurement

   points per image and therefore decrease the phase image pixel size from 19.5 𝜇 down to 6.5 𝜇 . Using this technique, we reached about 17 �� localization accuracy for detecting vesicles in COS-7 cells.

   In addition, we worked on adding specificity to quantitative phase imaging. We used fluorescence imaging to train the AI algorithms on mitochondria. We compared performances between the algorithms and between fixed and living samples. We conclude that training made on fixed samples does not efficiently apply to living samples.

   
   

   
   

   Résumés des 2ème Années MT 180’

   
   

   

   Pseudo-Chiral and Achiral Metasurfaces for the Detection of Chiral Molecules

   
   

   AMBOLI Jayeeta – CLARTÉ

   Directeurs de thèse : Nicolas BONOD, Brian STOUT, Guillaume DEMESY

   
   

   Chiral molecules are key molecules in biochemistry that are not superimposable onto their mirror images and their highly sensitive optical detection is a major challenge in life science. The pairs of mirror image chiral molecules, called enantiomers, exhibit different chemical and biological properties depending on their handedness. They unfold their handedness by showing preferential absorption to left and right circularly polarized light. Circular Dichroism (CD) spectroscopy is a relevant and well- established method to differentiate between two enantiomers by measuring their differential absorption of the incident light of opposite circular handedness.

   However, this CD signal is orders of magnitude weaker compared to the background absorption and requires high sample concentration and long measurement time. The interaction of chiral molecules with electromagnetic wave can be characterized by the local chiral density that depends on the local electric and magnetic fields. Therefore, the molecular detection sensitivity can be improved by generating the local electromagnetic fields with large values of chiral density. Many chiral and pseudo-chiral plasmonic nanostructures have been designed to enhance the local chirality density, among which U-shaped scatterers have been of great importance due to their electro-magnetic coupling. Some studies have also demonstrated the importance of achiral and helicity preserving structures that significantly increase the CD signal. Parallelly, recent studies on dielectric nanostructures have drawn attention as an alternative to plasmonic structures, due to their lower optical losses and strong magnetic dipole resonances. In this project, we numerically study and compare the chiral responses of pseudo-chiral (U-shaped) and achiral nano-resonator metasurfaces for both plasmonic and dielectric materials. The far-field optical response of a medium, when excited by polarized light, can be completely described by its 4x4 Mueller matrix. In this study, we calculate the Mueller matrix elements using a well-suited formulation of the Finite Element Method (FEM). This formulation rigorously addresses the vector diffraction problems by periodic crossed gratings of nano-resonators and replaces it with an equivalent radiation problem with

   sources localized inside the resonator itself. Our study focuses on the calculation of 𝑀11 and 𝑀14 as they

   represent the isotropic absorbance and circular dichroism, respectively.

   Tenue au flux des composants optiques de chaine laser PetaWatt en régime

   sub-picoseconde

   DIOP Saaxewer – ILM / CLARTÉ

   Directeurs de thèse : Laurent LAMAIGNERE, Laurent GALLAIS, Nicolas BONOD

   
   

   Cette thèse se déroule dans le cadre du développement de l’installation du laser de puissance PETAL qui doit délivrer des impulsions de puissance supérieure au Petawatt. Les lasers Petawatt bénéficient de très importants efforts de développement afin d’augmenter leur puissance et amener l’interaction lumière matière vers de nouveaux standards. Cependant, l’énergie du faisceau est aujourd’hui limitée par la problématique d’endommagement laser au niveau des composants optiques, miroirs et réseaux de diffraction situés en fin de chaine, là où la puissance du faisceau est maximale. Grâce aux nombreux travaux de recherche sur l’amélioration de la tenue au flux laser de ces composants, une montée en énergie sur l’installation est prévue prochainement. Le premier objectif de cette thèse est de valider l’amélioration la tenue au flux laser des réseaux par une réduction des surintensifications du champ dans la structure. Des nouveaux designs conçus à l’Institut Fresnel ont démontré des variations jusqu’à 20% sur les surintensifications en modifiant uniquement l’empilement miroir du réseau multidiélectrique. Le second objectif de cette thèse est d’étudier l’évolution d’un dommage tir après tir afin d’améliorer notre compréhension du phénomène de croissance. Une étude expérimentale sur les miroirs de transport a permis de mettre en évidence l’influence de plusieurs paramètres sur la dynamique de croissance comme la durée d’impulsion, la polarisation et la forme du faisceau. Nous menons actuellement une étude numérique permettant de modéliser et de mieux comprendre l’évolution de la distribution de l’intensité lumineuse dans les dommages tir après tir.

   
   

   

   Wide-field non-linear Fourier Pthycography

   
   

   FANTUZZI Eric Michele – MOSAIC

   Directeur de thèse: Hervé RIGNEAULT

   
   

   The wide-field non-linear Fourier ptychography project aims to develop a fast label free Fourier ptychography microscopy with vibrational sensitivity to provide intra-operative histology images with a x10-x100 speed improvement as compared to extemporaneous histology and in near-perfect concordance with conventional dye-based HES (haematoxylin, eosin and saffron). The project has started from the study of Dr. Heuke's theoretical work concerning wide-field CARS Fourier ptychography; as first step I studied the “missing cone” problem with reference to the possible accessible information of a sample in the k space for three different light-matter interactions (linear, SHG, CARS) through a computational simulation. I then built the first setup for wide-field non-linear Fourier ptychography microscopy based on SHG and I got the first results, but the computational side requires further improvements. We then implemented the setup with a Pharos laser and an Orpheus OPA manufactured by Light Conversion, this system allowed me to increase the field of view for wide-field SHG by 3 times and to get my first CARS signal from an organic sample. We are now hosting the above mentioned system and I’m currently working on the implementations for the setup to carry out wide- field CARS Fourier ptychography measurements.

   

   Lensless Endoscopy for Two-Photon Fluorescence Imaging in Deep Tissue

   
   

   GAJENDRA Naveen – MOSAIC

   Directeur de thèse : Hervé RIGNEAULT

   
   

   Even though linear contrast imaging such as confocal microscopy is widely used in biological imaging, multi-photon imaging is the method of choice for deep tissue imaging. However, application of multi-photon techniques for deep tissue imaging is limited. The imaging depth is in practice limited to 1 mm due to the exponential depletion of ballistic photons. One way of improving the imaging depth is by miniaturization of the imaging system to an extent that it can be inserted deep into the tissue without causing damage. In lensless endoscopy, a long flexible optical fiber is used for delivery of the excitation light and collection of the fluorescence signal. In such an approach the light source and detectors can be remote and the device inserted into the tissue can be as thin as the optical fiber (few 100mm). Any waveguide with spatial degrees of freedom can be used for this purpose, but for the scope of this study we deal with double-clad bundle of single-mode fibers or multicore fibres (MCFs). Point excitation and scanning is achieved by coherent combining of femtosecond light pulses propagating in the single-mode fibers and back-scattered two-photon signal is collected through the multi-mode inner cladding. MCFs with modified geometries that are insensitive to changes in the fiber transfer matrix due to bending during operation are further explored. Two-photon imaging, we require a highly intense spatio-temporal focal spot for the quasi-simultaneous absorption of two photons by the fluorophore to generate a fluorescence signal. Methods to obtain a stronger focus are also investigated.

   
   

   

   Synthetic CT generation for MR-only Radiotherapy Treatment Planning

   
   

   GARCIA HERNANDEZ Armando – GSM

   Directeurs de thèse : Mouloud ADEL, Pierre FAU, Stanislas RAPACCHI

   
   

   Magnetic resonance image guided radiotherapy (MRgRT) has become one of the most important external beam radiotherapy (RT) cancer treatments available. The MRIdian system is an MRI-Linac that integrates a linear accelerator for RT with a low-field MRI scanner enabling soft tissue imaging with targeted cancer treatment allowing real-time visualization and tracking of the tumor with adaptive radiotherapy. MRI offers better soft tissue contrast for tumor and organ delineation compared to CT, however it does not contain information on the electronic density of tissues. Therefore, CT is still required for treatment plan calculation. Since, MRI and CT images need to be registered during planning this introduces a systematic error. Additional CT images may be needed on a day-to-day basis for patient positioning, increasing the radiation dose received by the patient. The objective of my thesis is to achieve MR-only treatment planning by generating synthetic CT (sCT) images from low-field MRI to avoid systematic registration errors and prevent the need for extra CT radiation. A Denoising AutoEncoder neural network has been used to increase image quality on low-field MRI. The generation of sCT has been achieved using two different neural network architectures: UNET and GAN. Additionally, the generation of Simplified-sCT images has been proposed.

   
   

   

   La Technologie du Raman Comprimé

   GRAND Clément – MOSAIC

   Directeur de thèse : Hervé RIGNEAULT

   
   

   
   

   Les récents développements en microspectroscopie Raman ont étendu leur application à des domaines de la biologie, de la médecine et de la science pharmaceutique. Les améliorations notables de la sensibilité et de la vitesse d'imagerie en sont un très bon exemple qui ont permis l'application de la puissante capacité analytique de la spectroscopie Raman pour la recherche biomédicale. Jusqu’à aujourd’hui, il a été largement démontré que la spectroscopie Raman fournissait des informations puissantes pour les applications biomédicales, mais aussi concernant l'imagerie chirurgicale des tumeurs en temps réel, le diagnostic du cancer du sein, la détection des plaques d'Alzheimer et l'histopathologie.

   Cependant, même si l'imagerie Raman est maintenant devenue une nouvelle modalité d'imagerie qui peut fournir des informations de niveau moléculaire dans des systèmes biologiques inaccessibles par les techniques optiques conventionnelles, de part des contrastes basés sur une sélectivité chimique élevée avec une superbe résolution optique en imagerie « label-free », la microspectroscopie basée sur Raman présente encore des inconvénients. Le volume de données élevé inhérent à la microspectroscopie Raman est le défi majeur à surmonter par l’imagerie dynamique spectrale pour ainsi être efficace dans des applications réelles.

   Dans cette thèse, nous utilisons l'imagerie Raman comprimé dont le développement représente une nette avancée dans le domaine de la spectroscopie Raman puisqu’elle permet, en effet, d'accélérer le processus de mesure et de simplifier simultanément l'analyse des données. Le Raman compressif utilise l'effet Raman spontané pour effectuer l'imagerie chimique de divers échantillons. Contrairement aux appareils commerciaux, le Raman compressif utilise un masque programmable situé dans le plan spectral d'un spectromètre. Il est alors possible de sélectionner un ensemble de raies Raman spécifiques à un composé chimique et de les détecter non plus avec une caméra, mais avec un détecteur mono-pixel plus rapide. La technologie est accompagnée d'une suite d'algorithmes qui définissent les masques optimaux pour détecter les espèces chimiques connues et récupérer leurs concentrations. Notre objectif sera de développer davantage cette technologie (augmenter l'acquisition par multiplexage spatial) et de l'appliquer aux domaines de la détection chimique pour les problèmes de santé, de pharmacologie et parallèlement à des raisons écologiques et environnementales.

   
   

   

   In-situ monitoring of laser treatment of thin film stacks

   
   

   LEITAO ALMEIDA Bruno – ILM

   Directeurs de thèse : Laurent GALLAIS, Denis GUIMARD

   
   

   Since 2016 Saint-Gobain has an industrial laser in-line installed after the exit of the industrial coater in Porz close to Cologne, Germany. ACTILAZTM is a laser process based on near-IR Continuous Wave (CW) laser around 3 m long by 100 μm wide (FWHM) line when focused. Exploring this laser processing technology of Saint-Gobain, this thesis studies the dewetting in metal/dielectric stacks by continuous laser.

   The main objectives of this work are to i) analyze the dewetting mechanism (solid or liquid state) of metallic films using optical in-situ measurements, and ii) study the materials and laser parameters and how they affect structuration of the layers. In order to achieve that, this work aims at determining the temperature reached during laser treatment by combining experimental and numerical approaches: by in-situ measurements (Thermal Measurements with infrared thermography) and numerical simulations (COMSOL).

   First thermal measurement and modelling have been made and compared. The first results suggested a start of metal dewetting below the melting point of the metallic layer. Depending on the structure of the thin-film stack, different dewetting structures could be obtained. The nature and thickness of encapsulating films, as well as the thickness of the metallic layer, play a major role on the structuration obtained.

   
   

   

   Investigation of OPO cavities for high power generation in the mid-infrared

   
   

   MEDINA Manuel – ILM

   Directeur de thèse: Frank WAGNER

   
   

   High average power in the mid-infrared (mid-IR) spectral region is important for many applications, such as remote sensing, spectroscopy and in particular for defence applications, such as optronic countermeasures. A mature technique to deliver such radiation is frequency down-conversion in nonlinear crystals of Zinc Germanium Phosphide (ZGP) through optical parametric oscillators (OPO) and amplifiers (OPA), since the availability of other solid state sources is limited to few watts of average power. To date, only few high power mid-IR ZGP OPOs have been demonstrated. However, they rely on complex pump sources and OPO cavities, most of them based on Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) architectures. Besides, their operation is often characterized by compromised stability and beam quality at high powers.

   The aim of this study is to demonstrate a compact and robust system delivering mid-IR high average power (in the order of tens of watts) with good beam quality. The study focus on the OPO resonator design: different OPO architectures will be explored, with a particular interest on non-planar image rotation cavities. Previous studies proved them to be efficient at low repetition rates, but deep studies have never been conducted at high average power. In-depth investigation of the different factors concurring on the deterioration of the beam quality of the output beams at high powers are carried out. Finally, the performances of the different OPO resonators are compared.

   
   

   

   Enhanced Total Internal Reflection Fluorescence imaging of viruses

   
   

   Anita Mouttou – RCMO / IRIM

   Directeurs de thèse : Aude LEREU et Cyril FAVARD (IRIM)

   
   

   Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) Microscopy is widely used in cell biology to monitor dynamic biomolecular events occurring at the plasma membrane in living cells (such as endocytose and exocytose, as well as virus assemblies and budding). This microscopy relies on evanescent waves that

   allow observing samples beyond the diffraction limit. However, this technique is limited by the weak fluorescence signal and background noise degrading the spatial resolution.

   In this projet, we develop an innovative optical technique for high sensitive fluorescent TIRF imaging by implementing glass coverslips coated with resonant dielectric multilayers (DM). The used DM are alternances of high and low indices dielectric materials with nanometric thicknesses optimized for generating resonant modes under total internal reflection illumination. Designed in a proper way, the resonant DM supports an evanescent wave with a large enhancement generated at the DM/sample interface that will improve the fluorescence signal without increasing the laser intensity.

   Using a commercial TIRF – microscopy, we successfully demonstrate the capability of these substrates to enhance the fluorescence signal as compared to glass coverslips on various biological samples.

   
   

   

   3D Polarization-resolved Nonlinear Microscopy of Biological Samples

   
   

   MUNGER Eleanor – MOSAIC

   Directrice de thèse : Sophie BRASSELET

   
   

   Molecular orientation imaging is a unique field in optical microscopy that provides sub-diffraction limit information about the directional orientation of molecules within the focus. Understanding molecular orientation of specific chemical or crystalline structure on such a small scale (100 nm) has been used to identify collagen types to differentiate cancer and lipid disorganization in myelin sheaths. However the existing technique is only sensitive to the orientation in 2 dimensions, while molecules can orient in all 3 dimensions. Nonlinear spectroscopy can be used as imaging contrast and allows for the interrogation of biological samples without any addition chemical labels. These nonlinear microscopy techniques use multiple photons to selectively probe specific chemical bonds or physical properties. My thesis combines a 3D polarization resolution technique developped for fluorescence microscopy and the advantages of nonlinear microscopy for interrogating biological systems. I have built a new modular microscope with a unique 4 detector scheme which measures 4 polarizations of the emitted light to resolve the 3D molecular orientation of the sample at once. This new microscope allows for many new systems with three dimensional variation in molecular orientation to be observed.

   Laser heating for the study of nuclear fuel under accidental conditions

   REYMOND Matthieu – ILM

   Directeurs de thèse : Laurent GALLAIS et Yves PONTILLON (CEA CADARACHE)

   
   

   Accidental conditions in a nuclear reactor are almost always characterized by an uncontrolled heating of a part or the totality of the core. These thermal transients can lead to a partial or complete damage and/or melting of the fuel rods leading to a potential contamination of the environment due to the dispersion of the radionuclides.

   It is crucial to ensure the coolability of the reactor’s core in the event of an accidental thermal transient by having a precise and complete understanding of the fuel behaviour during these types of sequence. One way to do so is to reproduce thermal and/or mechanical conditions of an accident at the lab scale in a fully instrumented environment. Laser heating is a technique allowing one to reproduce the thermal sequence of a fast (tens of ms) and prompt (up to 2000°C-2200°C temperature increase) accident called Reactivity Iniated Accident (RIA).

   The goal of my thesis is to propose an original experimental work allowing one to reproduce the totality of the RIA thermal history. The objective is to demonstrate our ability to conduct parametric studies and to reach a large set of thermo-mechanical conditions. This experimental work is coupled with 1) the development of an ad-hoc mechanical behaviour law for depleted UO2 in order to simulate the mechanical response of the sample when submitted to laser-heating and 2) the precise characterization of the laser-nuclear fuel interaction.

   
   

   

   Rayonnement thermique des filtres interférentiels – Modélisation et métrologie, synthèse et problèmes inverses

   
   

   ROUQUETTE Paul – CONCEPT

   Directeurs de thèse : Claude AMRA & Myriam ZERRAD

   
   

   Dans cette thèse, on s’intéresse à la modélisation et au contrôle du rayonnement thermique des filtres interférentiels multicouches soumis à un régime laser arbitraire. Ce rayonnement résulte à la fois de la température ambiante et de la température photo-induite qui s’établit lorsque le composant est soumis à un éclairage optique. Une première étape du travail de thèse consiste donc à modéliser cette température photoinduite, due à l’absorption du composant, dans le cadre de différents régimes laser (continu, pulsé, modulé). Ensuite le rayonnement thermique est modélisé par une approche électromagnétique en introduisant, dans les équations de Maxwell, des densités volumiques de courant qui décrivent l’agitation thermique des particules chargées. On se ramène ainsi aux problèmes plus largement étudiés des microcavités luminescentes et cela permet d’obtenir le champ électromagnétique émis par ces courants, et donc les diagrammes de rayonnement thermique spectral, directionnel et temporel. Les travaux actuels se concentrent sur l’élaboration de composants permettant un contrôle spectral et angulaire du rayonnement thermique ainsi que sur la mise en place d’une expérience de mesure. L’objectif final serait de pouvoir extraire de la mesure les paramètres optiques et thermiques des filtres interférentiels.

   

   Colour-controlled Thin-film Coatings

   SHURVINTON Riley – RCMO

   Directeurs de thèse : Julien LUMEAU, Fabien LEMARCHAND

   
   

   
   

   Generation and reproduction of surface colour is a widely-studied topic of great importance in many fields, from marketing to healthcare, art and design, and more. Surface colour is most commonly generated using mixtures of dyes and pigments. However, this approach is limited in both the availability and material properties of existing pigments. A promising alternative lies in the approach of ‘structural colour’ generated via interference, as occurs in nature (such as the rainbow hues of a soap bubble, or the spectacular colours of a peacock’s feathers).

   These structural colours can be realised artificially using thin-film structures, employing nanometer- scale layers of variable index to selectively reflect, transmit or absorb light at different wavelengths. Additionally, as the path length within each layer depends on the angle of incidence, this method can be used to create iridescent colours which change depending on the angle of incidence.

   My thesis work establishes a theoretical framework for the design of such coatings and develops tools to design and optimize them using simulations running in MatLab. Our goals are to experimentally demonstrate high colour control, to generate materials with precise colours or colour ramps. My work also investigates the potential use of ‘active’ phase-change materials, such as GST and GSST, to create coatings that can change colour on the application of an external stimulus, such as temperature or electrical current. These so-called ‘chameleon’ coatings could have a wide range of applications, from low-powered microdisplays to art and design piece

   
   

   

   Laser damage resistance of materials and structures for grating-waveguide

   
   

   STEHLIK Marek – ILM

   Directeurs de thèse : Laurent GALLAIS, Frank WAGNER

   
   

   Advances in laser technologies, such as the generation of ultrashort pulses or high repetition rates, have had a significant impact on laser damage research. The performance of ultrafast solid-state lasers is determined by laser-induced damage on optical components, dielectric coatings or gratings. The PhD work deals with laser damage resistance of optical components that need to be qualified for use in various laser designs - fiber, thin disk or diode lasers. Their rapid implementation in automotive, digital communications or healthcare field highlighted need to have systems that can tailor temporal, spectral or spatial properties of light. A possible solution could be diffractive elements based on the combination of a planar waveguide and sub-wavelength gratings, called grating waveguide structures (GWS). In the thesis, the technological and physical limitations of the power handling capabilities of GWS will be researched in order to improve laser-induced damage threshold. A critical part of study focuses on definition of relevant methodologies and development of testing systems for evaluation of the laser damage resistance of optical components. Non-destructive methods will be developed to evaluate absorption and defects that can be the cause of reduced laser damage resistance. The work is a part of the MSCA ITN GREAT project (http://itn-great.eu/).

   

   Développement d'une infrastructure métrologique française pour assurer la traçabilité au SI des mesures d'humidité dans les solides

   
   

   TALLAWI Byan – HIPE

   Directeurs de thèse : Pierre SABOUROUX, Éric GEORGIN

   
   

   Une étude bibliographique a été réalisée afin de comprendre le contexte général du sujet ainsi que d'établir un état de l'art sur les techniques utilisées pour mesurer ou pour estimer, la permittivité diélectrique d'un matériau, en fonction de la fréquence. Cette première étape constitue un préalable nécessaire avant d'étudier des matériaux humides réels.

   Ensuite, des travaux expérimentaux ont été réalisés afin de se familiariser avec les différents dispositifs expérimentaux, puis de caractériser les différentes cellules coaxiales disponibles au CETIAT. Les premières mesures effectuées avec la cellule EpsiMu® et la cellule développée au CETIAT, sur des matériaux solides et liquides de références, donnent des résultats en accord avec la littérature. Pour chaque cellule, la gamme de fréquence, la taille de l'échantillon admissible ainsi que l'étude des limitations ont été abordées.

   En complément des cellules coaxiales, l'étude d'une cavité résonante a également été menée. Cette étude a été suivie d'une modélisation et d'une simulation électromagnétique de la cavité pour différentes dimensions, ce qui a permis de choisir celles qui serviront pour la réalisation expérimentale. Ce dispositif doit satisfaire de nombreuses contraintes dont celles d'une traçabilité directe au SI, afin de mesurer la teneur en eau de matériaux solides.

   
   

   

   Scattering properties of dust analogs in planet-forming disks

   
   

   TOBON VALENCIA Vanesa – HIPE

   Directeurs de thèse : Amélie LITMAN, Jean-Michel GEFFRIN et François MENARD

   
   

   The microwave analogy is a method relying on the Scale Invariance Rule (SIR) that has been used to measure the scattering properties of objects that would otherwise be difficult to manipulate individually. The SIR states that the scattering properties of analog particles measured at a different wavelength are equivalent to those of the original particles of the same shape, as long as the refractive index and the size-to-wavelength ratio are conserved.

   Our project uses the SIR and the micro-wave analogy experiment to study the scattering properties of dust found in the Solar System and in planet-forming disks, the ultimate goal being to provide direct observational constraints on the first phases of planet assembly, when tiny solid particles start to grow to form larger bodies. We have, for now, considered two types of particles: fractal-like aggregates and compact particles with rough surfaces. These particles were produced by additive manufacturing where the possibility to control their shape, structure, and refractive index is unique and a definite advantage over other measurement methods.

   Our study is focused in these first results on protoplanetary dust analogs with controlled structure, in particular, the phase function and degree of linear polarization of these analogs. Measurements are

   compared to our numerical model to validate the method and highlight their distinctive features, the ultimate goal being to retrieve the particles’ properties like the surface roughness, fractal dimension, porosity and others. These results are the first laboratory measurements of protoplanetary dust disks analogs with controlled structures using the microwave analogy.

   
   

   

   Composants multicouches micro et nano structurés par laser

   
   

   VERRONE Richard-Nicolas – RCMO et ILM Directeurs de thèse : Julien LUMEAU, Jean-Yves NATOLI, Konstantinos ILIOPOULOS

   
   

   Les isolants topologiques, comme le graphène, ont, depuis les débuts des années 2000, fait progresser la recherche en photonique et en optoélectronique notamment pour la fabrication de blocage de mode passif des lasers femtosecondes grâce à leur propriété d’absorbant saturable, mais aussi pourraient permettre de faire des inscriptions en super-résolution, c’est-à-dire en dessous de la limite de diffraction de l’objectif de microscope, pour pouvoir graver des motifs avec une laser et faire des métamatériaux simplement et rapidement. Le matériau que nous avons choisi d’étudier est le Sb2Te3, qui fait partie de la famille des chalcogénures, nous le déposons en couche mince de 10 nm dans la salle blanche de l’espace photonique. Nous avons étudié le Sb2Te3 de plusieurs manières : optiquement pour montrer son comportement large-bande dans le visible et l’infrarouge, avec la méthode du Z-Scan avec un laser femtoseconde pour mettre en évidence ses propriétés non-linéaires optiques qui se sont révélées être parmi les plus importantes en comparaison des autres matériaux de la même nature, nous avons aussi étudié la manière dont il se cristallisait grâce à la diffraction de Rayons X et la microscopie électronique.

   
   

   
   

   Résumés des 3ème Années MT 300 secondes

   
   

   SCANS INFORMÉS POUR L’IMAGERIE DE TISSUS BIOLOGIQUES COURBES

   ABOUAKIL Faris – MOSAIC

   Directeurs de thèse : Loïc LE GOFF, Frédéric GALLAND, Sophie BRASSELET

   
   

   Le microscope confocal à balayage, l’une des techniques les plus utilisées pour l’imagerie biologique, exige le balayage d’un faisceau laser à travers tout l’échantillon d’intérêt. Les tissus biologiques sont des structures 3D hautement organisées. C’est le cas notamment des épithélia, qui sont des surfaces courbes dans un espace 3D. De façon conventionnelle, de tels objets sont imagés plan par plan jusqu’à capture du volume total. Les épithélia n’occupant qu’une faible fraction du volume, on sur-irradie alors l’échantillon lorsque l’on illumine les zones ne contenant pas de signal. Il en résulte une acquisition lente, une photo-toxicité potentielle, et de façon générale, une mauvaise gestion du budget de photons.

   Dans ce contexte, déterminer une meilleure stratégie d’échantillonnage de l’objet imagé permettrait de réduire considérablement l’irradiation de l’échantillon et accélérer le processus d’imagerie. Mais une telle stratégie est rendue difficile par le fait que la localisation et la forme précise de l’objet d’étude ne sont pas connues tant que ce dernier n’a pas été imagé.

   Nous présentons ici un système d'imagerie de surfaces épithéliales, qui adapte automatiquement sa stratégie d'acquisition en fonction de l'échantillon observé. Les images sont acquises par un processus itératif dans lequel les étapes d'analyses et d'acquisitions alternent afin d'acquérir progressivement l'ensemble des zones d'intérêt de l'échantillon tout en minimisant l’échantillonnage des zones sans intérêt. Cette stratégie adaptative requiert l’estimation robuste de la surface d'intérêt à partir d'un très faible nombre d'acquisitions (typiquement 0.1% du volume) et le raffinement de la région d'intérêt aux seuls contours cellulaires porteurs de marqueurs fluorescents. Le système d’acquisition repose sur une illumination multifocale à l'aide de micro-miroirs (DMD) qui permet l’adressage de chaque voxel de l’échantillon.

   Nous présenterons le processus itératif mis en oeuvre et son implémentation expérimentale sur des tissus épithéliaux vivants de la Drosophile. Notre approche adaptative permet une réduction d’un facteur 10 à 100 du nombre de voxels acquis pour une information utile similaire.

   

   Microscopie super-résolue par éclairements aléatoires en réflexion totale interne

   
   

   AFFANNOUKOUE Kévin – SEMO

   Directeurs de thèse : Guillaume MAIRE, Anne SENTENAC

   
   

   L'observation de structures biologiques au niveau de la membrane cellulaire en microscopie de fluorescence est difficile. Il s'agit d'observer des objets très fins, peu intenses et peu contrastés à cause de la fluorescence provenant du volume de la cellule. La microscopie TIRF (Total Internal Reflection Fluorescence) est une méthode qui consiste à exciter la fluorescence de l'échantillon par un éclairement évanescent sur seulement quelques centaines de nanomètres. La microscopie TIRF est ainsi largement utilisée pour étudier les phénomènes biologiques se passant au voisinage de la lamelle. Cependant, la qualité des images est limitée par une résolution transverse de l'ordre de 200 nm et la présence plus ou moins forte de fluorescence hors focus résiduelle provenant de la diffraction de l'onde évanescente par l'échantillon. Pour améliorer la résolution du TIRF, la configuration SIM (Structured Illumination Microscopy) a déjà été utilisée et permet de gagner un facteur deux sur la résolution. Néanmoins cette méthode est contraignante et difficile à mettre en œuvre car le SIM nécessite une illumination sinusoïdale parfaitement connue. Or lorsque l'on travaille avec de grands angles, aux bords de l'ouverture numérique de l'objectif, ce dernier présente de fortes aberrations ce qui déforme la grille de lumière et rend la reconstruction des images très difficile. Le RIM (Random Illumination Microscopy) dans sa configuration TIRF permet d'atteindre une résolution équivalente au SIM (~100nm) ainsi que d'améliorer le sectionnement optique du TIRF sans avoir besoin de connaitre l'illumination grâce à des éclairements aléatoires.

   
   

   

   Geometric transformations for structured light

   
   

   ALEMAN-CASTANEDA Luis – MOSAIC

   Directeur de thèse : Miguel ALONSO

   
   

   Recently, the concept of structured light has become increasingly popular amongst the optics research community. This concept refers to optical fields whose intensity, phase, and/or polarization present spatial variations that endow the light with interesting or useful properties. Relevant examples are those of beams that contain vortices and hence carry orbital angular momentum (OAM), or whose polarization changes spatially, like Full Poincaré beams. We are interested in geometrical transformations that couple these structured characteristics of light to enable new applications and/or give novel conceptualizations of problems at hand, particularly:

   1. Transforming polarization into intensity structure, for super-resolution polarization microscopy.

   2. Encoding phase into polarization structure and then also intensity, in in-line, tailored, polarization-based shearing interferometry.

   3. Converting a reflector’s shape into far field intensity, for the study of reflectors in the far field.

The first two projects are based precisely on light with structured polarization distributions, and the coupling of polarization to other degrees of freedom of interest, and ultimately to a measurable structured intensity distribution. To achieve this, we utilize methodologies based on devices with spatially-varying birefringence distributions, generated either via stress-induced birefringence, such as the stressed engineered optic (SEO), or from liquid crystal plates, like Q-plates. The super-resolution technique for polarization fluorescence microscopy, which we call CHIDO, allows 3D localization plus 3D orientation and wobbling characterization of single emitters. The proposed shearing device, the Geometric Phase Shearing Interferometer (GPSI), enables a wide variety of shearing geometries, while being compact and robust to vibrations. The last project is on structured illumination; we propose a quadratic complex map to asses the intensity distribution of a reflector.

Enhancing Förster resonance energy transfer at longer distances using metal nanostructures

Baibakov Mikhail – MOSAIC

Directeur de thèse : Jérôme WENGER

Single molecule Förster resonance energy transfer (smFRET) is a major technique to measure biomolecular conformations and interactions. However, its range is limited to nanometer distances and nanomolar concentrations. The objective of this PhD thesis is to extend the applicability of smFRET using optical nanostructures such as aluminum nanoapertures to achieve long distance, biologically-relevant micromolar concentration and improved temporal resolution. This breakthrough is achieved by introducing novel nanophotonic elements to manipulate energy transfer at the nanoscale and go significantly beyond the conventional diffraction-limited microscopes. The thesis outcomes will benefit many applications in structural biology, drug discovery and energy conversion at the nanoscale.

Using two FRET pairs of the dyes possessing quite different chemical structure, we detect FRET interaction at the distance of 13.6 nm. We probe different diameters of nanoapertures in order to obtain the higher fluorescence gain and get the narrower FRET distributions. We elaborate the passivation protocol of metal surface to prevent any non-specific interaction between surface and the molecules.

We obtain the lifetime information about different cell compartments (actin, septin and plasma membrane) by time-correlated single-photon measurements (TCSPC) to study the interactions at intracellular level. The interaction between free electrons of metal and fluorophore can modify the intrinsic properties of the dye and therefore its lifetime. Lifetime change can be related the distance information of a dye from metal surface. The interaction between the dye and electrons of metal occurs at the range far beyond 10 nm which extends the scope of energy transfer study for the thesis.

The exploiting of nanoapertures opens the possibility for measuring macromolecular interactions. We study the association between antitermination protein LicT and RNA hairpin by means of 2-color Fluorescence Cross-Correlation Spectroscopy (FCCS). The main goal is to determine the binding fraction of LicT protein to RNA and binding constant defining the interaction.

Impact du profil temporel sur l’endommagement laser de la silice

BOUYER Charles – CEA CESTA

Directeurs de thèse : Jean-Yves NATOLI et Laurent LAMAIGNERE (CEA)

Le Laser Mégajoule (LMJ) est une installation laser de puissance permettant d’étudier le comportement des matériaux dans des conditions de pression et de température extrêmes. Pour ce faire, les 176 faisceaux laser du LMJ sont focalisés sur la cible d’expérience, d’une taille de quelques millimètres de diamètre, en quelques nanosecondes. Les densités d’énergie alors atteintes sont suffisantes pour éventuellement endommager les composants optiques.

Puisque chaque expérience réalisée sur le LMJ est spécifique, les dépôts d’énergie requis sur cible, contrôlés temporellement, sont différents. Dès lors, chaque optique va être éclairée par des impulsions laser avec des profils de puissance différents au cours de sa vie sur l’installation. De plus, certains effets de propagation du laser comme la conversion FM-AM (Frequency Modulation - Amplitude Modulation) ou l’effet Kerr peuvent dégrader la tenue au flux laser des composants en générant des surintensités dans le faisceau.

Un banc d’étude a été développé pour permettre de tester la tenue au flux laser des composants avec des faisceaux au mieux représentatifs du LMJ. En particulier, l’installation de modulateurs d’amplitude a permis de mener une étude paramétrique de l’impact du profil temporel sur l’endommagement laser. Les résultats expérimentaux ont pu être comparés à des simulations pour mieux comprendre la dynamique d’interaction laser-matière mise en jeu.

Interaction lumière neurone - de la photobiomodulation au chauffage optique

DURDEVIC Ljiljana– MOSAIC GROUP

Directeur de thèse : BAFFOU Guillaume

Le point de départ des travaux de thèse, menés à l'Institut Fresnel (Marseille, France), fût l'étude de l'interaction entre neurones en culture et lumière proche infrarouge dans le contexte d'expériences de photobiomodulation, en collaboration avec l'entreprise REGEnLIFE. La photobiomodulation est un traitement thérapeutique qui consiste à illuminer des tissus, ou plus généralement des organismes vivants, dans le domaine l'infrarouge afin d'en améliorer l'état. Cette technique a par exemple fait ses preuves en matière de cicatrisation de plaies, et est récemment testée comme thérapie de maladies neurodégénératives. Le mécanisme sous-jacent de la photobiomodulation reste mal connu. Le but initial de cette thèse était d'en connaître davantage en menant des expériences de photobiomodulation à l'échelle de cellules neurales en culture, en utilisant une technique de caractérisation optique originale et sans marquage: l'interférométrie à décalage quadrilatéral (QLSI). Les travaux de thèse se sont découpés en trois parties. Les premiers efforts ont visé à reproduire les expériences de photobiomodulation de la littérature portant sur des cellules neurales en culture, et observés par imagerie de fluorescence. Ces travaux n'ont pas donné de résultats concluants et ont mis en évidence encore une fois la difficulté à reproduire ce genre d'expérience in vitro. Une deuxième partie à porté sur l'étude d'une élévation de température induites par l'illumination de cellules neurales en culture. L'illumination

infrarouge de neurones en culture peut en effet engendrer des variations de température souvent mal contrôlées. Il a été mis en place une méthode expérimentale basée sur la QLSI capable de contrôler des profils de température aux petites échelles. Des essais préliminaires ont été menés sur cellules neurales en culture, ouvrant la voie à des études d'interaction neurones / gradients de température aux petites échelles. Finalement, une autre méthodologie a été mise en place durant la dernière partie de la thèse, également basée sur la QLSI. Il a été démontré que la QSLI pouvait être utilisée pour mesurer la masse sèche de neurites individuelles appartenant à des neurones en culture, avec une sensibilité de l'ordre de

0.1 pg. Des comportements singuliers encore jamais observés ont été mis en évidence, comme des oscillations quasi-périodiques de la masse sèche de certaines neurites. Cette étude ouvre la voie à l'étude quantitative et sans marquage de la dynamique de neurones en culture.

Multiuser Indoor Visible Light Communications Networks

ELTOKHEY Mahmoud – GSM

Directeurs de these: Ali KHALIGHI, Fary GHASSEMLOOY

Optical wireless communication (OWC) has been receiving an increasing interest to complement the radio-frequency (RF) -based communication systems in providing broadband communications in the 6th generation (6G) wireless networks. With the wide spread use of light-emitting diode (LED) -based luminaires for their energy efficiency, one interesting solution is exploiting the visible spectrum, which is referred to as “visible-light communication (VLC)” or “LiFi”, to achieve simultaneous illumination and communication. The benefits include using unregulated spectrum, and providing RF interference- free communication, which is essential for many indoor and outdoor scenarios. On the other hand, VLC links potentially suffer from performance degradation, due to users receiving non-intended ambient signals, which degrades the signal-to-noise ratio.

In this PhD work, we have proposed multiple access techniques for VLC systems, to allow the access points to efficiently transmit to multiple users simultaneously. The objective has been to improve the system performance, while satisfying illumination requirements and handling user mobility that can necessitate transfers (“handovers”) between the coverage areas of the access points within the VLC network.

Modélisation, contrôle et synthèse des processus de diffusion lumineuse dans les filtres interférentiels complexes

Marin FOUCHIER– CONCEPT

Directeurs de thèse : Myriam ZERRAD, Michel LEQUIME, Claude AMRA

La diffusion lumineuse dans les filtres interférentiels (ou filtres couches minces) est un facteur limitant pour de nombreuses applications, comme l’imagerie multispectrale. Nous développons trois outils pour comprendre et contrôler ce phénomène : la métrologie, la modélisation et la synthèse. La métrologie s’appuie sur l’instrument SALSA (Spectral and Angular Light Scattering characterization

Apparatus), un diffusomètre spectralement et angulairement résolu. Ses performances pour la détection des faibles flux optiques et pour la mesure des fonctions de diffusion sont inégalées. Son fonctionnement a été étendu au proche infrarouge. SALSA opère maintenant sur un spectre continu de 400 nm à 1,7 µm et atteint une limite de détection en diffusion à 10-8 sr-1. De récents travaux ont conduit à la mise au point d’un modèle électromagnétique de la diffusion. La modélisation et la métrologie permettent de prédire et mesurer les propriétés optiques d’un composant connu. Elles sont indispensables au développement de la synthèse. Il s’agit de résoudre le problème inverse et d’identifier une structure de filtre interférentiel qui possède une propriété optique contrôlée. La synthèse ne considère généralement que les propriétés spéculaires (transmission et réflexion) des composants. Nous proposons l’implémentation de nouvelles méthodes d’optimisation par réseaux de neurones artificiels pour la prise en compte des contraintes de diffusion.

Modélisation de canal et solutions d’accès multiple pour les réseaux corporels basés sur la technologie d’optique sans-fil dans un milieu hospitalier

HADDAD Oussama – GSM

Directeur de thèse : Ali KHALIGHI

Les solutions de e-santé connaissent une popularité croissante dans un certain nombre de scénarios d’application en tant que moyens efficaces pour améliorer la qualité de vie et réduire les coûts des soins de santé. Les exemples typiques sont la surveillance en temps réel des patients dans les centres de soins et la télésurveillance des patients post-opératoires ou des personnes âgées à domicile. Ces solutions peuvent être réalisées grâce aux réseaux corporels (WBAN), où un certain nombre de capteurs médicaux situés à l’intérieur et/ou sur le corps collectent et transmettent les signes vitaux des patients à un centre médical par l’intermédiaire de coordinateurs et de points d’accès. Concernant la connectivité des réseaux WBAN, un certain nombre de solutions ont été proposées jusqu’à présent sur la base de la technologie radiofréquences (RF), utilisant principalement les bandes non licenciées. Cependant, les considérations relatives aux interférences RF, à la sécurité des données et à l’impact possible des ondes RF sur les tissus suggèrent les communications optiques sans fil (OWC) comme une alternative appropriée. Cette thèse porte sur la caractérisation et la modélisation du canal WBAN optique d’une part, et les schémas de signalisation appropriés, en particulier, pour gérer la fonctionnalité d’accès multiple (MA) de ces réseaux, d’autre part. Nous considérons d’abord la caractérisation des liaisons infrarouges (IR) intra et extra-WBAN dans un environnement hospitalier typique et étudions les effets de la mobilité et du blocage des faisceaux causés par corps du patient. Pour cela, en simulant un mouvement réaliste du patient à l’aide d’une approche de tracé de rayons Monte-Carlo, nous estimons la réponse impulsionnelle du canal (CIR) et dérivons les statistiques du premier et du second ordre des paramètres du canal tels que le gain DC, retard de propagation et le temps de cohérence. De plus, nous proposons des modèles statistiques basés sur l’approximation optimal (best-fit) et la densité de noyau (kernel densité) pour décrire la distribution de ces paramètres pour un scénario plus général. Sur la base de cette étude initiale, nous évaluons les performances de ces liaisons intra et extra WBAN en termes de probabilité de blocage et quantifions l’amélioration des performances lors de l’utilisation de plusieurs points d’accès (AP). Dans un deuxième temps, nous nous focalisons sur la transmission du signal depuis les capteurs médicaux vers un point d’accès et étudions, dans ce contexte, les schémas MA appropriés dans la couche physique (PHY) et la couche de contrôle d’accès au support (MAC). En particulier, nous étudions le schéma m-CAP MA, basé sur la modulation d’amplitude et de phase sans porteuse a bande multiple (m- CAP) et le schéma des files d’attente distribuées (DQRA). Nous démontrons l’adéquation de la signalisation DQRA aux WBAN à base optique et l’amélioration obtenue en termes de délai d’accès, et de consommation d’énergie par rapport à d’autres schémas.

High-Rate Bidirectional Optical Wireless Data Transmission for Medical WBANs

HASAN Jahid – GSM

Directeur de thèse : Ali KHALIGHI

Continuous monitoring of patients' vital signs in hospitals is crucial to identify deterioration in medical conditions and initiate effective interventions. However, monitoring the growing rate of patients with comorbidity (i.e., the simultaneous presence of two or more health problems) increases the burden on intensive care units and nurses. In such situations, continuous remote monitoring of patients at home or hospital wards is an effective solution. As an example, such an approach will reduce the pressure on hospitals caused by COVID-19 patients, while allowing to keep a safe distance from COVID patients.

Medical tele-surveillance can be achieved by sending timely data from a set of medical sensors placed on the patient’s body through the use of a wireless body area network (WBAN). Whereas RF-based WBANs are subject to electromagnetic interference and potentially suffer from security concerns, optical wireless communications (OWC)-based solutions have emerged as a more suitable solution for wireless medical data transmission.

The main objective of this thesis is to design and develop a high-rate bidirectional transmission link for medical WBANs. We have been investigating OWC transmission between an access point and a number of users using infrared and visible light in the uplink and downlink, respectively. Our focus has been on the design of suitable modulation and multiple access schemes ensuring reliable data transmission in different application scenarios.

Performance Evaluation for an Underwater Optical Wireless Vertical Link Subject to Link Misalignments

IJEH Ikenna– GSM

Directeurs de thèse : Ali KHALIGHI, Steve HRANILOVIC

The underwater environment is flooding with various essential activities such as the exploration and exploitation of mineral resources, monitoring and control of remote equipment. These activities require an efficient wireless communication technique of which the underwater wireless optical communications (UWOC) offer low implementation cost, low latency, high data rate, and energy efficiency, compared with the traditional acoustic communications.

Despite these advantages, the performance of UWOC is degraded by absorption and scattering, solar background noise, oceanic turbulence and link misalignments. A lot of research has been carried out to address these challenges in an UWOC link.

Recently in this thesis, we considered an underwater optical wireless vertical link for a practical scenario of optical transceivers situated on a sea surface platform (buoy) and an underwater mobile station (autonomous underwater vehicle). We modelled the effect of link misalignment on the UWOC system by accounting for the effect of wind speed on the sea surface, angular misalignment and position displacement. Further, we studied and applied parameter optimization as a solution to minimize the degrading effect of misalignment on the link performance. We are currently working on considering

accurate mathematical modelling of oceanic turbulence and its effect on the misaligned vertical link performance.

Optical properties of metals submitted to tokamak conditions.

LOUIS DE CANONVILLE Cyprien– ILM

Directeurs de thèse : Laurent GALLAIS, Regis BISSON (PIIM)

Plasma facing materials (PFMs) in tokamaks have to withstand harsh conditions with high ion fluxes and heat loads up to 20 MW/m2. The interaction of ions and heat loads with PFMs can induce temporary or permanent changes of the optical properties of the materials. Such changes represent a critical issue for nuclear fusion reactors. A poor knowledge of the evolution of PFMs optical properties during plasma operation can lead to underestimating their light absorption and thus to errors in temperature measurements performed through optical diagnostics. The proper functioning of such diagnostics therefore depends on a detailed study of the optical properties of metals during interactions with ions and heat loads.

The aim of this work is to study the optical properties of fusion relevant materials submitted to tokamak conditions (i.e. high temperatures and ion fluxes). We present here experimental measurements of reflectivity in the visible and near-infrared domain performed via a spectroscopic system coupled with laser remote heating for tungsten 316-L stainless steel, and beryllium. In particular, we focus on the role of different physical-chemical parameters, such as roughness, chemical composition, or temperature, on the optical properties of fusion materials. This analysis is based on optical interference coatings, roughness and Lorentz-Drude models to describe the behaviour of the physical-chemical parameters on the optical properties.

Such models benchmarked against detailed experimental results could provide a way to predict optical properties evolution of fusion materials when submitted to tokamak conditions.

Multi-modal laser ablation system for quantifying cell and tissue mechanics

MENG Huicheng– MOSAIC

Directeur de thèse : Loic LE GOFF

Mechanical forces are an essential driving force of cellular differentiation, migration and tissue morphogenesis. Different tools have been developed to investigate the impact of mechanical forces at cell and tissue scale. However, they are often limited in their range of application in vivo, in embryonic tissues, by a lack of accessibility. I introduce a home-built multi-modal laser ablation system, which combines confocal laser scanning microscopy (CLSM) with femtosecond (fs) laser multi-photon ablation. Laser ablation is a powerful method to probe the internal stresses that arise within a tissue by measuring the resultant recoil velocities. I observed however that 2D scanning of the laser focus in the imaging plane as it is usually done is not adapted to the 3D curved surface of embryos. I thus developped a scanning strategy to ablate tissues specifically on the curved surfaces of tissues. I demonstrated its performance on the Drosphila wing-disk on which I could perform efficient tissue ablation with controllable ablation speed, subcellular precision and negligible damage to the adjacent tissue or cell.

Modelling of the electromagnetic field in graphene-based nanophotonic devices

NATARAJAN Aswani – ATHENA

Directeurs de thèse Gilles RENVERSEZ, Guillaume DEMESY

2D materials in plasmonic applications is an emerging field in photonics. Graphene is a unique 2D material with excellent plasmonic properties and is a better alternative to conventional noble metals in plasmonics notably due to its tuning properties. But the generation of graphene plasmons in useful waveguides using incident plane wave is difficult and to overcome this limitation a coupler is needed. The thesis demonstrates an integrated grating coupler which is waveguide-based and functions in the infrared region. First, graphene is included as a current-carrying sheet in a fully vectorial finite element Galerkin formulation developed by the Athena team. Also, graphene is modelled as a 1D scattering material in 2D open waveguides. Successful validation of the models were done using various methods. Then the theoretical design and numerical modelling of graphene-based grating coupler is carried out. Further, numerical optimization studies to maximize the coupling efficiency is performed by tuning the parameters such as waveguide core thickness, grating duty cycle and number of periods. A highly efficient and fully integrated coupler with fabricable geometrical and graphene parameters has been achieved. The presented numerical and theoretical studies can be equally well applied to other class of 2D materials that can be described by surface conductivity.

Maturation stress generation in poplar studied by AFM nanoindentation and RAMAN spectroscopy

NORMAND Aubin – RCMO / PIV (CINaM),

Directrices de thèse : Aude LEREU, Anne CHARRIER

Trees have the ability to modify their shape by generating internal stress by the growth of reaction wood. Wood cell walls (WCW) are made of several layers with widths varying between 50 nm to 2 µm, each one considered as a transverse isotropic material mostly made of amorphous lignin and partially crystalline cellulose. In the case of angiosperms, various hypothesis involving cell walls layers’ interactions exist in order to explain how tension is generated within these cells. However, there is a lack of data to support or disqualify these theories.

This project aims to provide mechanical and chemical correlative measurements at the nanoscale to understand how the layers interact to produce tension and eventually modify the shape of the tree at the macro-scale. More specifically, we are interested in determining the elastic properties in the different kind of wood (normal and reaction wood) and in evaluating the presence of residual maturation stress within each sample.

Mechanical characterization of wood cell walls requires a high resolution technic in order to differentiate WCW layers. We developed an AFM nanoindentation angular method that takes into

account the fibrillary structure of WCW to determine its elastic constants, as well as other parameters such as adhesion force and a qualitative visco-plasticity index, with a resolution below 50nm.

Furthermore, Raman spectroscopy is used in a complementary manner to search for stress within the wood cell wall, which is still debated. It has been proven in the literature that an applied strain leads to a shift of particular spectral peaks in the case of wood fibers. Although, analysis of peaks positions between each layer of reaction and normal wood has shown a significant shift on one peak, comparison made with pure lignin and cellulose spectra evidences that this shift is a consequence of changes in chemical composition rather than internal stress.

Composants optiques en couches minces pour lasers forte puissance continue

PETITE Camille – ILM / RCMO

Directeurs de thèse : Laurent GALLAIS, Julien LUMEAU

Les composants classiquement utilisés pour l’utilisation de lasers de forte puissance continue sont réalisés à partir de couches minces optiques en raison du grand nombre de fonctions optiques réalisables et de leurs faibles absorptions. Mais pour répondre aux nouveaux besoins associés à une montée en puissance de ces lasers (jusqu’à 100 kW), il nous est nécessaire de maîtriser parfaitement les mécanismes d’échauffement et par conséquent l’absorption de ces empilements de couches minces. Il en résulte la nécessité de développer une métrologie spécifique capable de fournir des mesures fiables à la partie par million et en dessous. La photothermie est un moyen de mesure des faibles absorptions utilisé dès les années 80 et consistant à provoquer l’échauffement d’un échantillon par laser et observer la montée en température ou les effets induits pour en extraire l’absorption. Nous proposons une application de ce principe appelé Lock-In Thermography (LIT) et qui permet des mesures rapides de l'absorption sur une surface de quelques millimètres carrés. Notre réalisation expérimentale de la LIT se montre en capacité de mesurer des absorptions de l’ordre de la partie par million et se montre efficace pour détecter les macros défauts. Cet instrument de mesure peut ensuite être utilisé pour mesurer les optiques produites à l’Institut Fresnel ou par la société CILAS (qui finance cette thèse) afin d’optimiser l’absorption via les paramètres de dépôts, des recuits post- dépôts, ou des designs spécifiques.

3D optical computational microscopy for quantifying T lymphocyte activation

RASEDUJJAMAN Md – SEMO / LAI

Directeurs de thèse : Guillaume MAIRE et Philippe ROBERT

T lymphocyte activation is a key feature of the immune response. Quantification of T lymphocyte is crucial for diagnosis of numerous diseases (from infection diseases to allergy) and this can help for early medication. The activation process is triggered by several signals exchanged between T lymphocyte and an antigen presenting cell. After the very early steps of activation, a highly organized interfacial structure appears between the two cells called an immunological synapse. This immunological synapse has characteristic feature and could be identified optically. Presently, no technique permits to perform a fast

detection of the synapse and also no standard optical microscopy technique has the necessary 3D resolution to tackle this issue. My research is focused on developing a label-free optical imaging technique based on tomographic diffraction to solve this problem.

Study of microscale thermophoresis in liquid using laser-induced heating of gold nanoparticles and advanced microscopy techniques

SHAKIB Sadman – MOSAIC

Directeur de thèse : Guillaume BAFFOU

Thermophoresis is a phenomenon occurred for dissolved species in liquid at the presence of a temperature gradient. Usually suppressed by thermal convection at macroscopic regime, this phenomenon becomes dominant at nano and microscale heating of fluids with the presence of large temperature gradient (up to 106 K.m-1). It becomes easier to investigate below 100m range due to faster diffusion properties of molecules or beads- giving rise to a field of research called microscale thermophoresis (MST). First discovered in 19th century, this field of research gained momentum in last decade with research in life sciences, bioanalytics etc. Microscale thermophoresis has significant importance in the context of plasmonics and its applications such as plasmonic trapping, SERS, plasmonic sensing, etc. However, quantifying the presence of thermophoresis is not straightforward because of the smaller spatial scale makes quantitative and non-invasive measurements difficult. The magnitude of thermophoresis is typically presented by Soret coefficient, ST at zero flux condition. The state-of-the-art consists several refractive index-based techniques and fluorescence microscopy, but these are limited by various constraints in terms of experimental techniques, lack of quantitative measurement of temperature and concentration fields, adverse artefacts, and sensitivity.

My Ph.D. thesis proposes a technique that allows faster measurement of Soret coefficient for biomolecules, fluorescent beads and quantitative measurement of microscale temperature and concentration maps using quadriwave lateral shearing interferometry (QLSI) and fluorescence microscopy respectively. The temperature gradient is created in liquid by laser induced heating of gold nanoparticles, a phenomenon known as thermoplasmonics. This experimental technique also aims to bridge between research in thermoplasmonics and thermophoresis.

Ultra-fast label-free low frequency vibrational imaging

SHIVKUMAR Siddarth – MOSAIC

Directeur de thèse : Hervé RIGNEAULT

Low frequency vibrations (< 200cm−1) contain the structural information of molecules or the crystal lattice - making low frequency Raman imaging an ideal candidate to analyse heavy molecules, molecular

organization, crystal formation etc. The longer integration times of spontaneous Raman spectroscopy, however, limits the study of dynamic structural changes.

In our work, we have built a stimulated Raman scattering (SRS) pump probe scheme combining impulsive excitation with an acousto-optic programmable dispersive filter (AOPDF) which functions as

fast delay line. With a pixel dwell time of 25𝜇s, we have acquired, on a shot noise limited detection system, sub second low frequency (< 200cm−1) hyper-spectral SRS images of various samples.

The AOPDF, in addition to working as a fast delay line, has the potential to work as a pulse shaper. This further opens the door to explore pulse shaping aspects - enabling us to have spectral selectivity by shaping probe pulses in time. We have preliminary results along these lines, which we believe would find interesting applications in pharmacology (real time polymorph identification), virus detection etc.

Mechanistic insights into the organization and function of septins in mammalian cells

SILVA MARTINS Carla– MOSAIC

Directeurs de thèse : Manos MAVRAKIS et Stéphanie CABANTOUS (CRCT))

Septins are cytoskeletal proteins that bind higher-order actin filament assemblies known as stress fibres (SFs). Septins are essential for SF formation, but their function is still poorly understood. Although the filamentous form of septins is thought to be their functional form, direct evidence that human septins organize and function as filaments in cells is missing. Septins organize into heteromeric complexes (protomers), which can polymerize into filaments and bind actin filaments in vitro. We hypothesize that septin polymerization, from septin protomers, is essential for septin function in mammalian cells. This PhD thesis aims at testing this hypothesis by deciphering how septins are organized in cells and at elucidating actin-septin interactions. To this end, I designed a protein-protein interaction assay that allowed me to provide, for the first time, clear evidence of septin filament assembly in cells. I also combined this assay with fluorescence microscopy, and mapped the exact spatial distribution of different septin protomers-based filaments in cells. Moreover, the use of a polymerization-incompetent mutant showed that single septin protomers are not able to interact with actin filaments in cells. To resolve septin filaments associated with SFs I employed a super-resolution light microscopy technique, structured illumination microscopy (SIM, 100 nm resolution), where septins appeared as filaments running along the length of a given SF and also wrapping around SFs. These results are consistent with septin filaments stabilizing SFs through extensive interactions along the SF length. SIM and in vitro reconstitution experiments showed that septins can interact with actin in various ways (parallel to the SF, perpendicular to the SF, and wrapping around SFs), and planned polarimetry microscopy in cells will distinguish between these scenarios in the near future.

Fractal-inspired pads for field homogenization at 7T brain MRI

VERGARA GOMEZ Tania – CLARTÉ

Directeurs de thèse: Frank KOBER, Redha ABDEDDAIM, Marc DUBOIS

One of the main challenges of ultra-high field (UHF) magnetic resonance imaging (MRI) is the signal inhomogeneity due to a reduction of the electromagnetic wavelength inside the human body. Volume

coils are the most common transmitting coils used for brain imaging. These coils are efficient for head imaging at lower magnetic field (1.5T, 3T). However, at UHF they present signal variation, affecting principally the temporal lobes. Passive approaches based on dielectric pads and metamaterials are used to mitigate such problems. These elements are effective for local improvement in single regions of interest, like one temporal lobe. Nonetheless, maintaining such performances becomes challenging when targeting multiple areas using several of these passive elements around the patient’s head. In this work, I present ultra-thin, compact and flexible resonant metamaterial pads with a fractal inspired design. The aim is to improve the signal in each temporal lobe without diminishing the transmit efficiency of the volume coil elsewhere. Such structures were analyzed numerically and were validated experimentally on a phantom that simulates the human head at 7T using a commercial volume coil. This solution promises better patient comfort over conventional dielectric pads or metamaterials.