Ecole Doctorale

Physique et Sciences de la Matière

Spécialité

PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : OPTIQUE, PHOTONIQUE ET TRAITEMENT D'IMAGE

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Lumière structurée,Polarsation,Microscopie,Tests optiques,Phase Geometrique,Illumination,

Keywords

Structured light,Polarization,Microscopy,Optical Testing,Geometric Phase,Illumination,

Titre de thèse

Lumière structurée, polarisation et biréfringence
Structured light, polarization and birefringence

Date

Thursday 20 January 2022 à 14:00

Adresse

Institut Fresnel, Faculté des Sciences - Avenue Escadrille Normandie-Niémen - 13397 Marseille Amphi Ponte

Jury

Directeur de these M. Miguel-Angel ALONSO-GONZALEZ École Centrale Marseille
Rapporteur M. Guillon MARC University of Paris
Rapporteur Mme Tatiana NOVIKOVA LPICM Laboratoire de Physique des Interfaces et Couches Minces
CoDirecteur de these M. Scott CARNEY University of Rochester
Examinateur M. Marvin DOYLEY University of Rochester
Examinateur M. Bruno PICCIRILLO Univesitá di Napoli Federico II
Examinateur Mme Sophie BRASSELET Institut Fresnel

Résumé de la thèse

Le concept de lumière structurée est devenu de plus en plus populaire au sein de la communauté des chercheurs en optique. Ce concept fait référence à l'étude, la génération et les applications de champs optiques dont l'intensité, la phase et/ou la polarisation présentent des variations spatiales qui confèrent à la lumière des propriétés intéressantes ou utiles. Ces degrés de liberté peuvent également porter des informations sur les milieux dans lesquels la lumière s'est propagée et avec lesquels elle a interagi. Il est donc important de savoir comment les manipuler, afin de caractériser les milieux/systèmes optiques. Ces informations peuvent également permettre de corriger ou d'éliminer les biais dans de techniques optiques de mesure. Cette thèse rend compte de quatre projets dans lesquels la lumière structurée, la polarisation et/ou la biréfringence jouent un rôle essentiel et s'entremêlent : 1. Etude de réflecteurs pour l'illumination structurée via des transformations conformes. 2. Interférométrie par cisaillement de polarisation via la phase géométrique. 3. Microscopie polarisée à super-résolution avec l’estimation simultanée de la localisation 3D, de l'orientation 3D et de l'oscillation pour les émetteurs uniques. 4. Elastographie par cisaillement réverbéré pour les matériaux anisotropes. Le premier projet porte sur l'éclairage structuré et vise à donner un outil conceptuel et visuel pour la conception et l'analyse des réflecteurs par un simple polynôme complexe de degré 2 qui transforme la forme d'un réflecteur en une courbe, que nous appelons la "courbe de lumière", qui indique où va la lumière après la réflexion. Les deuxième et troisième projets sont basés sur la lumière avec des distributions de polarisation structurées, et le couplage de la polarisation à d'autres degrés de liberté d'intérêt, et finalement à une distribution d'intensité structurée mesurable. Pour ce faire, nous utilisons des méthodologies basées sur des dispositifs à biréfringence variable dans l'espace, générées soit par une biréfringence induite par une contrainte mécanique, comme le « stress engineered optic » (SEO), soit par des dispositifs à cristaux liquides, comme les Q-plates. Le dispositif proposé dans le second projet, l' interféromètre à cisaillement de phase géométrique, permet une grande variété de géométries de cisaillement, tout en étant compact et robuste aux vibrations puisque sa mise en œuvre est en ligne. Il est basé sur le cisaillement de deux répliques orthogonalement polarisées circulairement du faisceau original, qui interfèrent non pas au sens traditionnel mais en créant une structure de polarisation qui dépend de la différence de phase entre les répliques déplacées/déformées. Le troisième projet est une technique pour la microscopie polarisée en imagerie de fluorescence et de super resolution qui permet la caractérisation de la localisation 3D plus l'orientation 3D et l'oscillation d'émetteurs uniques. Il repose sur l'utilisation du SEO pour coder toutes ces informations dans la forme de la fonction d'étalement du point, c'est-à-dire l'image d'un point unique formée par le système optique. Auparavant, la SEO avait été utilisée pour la polarimétrie 2D en une seule prise. Son extension à la microscopie de fluorescence à super résolution découle du fait que les fluorophores émettent de la lumière sous forme de dipôles et que cela peut être considéré comme une généralisation à un problème de polarisation 3D. Le dernier projet sur l'élastographie par cisaillement réverbérant, bien qu'il n'ait pas été envisagé à l'origine dans le cadre de la lumière structuré, peut être considéré comme un analogue mécanique. Pour ce projet, la polarisation et la biréfringence jouent un rôle clé pour caractériser les propriétés élastiques des matériaux à travers l'autocorrélation complexe des ondes de cisaillement présentes dans la chambre réverbérante.

Thesis resume

The concept of structured light has become increasingly popular amongst the optics research community. This concept refers to the study, generation, and applications of optical fields whose intensity, phase, and/or polarization present spatial variations that endow light with interesting or useful properties. These degrees of freedom can carry information about the media in which light propagated and interacted with. Hence it is important to know how to manipulate them, in order to characterize the media/optical systems. This information can also enable correcting or eliminating biases in light-based measurement techniques. This thesis reports on four main projects in which structured light, polarization and/or birefringence play a vital role and intertwine: 1. Study of reflectors for structured illumination via conformal maps. 2. Polarization shearing interferometry via geometric phase. 3. Polarization super-resolution microscopy with simultaneous estimation of 3D localization, 3D orientation and wobble for single emitters. 4. Reverberant shearing elastography for anisotropic materials. The first project is on structured illumination and aims to give a conceptual and visual tool for the design and analysis of reflectors through a simple complex quadratic map that transforms the shape of a reflector into a curve, which we call the “light curve”, which indicates where light is going after reflection. The second and third projects are based 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, generated either via stress-induced birefringence, such as the stressed engineered optic (SEO), or from liquid crystal devices, such as Q-plates. The device proposed in the second project, the geometric phase shearing interferometer (GPSI), enables a wide variety of shearing geometries while being compact and robust to vibrations since its implementation is in-line. It is based on shearing two orthogonally circularly polarized replicas of the original beam, which interfere not in the traditionally sense but by creating a polarization structure that depends on the phase difference between the displaced/deformed replicas. The third project is a super-resolution technique for polarization fluorescence microscopy that allows the characterization of 3D localization plus 3D orientation and wobbling of single emitters. It is based on using the SEO to encode this information into the point spread function (PSF) shape, i.e. the image of a single point formed by the optical system. Previously the SEO had been used in single-shot 2D polarimetry. Its extension to super resolution fluorescence microscopy stems from the fact that fluorophores emit light as dipoles and that this can be thought of as a generalization to a 3D polarization problem. The last project on reverberant shearing elastography, while not originally envisioned under the scope of structured light, can be thought of as a mechanical analogue to structured illumination. For this project, polarization and birefringence play a key role to characterize the elastic properties of materials through the complex autocorrelation of the shearing waves present in the reverberant chamber.