Etude des propriétés du moment angulaire des ondes EM pour l'utilisation en radio et optique : Propagation, détection et applications

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1 Etude des propriétés du moment angulaire des ondes EM pour l'utilisation en radio et optique : Propagation, détection et applications Laboratoires d'accueil : IETR - Institut d Electronique et de Télécommunication de Rennes UMR CNRS 6164 Université de Rennes1 Campus de Beaulieu RENNES Cedex Laboratoire de Physique des Lasers Université de Rennes1 Campus de Beaulieu RENNES Cedex Résumé : L'objectif de la thèse est d'étudier principalement dans le domaine radio, la propagation et la détection d une onde ayant un moment angulaire orbital. Plusieurs directions sont prévues, d une part, l étude de l influence de l architecture du détecteur sur l échantillonnage du front d onde, d autre part, l étude de la déformation du front d onde suite à l interaction de l onde avec son environnement (diffraction ou diffusion), et enfin, l étude du transfert de moment cinétique à un objet macroscopique. Contexte : Une onde électromagnétique est caractérisée par son amplitude, son vecteur d onde, sa fréquence, mais aussi par son moment angulaire. Le moment angulaire d'une onde électromagnétique représente ses caractéristiques mécaniques. Il se décompose en deux parties : - Le moment angulaire de spin (SAM Spin Angular Momentum), associé à la polarisation, - Le moment angulaire orbital (OAM Orbital Angular Momentum), associé à la distribution spatiale du champ électrique atour de son axe de propagation. De nombreuses études ont été menées autour de l utilisation du moment angulaire de spin. Elles ont apporté des développements importants dans les domaines des télécommunications et du radar. Par contre, la très grande majorité des travaux sur l OAM ont été réalisés en optique. Cet OAM pourrait se révéler très utile en radio, et être exploité comme une nouvelle diversité pour les télécommunications et les radars. En radio, les premiers travaux théoriques datent de 2007 [1] et 2010 [2]. La 1 ère transmission mettant en évidence la capacité de coder de l information en utilisant l OAM, a été réalisée en 2012, dans des conditions particulières (au-dessus du Grand Canal de Venise) [3]. Enfin, en 2012, des tests d interférences ont été réalisés entre un faisceau laser portant de l OAM et un objet [4]. Ces tests ont mis en évidence la capacité de ce type d onde à apporter des informations sur la géométrie de l objet, ouvrant ainsi une nouvelle voie pour l identification de cibles en radar. De leur côté, à l Université de Rennes 1, l IETR et le Laboratoire de Physique des Lasers ont commencé à travailler sur ce sujet depuis environ 4 ans. Leurs travaux ont porté sur la génération et la réception de cette nouvelle forme dans des bandes de fréquences allant de 1 GHz à 30 GHz. Ils ont conduit à la réalisation de plusieurs antennes [5] [6], à la conception d un détecteur mécanique d OAM [7] [8], et à des études préliminaires sur la propagation [9] et la détection d une onde ayant un OAM.

2 Malgré cela, de nombreuses questions restent en suspens pour définir et réaliser des systèmes radar ou de communications, exploitant l OAM. Parmi celles-ci, on peut notamment citer l étude de l influence de l environnement ou d un objet sur la propagation de l onde et la déformation de son front d onde. Problématique scientifique : L'objectif de la thèse est d'étudier dans le domaine radio, la propagation et la détection d une onde transportant un moment angulaire orbital. Plusieurs travaux devront être menés. Ils peuvent être regroupés en trois grands chapitres : 1) Influence de l architecture du détecteur sur la détection des modes d OAM, 2) déformation du front d onde lors de l interaction avec l environnement, 3) transfert de moment cinétique d une onde à un objet macroscopique. Ils nécessiteront la mise en œuvre de simulations utilisant des logiciels dédiés, ainsi que la réalisation d un ou de plusieurs bancs de mesures dans le domaine radiofréquence, utilisant une chambre anéchoïque ou travaillant en environnement réel. 1) Influence de l architecture du détecteur sur la détection des modes OAM Lors de la propagation d une onde transportant de l OAM dans un environnement, cette onde peut être déformée et des modes différents peuvent apparaître. Cette déformation et ces autres modes sont une signature de l interaction avec le milieu et ils peuvent renseigner sur la nature du milieu. Cependant leur détection peut s avérer délicate. Tout d abord, l alignement du détecteur hors d axe peut favoriser l apparition de certains modes et en défavoriser d autres. Ensuite, l échantillonnage du front d onde et du nombre de points nécessaire à cet échantillonnage pour étudier l apparition de modes «impurs» est un enjeu fondamental. Le travail consistera tout d abord d un point de vue numérique, en utilisant des logiciels de simulations, à étudier le problème de l alignement du détecteur et de l échantillonnage du front d onde. En particulier, on s interrogera sur la tolérance minimale acceptable concernant l alignement du détecteur, puis sur le nombre minimal de points d échantillonnage ainsi que sur leur répartition spatiale. A partir de cette étude, des architectures de récepteur ainsi que le traitement du signal associé, devront être proposés en fonction de l application visée (communications, radars, manipulation d objets). Ceci devrait conduire au développement de nouvelles antennes de réception. La partie expérimentale sera réalisée soit en chambre anéchoïque, soit en environnement réel. Les données collectées serviront de base de travail pour l amélioration de ces antennes. La phase de traitement du signal de réception constituera une partie importante du travail dans ce premier chapitre d étude. 2) Déformation du front d onde lors de l interaction avec l environnement Une fois la première partie sur l architecture du détecteur terminée, on s intéressera alors à la détermination de la déformation du front d onde observée lors de l interaction de l onde (diffraction, diffusion) avec l environnement (objets, milieu turbide ) afin d estimer, à partir de l intercorrélation entre les ondes transmises et reçues, des informations sur la géométrie de la cible ou sur l environnement, le but étant : - la reconnaissance d objet en milieu turbide (c est-à-dire fortement diffusant), - l identification de cibles en milieu hostile (pour des applications radar), - la récupération du signal après sa propagation en environnement réel (obstruction, multitrajets).

3 On s intéressera tout d abord au problème de la diffusion d une onde électromagnétique dans un milieu turbide et en particulier de la déformation du front d onde. Cette étude sera menée sur des simulations avant d être appliquée à des cas réels. On pourra alors se servir d un parallèle avec l optique où les longueurs d ondes sont beaucoup plus courtes et les faisceaux de taille plus petite, permettant ainsi de réaliser des expérimentations dans des volumes réduits. Une transposition dans les bandes de fréquence radio, où l on peut assez facilement avoir accès à la phase de l onde, sera ensuite effectuée. Si le banc de mesure en optique est assez facile à réaliser et à caractériser, il n en est pas de même en radio, où il faudra nécessairement développer une source et un détecteur. On regardera en particulier la robustesse de la propagation des ondes transportant de l OAM, dans un milieu turbide, comparée aux ondes planes. Toujours en utilisant cette approche d abord numérique puis ensuite expérimentale, tout en gardant la complémentarité optique/radio, on étudiera la réflexion puis la diffraction d une onde transportant de l OAM. Si les qualités des ondes OAM sont bien connues en propagation ou en réflexion sur des surfaces planes, il n en est pas de même pour des réflexions sur des surfaces courbes. De même, la réflexion sur une surface plane tronquée doit nécessairement entraîner une modification des propriétés du faisceau. La phase expérimentale se déroulera tout d abord en laboratoire en utilisant l optique avant d envisager des expériences en radio. On abordera ensuite le problème de la diffraction tout d abord sur des objets simples tels que des plans, des arêtes, des carrés, en pensant plus particulièrement à la propagation d ondes électromagnétiques en milieu urbain en télécommunication. On s orientera ensuite vers des objets plus compliqués ayant ou non une symétrie. On essayera alors d obtenir des informations sur la forme de l objet diffractant à partir des caractéristiques de l onde diffractée, tant sur le plan des simulations que sur le plan expérimental. Bien sûr, un tel travail nécessitera de développer des outils de traitement du signal. Enfin, toujours dans cette partie, on s intéressera à la réflexion d une onde transportant de l OAM sur un objet ayant certaines symétries, en pensant à des applications radar. La polarimétrie radar a apporté des outils et des méthodes d investigation nouvelles aux techniques radars habituels [10]. L OAM en radar pourrait de la même façon apporter un nouveau champ et de une nouvelle diversité. En utilisant toujours d abord une approche numérique puis expérimentale, tant en optique qu en radio, on commencera par étudier les ondes réfléchies sur des objets immobiles. En particulier, lorsque les objets possèdent certaines symétries, on pourrait s attendre à l apparition de modes supplémentaires ayant la même symétrie que l objet sur lequel l onde se réfléchit. On abordera ensuite la réflexion sur des cibles en mouvement que ce soit en translation ou en rotation. Probablement, les ondes transportant de l OAM devraient être particulièrement bien adaptée à des cibles en rotation. L apparition de modes impurs devrait être une signature de la rotation de la cible. Le problème de l alignement dans ce cas précis est particulièrement facile à résoudre. Une analyse fréquentielle du signal réfléchi pourrait permettre de filtrer facilement la partie la plus importante du rayonnement qui ne transporte pas beaucoup d informations. 3) Transfert de moment cinétique d une onde à un objet macroscopique. Enfin, dans cette troisième partie, nous reviendrons sur le transfert du moment cinétique d une onde transportant de l OAM à un objet macroscopique. Une détection mécanique du transfert a déjà été réalisée à Rennes sur des ordres d OAM égaux à : -1, 0, +1 [7] [8]. Il reste un gros travail à réaliser à la fois sur les plans théoriques et expérimentaux, pour estimer la transmission du moment cinétique entre l onde et l objet. En particulier, nous avons pour l instant uniquement étudié le système en considérant la conservation du moment cinétique. Il va de soi, que l énergie doit également être transférée. On regardera alors plus précisément d où provient l énergie et comment elle est dissipée. On étudiera ensuite le transfert pour des ordres supérieurs et notamment si un tel détecteur permet de discriminer les différents ordres d OAM possibles.

4 Enfin, on s intéressera aux applications potentielles, comme la transmission d un couple très faible pour mettre en rotation un objet macroscopique dans un milieu hostile. On regardera également les possibilités de commutation à distance avec des ondes électromagnétiques. Un aspect non négligeable de ce travail consistera à optimiser le transfert de moment cinétique en essayant de placer l objet à entraîner dans des systèmes d antennes-réflecteurs plus compliqués, par exemple en utilisant des cavités de type Fabry-Pérot pour optimiser l échange entre l onde électromagnétique et l objet. Ceci nécessitera alors la conception et la réalisation d antennes originales, ainsi que sur le développement de systèmes de suspension d objets qui aient des couples résistants les plus faibles possibles. Mots clés : Onde EM, moment angulaire, orbital, OAM, spin, propagation antennes, domaine radio, lasers. Références de l équipe : [E1] O. Emile, C. Brousseau, J. Emile, R. Niemiec, K. Mahdjoubi and B. Thidé, Electromagnetically induced torque on a large ring in the microwave range, Physical Review Letters, vol. 115, n Feb [E2] R. Niemiec, C. Brousseau, K. Mahdjoubi, O. Emile and A. Ménard, Characterization of an OAM antenna using a flat phase plate in the millimeter frequency band, in EuCAP2014 [E3] O. Emile, A. Voisin, R. Niemiec, B. Viaris de Lesegno, C. Brousseau, L. Pruvost, G. Ropars and J. Emile, Dark zone in the center of the Arago-Poisson diffraction spot of an helical laser beam, EPL Europhysics Letters, vol. 101, no , [E4] R. Niemiec, C. Brousseau, O. Emile and K. Mahdjoubi, Transfer of orbital angular momentum on a macroscopic object in the UHF frequency band, in AES2012 Advanced Electromagnetics Symposium, Paris, France, April [E5] G. Delannoy, O. Emile, A. Le Floch «Direct observation of a photon spin-induced constant acceleration in macroscopic systems», Applied Physics Letters, vol. 86, n , Feb Références bibliographiques : [1] B. Thidé, H. Then, J. Sjöholm, K. Palmer, J. Bergman, T. D. Carozzi, Y. Istomin, N. H. Ibragimov and R. Khamitova, Utilization of photon orbital angular momentum in the lowfrequency radio Domain, Physical Reviews Letters, vol. 99, no , [2] S. Mohammadi, L. Daldorff, J. Bergman, R. Karlsson, B. Thidé, K. Forozesh, T. Carozzi and B. Isham, Orbital angular momentum in radio A system study, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 58, no. 2, pp , [3] R. Niemiec, C. Brousseau, K. Mahdjoubi, O. Emile and A. Ménard, "Characterization of an OAM antenna using a flat phase plate in the millimeter frequency band," EuCAP2014 [4] F. Tamburini, E. Mari, A. Sponselli, F. Romanato, B. Thidé, A. Bianchini, L. Palmieri and C. Someda, Encoding many channels in the same frequency through radio vorticity: first experimental test, New Journal of Physics, vol. 14, no , [5] O. Emile, C. Brousseau, J. Emile, R. Niemiec, K. Mahdjoubi and B. Thidé, Electromagnetically induced torque on a large ring in the microwave range, Physical Review Letters, Vol. 115, Issue 5, Feb [6] R. Niemiec, C. Brousseau, K. Mahdjoubi, O. Emile and A. Ménard, "Characterization of an OAM antenna using a flat phase plate in the millimeter frequency band," in EuCAP2014

5 [7] R. Niemiec, C. Brousseau, O. Emile and K. Mahdjoubi, Transfer of orbital angular momentum on a macroscopic object in the UHF frequency band, in AES2012 Advanced Electromagnetics Symposium, Paris, France, April [8] O. Emile, C. Brousseau, J. Emile, R. Niemiec, K. Mahdjoubi and B. Thidé, Electromagnetically induced torque on a large ring in the microwave range, Physical Review Letters, vol. 115, n , Feb [9] O. Emile, A. Voisin, R. Niemiec, B. Viaris de Lesegno, C. Brousseau, L. Pruvost, G. Ropars and J. Emile, Dark zone in the center of the Arago-Poisson diffraction spot of an helical laser beam, EPL Europhysics Letters, vol. 101, no , [10] J. Lee and E. Pottier, Polarimetric radar imaging - From basics to applications, CRC Press, Taylor & Francis Group, Contact(s) : Directeurs de Thèse Christian BROUSSEAU IETR Université de Rennes1 Campus de Beaulieu RENNES Cedex Olivier EMILE Laboratoire de Physique des lasers Université de Rennes1 Campus de Beaulieu RENNES Cedex Tél : Fax : christian.brousseau@univ-rennes1.fr Tél : olivier.emile@univ-rennes1.fr