Systèmes Optiques et Traitement d'Images 

Je travaille sur les propriétés optiques des systèmes imageurs, en particulier le microscope (dans toutes ses variantes). Différents modèles de formation d'images existent. On peut alors calculer la Réponse Impulsionelle Optique du microscope, qui caractérise sa résolution (voir image de gauche ci-dessous). Toute modélisation repose sur la connaissance de certains paramètres, qui peuvent s'avérer différents de la réalité, entrainants d'importantes différences entre le calcul et l'expérience :
 

Réponse impulsionnelle calculée (coupes 2D en xy et xz)	Réponse impulsionnelle enregistrée (coupes 2D en xy et xz)

Certains paramètres du modèle sont très faciles à connaitre (épaisseur et indice de la lamelle par exemple) tandis que d'autres sont très difficiles, voire impossibles à mesurer dans la pratique, comme la profondeur de l'échantillon sous la lamelle, l'indice de l'huile d'immersion (qui est susceptible de varier avec la température), ou l'ouverture numérique effective de l'objectif du microscope.

J'ai montré qu'il était possible de retrouver ces paramètres à partir de la mesure de la PSF [1] Ces résultats sont importants pour les biologistes utilisant la microscopie, en les aidant à préciser le protocole expérimental d'acquisition des images. D'autre part, on peut utiliser pour la déconvolution une PSF calculée et donc sans bruit (ce qui est un atout) et qui est la plus proche possible de la PSF expérimentale.

On peut alors utiliser dans de meilleures conditions les algorithmes de déconvolution qui sont l'autre grand thème de recherche de l'équipe. En effet, les images obtenues en microscopie ne sont souvent pas utilisables telles quelles. Elles souffrent de déformations et sont bruitées. Le but de la déconvolution est de corriger ces défauts de façon à mieux pouvoir utiliser ces images.
Nous travaillons au laboratoire  à l'amélioration des algorithmes par l'automatisation des procédures  et des mesures [2][3].

Enfin, je travaille aussi à l'amélioration du système de formation d'image dans le microscope. En combinant la microscopie 4Pi et la microscopie theta, j'ai proposé un concept de microscopie optique  à plusieurs objectifs à très haute résolution (100 nm en lateral et en longitudinal) utilisant des objectifs à ouverture numérique faible (0.8).
Les résultats obtenus sont importants pour deux raisons :
- d'un point de vue théorique, ils montrent que la très haute résolution n'est pas obligatoirement limitée aux objectifs à grande ouverture numérique.
- dans la pratique, ils ouvrent la possibilité de travailler à très haute résolution dans un grand volume (de l'ordre du 1mm³) car les objectifs à faible ouverture numérique ont une grande distance de travail [4][5].
 
 
 

Concept du microscope à objectifs multiples - les objectifs 1 à 4 servent à exciter de manière cohérente le specimen - les objectifs 5 et 6 servent à detecter le signal de fluorescence (microscopie 4Pi en détection)	PSF du microscope  à objectifs multiples haut : coupe latérale (xy) bas : coupe longitudinale (xz) On obtient une résolution de 108 nm en xy et de 98 nm en z. Excitation à 400 nm et détection à 450 nm

J'ai aussi travaillé sur le microscope confocal theta, et proposé un modèle de formation d'image tenant compte des propriété de polarisation du phénomène de fluorescence. En effet, si l'on suppose les molécules fluorescentes libres (elles peuvent en particulier tourner librement sur elles-mêmes), la PSF du microscope theta (tout comme celle d'un confocal) est obtenue "simplement" en multipliant la PSF d'illumination par la PSF de détection.
Si les molécules sont fixes, il faut alors tenir compte du moment de polarisation induit par l'excitation, et du champ dipolaire réémis, qui est polarisé. La forme et l'intensité de la PSF observée sont alors très fortement dépendantes de l'état de polarisation observée (polariseurs parallèles ou croisés) [6]:

Reponse Impulsionelle Optique pour un microscope theta utilisant des objectifs à immersion à eau (N.A. = 0.8). Excitation à l=400 nm et détection à l=450 nm (Cascade Blue – Molecular Probes). (a) modèle classique d’émission isotrope non polarisée. (b-c) modèle dipolaire. (b) excitation x-polarisée, détection x-polarisée. (c) excitation z-polarisée, détection x-polarisée.

Reponse Impulsionelle Optique pour un microscope theta utilisant des objectifs à immersion à eau (N.A. = 0.8). Excitation à l=400 nm et détection à l=450 nm (Cascade Blue – Molecular Probes). (a) excitation x-polarisée, détection y-polarisée. (b) identique à (a)-bas dans les plans y=-0.18 mm et y=+0.18 mm. Notez l’assymétrie. (c) excitation z-polarisée, détection y-polarisée. (d-e) identique à (c) mais dans les plans z=±0.15 mm et y=±0.15 mm. Notez la forme complexe de la RIO dans ce cas.

Télécharger une présentation "grand public" des travaux du laboratoire

Nouvelles Sources Photoniques 

Ce thème a été celui de mon travail de thèse, ainsi que d'un Post-Doc à l'Institute for Reference Materials and Measurements (IRMM) de l'Union Européenne à Geel en Belgique.

J'ai travaillé (et travaille encore un peu) sur des phénomènes physiques susceptibles de constituer de nouvelles sources de rayonnement optique. En particulier le Rayonnement de Transition (voir Figure (a)), l'Effet Smith-Purcell (voir Figure (b)) et le Rayonnement de Transition Diffractif (voir Figure (c)).

J'ai introduit un modèle théorique nouveau, décrivant le rayonnement Smith-Purcell produit lorsque l’électron se propage avec un angle arbitraire par rapport aux traits du réseau (Les modèles existants supposaient un électron se propageant perpendiculairement aux sillons) [1][2].

Des simulations de sources avec des électrons d'énergie 1 à 100 MeV, un domaine pour lequel aucune donnée n’était disponible, ont été réalisées. J'ai montré l’intérêt d'utiliser des faisceaux d'électrons d'énergie E<10 MeV en interaction avec des réseaux millimétriques pour la production de rayonnement infrarouge lointain. A plus long terme, l’effet Smith-Purcell est un candidat à la réalisation de Lasers à Électrons Libres.[3][7]

Une série d’expériences a aussi été conçue et menée. Deux régimes distincts ont été considérés. Lorsque les électrons sont quasi-parallèles au réseau, les caractéristiques du rayonnement observé sont très proches de celles du rayonnement Smith-Purcell. Le spectre, la polarisation et la dépendance en énergie ont été mesurés pour des électrons de 20 à 120 MeV [4][8].

Lorsque les électrons frappent le réseau à grande incidence, le rayonnement présente des caractéristiques tout à fait différentes.Des mesures nous ont permis de comparer le rayonnement de notre expérience au rayonnement produit lorsque les électrons heurtent une surface plane, grandement étudié tant d’un point de vue théorique que pratique.

Cette étude expérimentale a ainsi permis de caractériser le rayonnement de transition d’une surface diffractive et de le comparer à deux rayonnements de caractéristiques connues, correspondant à deux cas particuliers d’un phénomène plus général: lorsque la surface est périodique et que les électrons se propagent parallèlement à cette surface, on parle d’effet Smith-Purcell, un phénomène de diffraction. Lorsque les électrons pénètrent une surface plane, on parle de rayonnement de transition, qui est essentiellement un phénomène de réflexion.

Enfin, un modèle théorique nouveau du rayonnement de transition a été développé, qui est valable aussi pour des surfaces à profil quelconque, contrairement aux modèles déjà existants [5].  
Enfin, une étude comparative des rayonnements Smith-Purcell émis par un réseau et par un cristal photonique a été entreprise en collaboration avec l'Université de Chiba (Japon). Elle a montré que les cristaux photoniques permettait de concentrer le rayonnement Smith-Purcell dans des raies d'émission beaucoup plus étroites et intenses qu'avec un réseau [6].
 

L'utilisation du rayonnement de transition comme diagnostic de faisceau a aussi été étudiée. Une application a été écrite permettant de suivre la position du faisceau de l'accélérateur de particules GELINA de Geel. La photo montre un exemple de suivi sur une vingtaine de minutes. On distingue nettement une oscillation quasi-périodique. L'examen des paramètres de la machine a mis en évidence un lien avec la température des sections d'accélération.
 

Télécharger ma thèse (fichier PDF zippé) sur le rayonnement Smith-Purcell et OTR.

Physique des Milieux fractals 

Après mon doctorat, j'ai participé à un projet d'étude des propriétés physiques des systèmes irréguliers au Laboratoire de Physique de la Matière Condensée du Pr. B. Sapoval à l'Ecole Polytechnique-Palaiseau. La géométrie fractale a donné un cadre mathématique rigoureux à l’étude physique des systèmes irréguliers.

Ce travail de recherche s'est déroulé en collaboration avec la société Bouygues et a consisté en l’étude des propriétés vibratoires des milieux fractals.
Ces recherches ont des applications directes dans le domaine des murs et des tunnels antibruit, ainsi que la technologie des haut-parleurs.

Ce travail a permis de mieux comprendre la modification de la densité d’états lorsque qu’on passe d’un résonateur régulier à un résonateur irrégulier. La densité d’état à basse fréquence augmente en suivant approximativement la loi de Weil.
La forme des fonctions d’ondes a aussi été étudiée. En particulier, on a mis en évidence un phénomène de localisation . Ces études ont permis de fournir une première explication à la densité d’états anormale observée pour certains verres binaires démixés [1] .

On a aussi établi un modèle simple des pertes dans les résonateurs irréguliers avec application à l’acoustique : il a fournit une explication à la décroissance du facteur de qualité observée pour des résonateurs irréguliers par rapport à des résonateurs réguliers [2].

L’étude du régime haute fréquence se fait dans l’approximation du tracé de rayons. On montre alors que la distribution des collisions obéit à une loi de Lévy avec un exposant a=-2. Ce fait expliquerait certaines propriétés de catalyse hétérogène en régime de diffusion de Knudsen [3].

Une expérience d’observation des modes de vibration d’un tambour préfractal a  été entreprise [4]. Les 3 images ci-dessus montre un mode calculé, son hologramme simulé et son hologramme enregistré.

Enfin, la mise en évidence de la création d'arborescences fractales lors de la combustion de feuille de cuivre a été faite à l'IUT de Mulhouse (en collaboration avec B. Keltz) :
 

Participation à une équipe internationale pour la démonstration de deux conjonctures mathématiques relatives aux nombres premiers :

la conjoncture de Riesel et la conjonture de Sierpinski

A mon "tableau de chasse" des grands nombres premiers :
 
 

Prime	Number of digits	Discovery
220063.2^306335-1	92222	1999
485773*2^216487-1	65175	2001
485557*2^143570+1	43225	2001
470173*2^131982+1	39737	2001
222997*2^613153-1	184583	2001*
98939*2^575144-1	173141	2001*

^* j'ai eu la chance de découvrir ces deux nombres premiers de Riesel qui sont les plus grands connus (à leur date de découverte)

Pour plus d'information : www.prothsearch.net

SETI@UHA 

Je suis membre du programme SETI@HOME qui vise à l'analyse de données en provenance de radiotéléscopes. Sommes-nous seuls dans l'univers ?....

J'ai fondé le groupe SETI@UHA..... si vous vous sentez une âme de Jodie Foster (Contact) rejoignez-nous!