COPL: Regroupement stratégique des chercheurs en optique photonique du Québec Réal Vallée, dir. Centre d optique photonique et laser (COPL) Réal Vallée Assemblée annuelle du RPQ, 29 septembre 2011
Plan Nature et Composition Axes de recherche Le POP Équipements majeurs
Un passé glorieux! COPL, Nov. 1989 Symposium 1967 Lab circa 1970
Principaux jalons historiques! Convergence de différentes disciplines (physique, génie électrique, etc.) Convergence des expertises de plusieurs institutions
Composition des effectifs 33 professeurs-chercheurs - 21 Laval - 2 INRS - 5 ÉPM - 1 ÉTS - 2 McGill - 2 Sherbrooke 25 postdocs 134 étudiants au doctorat 91 étudiants à la maîtrise 17 Personnel technique et administratif
Mission Formation de main d oeuvre hautement qualifiée (MSc & PhD) Activités de recherche, pure et appliquée Support à l industrie de la photonique
Objectifs Formation de Personnel (quantité et qualité!) Accroître le nombre d étudiants: Bassins de clientèles cibles outre frontière (e.g. France, Chine, etc.) Miseen place de nouveaux programmes (e.g. MSc et PhD en biophotonique) Accroître le nombre de co directions: Incitatifs financiers pour les co directions inter institutionnelles Diversification de la formation Incitatif pour la formation continue (e.g. optical design) Échanges d étudiants (e.g. en partenariat avec réseau ICIP) Ateliers pour la clientèle étudiante (partenariat avec REPOL) Développer la fibre entrepreneuriale (ateliers, concours, etc.)
Promotion de la recherche Partage des ressources physiques Équipements de la FCI (e.g. inventaire, manuels et réservations par intranet) Infrastructures de recherche (e.g. POP, 20% de lab. communs) Mise en commun des ressources techniques et profess. mapping des expertises complémentaires et pointues Support logistique Objectifs Organisation de conf. internationales, de séminaires, d ateliers Planification stratégique pour aller chercher des subventions communes (e.g. Ateliers de travail thématiques) Créer et maintenir des liens entre les chercheurs (OSA, REPOL, RPQ)
Objectifs Support à l industrie Projets de recherche conjoints (Univ Industrie) e.g. Innov (CRSNG) PSVT (MDEIE), BMP (FQRNT CRSNG) Co directions d étudiants ( Univ. Industrie) Contrats de recherche Services professionnels et techniques aux entreprises Basés sur nos expertises et nos équipements de pointe Forum d échanges Journées de rencontre et d échanges, échange de personnel techn. (e.g. EXFO, RDDC Valcartier, Telops, Gentec)
Organigramme
Nos partenaires INSTITUTIONNELS: INDUSTRIELS:
LE REGROUPEMENT DES ÉTUDIANTS EN PHOTONIQUE ET OPTIQUE DE LAVAL Représente ses membres auprès du SPIE, de l'osa, du COPL et de l'université Laval Les 60 membres sont également membres des associations professionnelles SPIE et OSA Mandat: Organiser des conférences et ateliers de formation Planifier des visites d'entreprises et des activités de réseautage aves des représentants de l'industrie Organiser des activités de réseautage pour les étudiants et le personnel du COPL Mettre en place des ateliers et des activités éducatives visant le grand public sur le thème de l optique et la photonique Les bénévoles des Jeux Photoniques 2010
Activités de réseautage avec l industrie en 2010 2011: Cocktail with the Experts Visites industrielles chez INRS Varennes, Photon etc. et ABB Bomem Table ronde industrielle Activités éducatives en 2010 2011: Les Jeux Photoniques Laboratoire d holographie 24 heures de science Les filles et les sciences Défi sports et sciences Participation au développement de la trousse photonique de l ICIP Les participants de la table ronde industrielle Distorsion d une lentille panamorphe Laboratoire d holographie
Distinctions: Forces Avenir, finaliste, pour les Jeux Photoniques (2010 et 2011) finaliste local, pour les Jeux Photoniques (2009) Gala de la relève en or de la Coop Zone, gagnant dans la catégorie des Associatifs (2011) OSA Foundation Photo contest, gagnant du Donor s Choice Award (2011) OSA, finaliste de la compétition Feeding Young Minds (2010) OSA Recruitment Contest (2010 et 2009) OSA Student Chapter Excellence Award (2009)* (également remporté par la section étudiante de l OSA de l ÉPM en 2007 et 2008) La photo gagnante du Donor s Choice Award
Excellence et rayonnement en recherche 272 publications arbitrées sur 2.5 années. Une moyenne de 4 publications par chercheur par an dans des journaux à facteur d impact élevé. 7 chaires de recherche (1 CERC, 5 CRC, 1 CRSNG industrielle) Création de 4 spin offs au cours des 5 dernières années Brevets: en moyenne 12 demandes par année Nombreuses ententes-cadres de collaboration internationale signées depuis 2005 (Chine, France, Japon, Allemagne, etc.) 15
Axes de recherche
De la science fondamentale aux applications Frontières de la photonique Femto-photonique Nanophotonique Procédés & Instrumentation Biomédical (Biophotonics) Optique Quantique Télécommunications
Axes de recherche et diagramme des expertises Allen, C. Borra, E. Boudreau, D. Chin, S.L. Côté, D. De Koninck, Y. Galstian, T. Genest, J. LaRochelle, S. McCarthy, N. Messaddeq, Y. Nguyen Dang, T. Piché, M. Rainville, S. Ritcey, A. Rusch, L.A. Sheng, Y. Thibault, S. Tremblay, P. Vallée, R. Witzel, B. Télécommunications optiques Lasers & Phénomènes Ultrarapides Biophotonique Fibres optiques & optique integrée Matériaux photoniques Ingénierie optique pour la défense et la sécurité Azana, J. Bérubé Lauzière, Y. Boudoux, C. Charette, P. Chen, L. Francoeur, S. Godbout, N. Kashyap, R. Morandotti, R. Rochette, M. Skorobogatiy, M. Tremblay, C.
Axes de recherche (1/6) Axe 1 MATÉRIAUX PHOTONIQUES (Resp. : Younès Messaddeq) Thème 1.1 Nouveaux matériaux vitreux Mots clés: Pertes intrinsèques réduites, nonlinéarité optique exacerbée, verres d'oxydes; verres de métaux lourds; verres infrarouge; verres de chalcogénure, verres de phosphate, verres de Tellurite; vitro céramique (Galstian; Kashyap; Messaddeq; Skorobogatiy; Vallée) Thème 1.2 Polymères et cristaux liquides Mots clés: Cristaux liquides, membranes de cellulose bactérienne, photopolymérisation, matériaux PV organiques, matériaux mésogènes, effets photoréfractifs, photochromes, thermochromes, FOLED (Boudreau; Galstian; Messaddeq; Ritcey) Thème 1.3 Matériaux fonctionnels Mots clés: Matériaux nanostructurés; nanoparticules; nanosondes, matériaux intelligents; matériaux hybrides; matériaux mésoporeux; conducteurs ioniques et électroniques; points quantiques colloïdaux. (Allen; Boudreau; Francoeur; Galstian; Messaddeq; Ritcey; Vallée)
Chaire d excellence en recherche du Canada Chaire d excellence du Canada (Prof. Y. Messaddeq): «Enabling Photonic Innovations for Information and Communications» Contributions de 28 M$ sur 7 ans
Laboratoire de purification des verres
TLCL/Lens Vector: Camera wafer scale Lentille ajustable développée au COPL Lentilles déplaçables par l effet magnéto mécanique (concurrence) Camera «wafer scale» avec lentille ajustable (pour une mise au point automatique) développé au COPL
Retombées: TLCL/Lens Vector Financial Post Magazine, sept.2010
Axes de recherche (2/6) Axe 2 OPTIQUE GUIDÉE ET FIBRES OPTIQUES (Resp. : Nicolas Godbout) Thème 2.1 Fabrication de fibres optiques spéciales Mots clés: Fibres micro structurées, fibres de chalcogénure, fibres de verres à métaux lourds, fibres de phosphate, fibres de germanate, fibres infrarouges, fibres à très faibles pertes, fibres multi coeurs, fibres à coeurs creux, fibres de Bragg, fibres de polymères. (Messaddeq; Galarneau; Galstian; Godbout; Kashyap; Skorobogatiy; Vallée) Thème 2.2 Composants à base de fibres optiques Mots clés: Filtres tout fibre à bande étroite, accordables, à égalisation de gain, multicanaux; microsondes à pointe de fibre; dispositifs à base de coupleurs fusionnés; FBG inscrits par laser femtoseconde; capteurs à fibres; composants d'optique quantique (Galstian; Godbout; Kashyap; LaRochelle; Lacroix; Rochette; Sheng; Vallée) Thème 2.3 Composants d'optique intégrée Mots clés: Guides 2D et 3D inscrits par laser femtoseconde; couches minces; structures multi couches; composants plasmoniques; capteurs optiques intégrés. ( Galstian; Godbout; Kashyap; LaRochelle; Messaddeq; Sheng; Vallée)
Axes de recherche 3/6 Axe 3 LASERS ET IMPULSIONS BRÈVES (Resp. : Michel Piché) Thème 3.1 Sources d'impulsions ultra brèves et dynamique ultra rapide Mots clés: Plasma induit par laser; ionisation multiphotonique; filamentation laser dans les gaz, les liquides et les solides; accélération d'électrons; dynamique en champ intense; sources attoseconde et rayons X; spectrométrie d'électrons femtoseconde; sources terahertz. (Chin; Nguyen Dang; Piché; Witzel) Thème 3.2 Sources lasers tout fibre Mots clés: Lasers à gain Raman; laser à fibre dopée aux terres rares; lasers accordables; lasers à fibre visibles et IR; lasers femtosecondes; sources pour le Mid IR (Allen; Chen; Godbout; Kashyap; LaRochelle; Lacroix; McCarthy; Piché; Rochette; Vallée) Thème 3.3 Applications laser Mots clés: Écriture de guides d'onde par impulsions femtoseconde; nanostructure photoinduites; soudure et clive laser; micro usinage par laser CO 2 et femtoseconde; sources accordables pour test et mesure. ( Chen; Chin; Godbout; Kashyap; McCarthy; Piché; Vallée)
Laser à fibre à 3 µm Er 3+ :FG Laser-diode 80 W Laser output power (W) HR99.4% @ 2825 nm 4.6m 22 20 35.4% 18 16 28.2% 14 12 10 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Absorbed pump power (W) D. Faucher et al., Opt. Lett. 36 (7) (2011) 1104 CMS Coreless end-cap Transmission (%) 100 80 60 40 20 BS GMC Thermopile detector InSb 0 2820 2822 2824 2826 2828 2830 Wavelength (nm) R=99.4% @ 2825.0 nm
Soudure du verre au moyen d impulsions laser ultrabrèves Impulsion laser femtoseconde Filamentation, absorption et ionisation non linéaire Formation de plasma et refroidissement très rapide Joint de soudure microscopique sans contrainte Absorption non linéaire Possibilité de joindre matériaux transparents sans absorbant. Effets thermiques limités très faibles contraintes résiduelles Procédé pour joindre matériaux dissemblants
Soudure du verre au moyen d impulsions laser ultrabrèves Combinaisons de matériaux réussies : Silice fondue Silice fondue Silice fondue BK7 Saphir Saphir Silice fondue Cuivre Silice fondue Silicium Silice fondue Tungstène
Axes de recherche (4/6) Axe 4 INGÉNIERIE OPTIQUE POUR LA SÉCURITÉ ET L ENVIRONNEMENT (Resp. : Jérôme Genest) Thème 4.1 Instrumentation pour la métrologie et la spectroscopie Mots clés: Monitoring environnemental; spectroscopie par filamentation; étalonnage de capteurs infrarouge avancés; peignes de fréquence; spectroscopie à haute sensibilité; (Allen; Boudreau; Chin; Genest; Messaddeq; Piché; Thibault; Tremblay) Thème 4.2 Conception optique et couches minces Mots clés: Revêtements optiques; assemblage optique; optique de l'espace; optique de l IR moyen et lointain; miroirs déformables; optique adaptative (Borra; Genest; Messaddeq; Piché; Thibault; Vallée) Thème 4.3 Imagerie et télédection Mots clés: Imagerie hyperspectrale; imagerie infrarouge; imagerie super résolution fusion d'images; détection d'aérosols; LIDAR (Borra; Chin; Galstian; Genest; Messaddeq; Piché; Thibault; Tremblay) 29
Interférométrie à 2 peignes de fréquence f rep (t) ( ) h periodic (t) ( ) Peigne sonde t Dispositif h(t) d sampling (t) t Peigne d échantillonage T sampling t Un peigne sonde le dispositif: réponse impulsionnelle périodique L autre peigne échantillonne le dispositif Applications: Deux taux de rep. légèrement différents Spectroscopie large-bande haute résolution Synchronisation parfaite des deux impulsions Tomographie optique cohérente Télédétection (LIDAR spectral) Métrologie (standard)
Chaire industrielle du CRSNG en conception optique
Axes de recherche (5/6) Axe 5 COMMUNICATIONS OPTIQUES (Resp. : Sophie LaRochelle) Thème 5.1 Formats de modulation Mots clés: UDWDM, QPSK, M PSK, QAM, M QAM, format multiniveaux, propagation, amplification et régénération optique, détection et traitement de signal, conversion de format de modulation, caractérisation et monitoring, FEC. (Azana; Chen; Godbout; LaRochelle; Lacroix; Rochette; Rusch; Tremblay) Thème 5.2 Réseaux tout optique Mots clés: Commutation de paquets, routage en longueur d'onde, conversion de longueur d'onde, réseaux locaux, étiquette optique, traitement de signal tout optique. (Azana; Chen; Godbout; LaRochelle; Lacroix; Rochette; Rusch; Tremblay) Thème 5.3 Accès large bande Mots clés: Radio sur fibre, ultra wide band, PON, communication en espace libre. ( Azana; Kashyap; LaRochelle; Rusch; Tremblay)
GPS sur Fibre Local Station Remote Station 1 Electrical filter PD LO & GPS over fiber LO over fiber DM SOA GPS IF AMP & MIXER LO GPS IF LO 1.5 GHZ LO PD GPS receiver GPS IF Mixer Electrical filter LO DFB Laser PD LO over fiber LO & GPS over fiber Remote Station 2 DM SOA LO PD AMP & MIXER
Axes de recherche (6/6) Axe 6 BIOPHOTONIQUE (Resp. : Daniel Côté) Thème 6.1 Imagerie et diagnostic Mots clés: Contraste moléculaire; résolution spatiale cellulaire; imagerie 3D; microscopie; endoscopie; sondes à fibres optiques imageantes; micro sondes multimodales; imagerie fluorescente; Raman cohérent; imagerie invivo structurelle et fonctionnelle; imagerie neuronale et synaptique; imagerie par holographie; spectroscopie Raman cohérente; suivi de biomarqueurs. (Boudoux; Bérubé Lauzière; Charette; Côté; De Koninck; Galstian; Messaddeq; Piché; Sheng; Skorobogatiy; Vallée) Thème 6.2 Thérapeutique et intervention Mots clés: Chirurgie et microchirurgie; biofilms; optogénétique; contrôle optique de l'activité neuronale; imagerie longitudinale; migration de cellules souches; maladie de Parkinson; sclérose en plaque; suture photochimique (Boudreau; Charette; Côté; De Koninck; Rainville; Sheng; Vallée) Thème 6.3 Outils analytiques Mots clés: Détection de matériel génétique; détection de pathogènes; détection de bactéries; sondes optiques fluorescentes et spécifiques; capture cellulaire; pinces optiques; systèmes microfluidiques (Allen; Boudreau; Charette; De Koninck; Messaddeq; Ritcey; Vallée)
Fibres optiques et biophotonique -sonde d enregistrement opto-électrophysiologique Fibre optique Microélectrode 100 μm 600 m 100 m 900 m Fibre optique en polymère biocompatible et biodegradable
NATURE Methods, 8(4), 319 325, April 2011 Sonde opto électrophysiologique
Wikipedia: The term biophotonics denotes a combination of biology and photonics Bringing Light to Life 37
a new Network of Centres of Excellence in the application of optical science & technology to address major challenges in health care and the life sciences Elements: Research & Development Highly Qualified Personnel Knowledge & Technology Exchange Networking & Partnering Proactive Management accelerating translation to impact direct economic health care biodiscovery 38
BioMedLight Representatives Dr Daniel Cote Université Laval Dr Calum MacAulay BC Cancer Research Centre/ University of British Columbia Dr Dennis Matthews Center for Biophotonics Science & Technology, UC Davis/Lawrence Livermore Lab Dr Fred Sweeney Tornado Medical Systems Dr Brian Wilson University Health Network/ University of Toronto Scientific Co-Director & Optical S&T Driver Host University Delegate Biomedical Theme Champion Board Member Project industry partner Scientific Director 39
Le POP!
Contrôle des vibrations Profil aplati 2 édifices en un Matrice carrée de colonnes Dalles gaufrées (f res =17 Hz) Fondations isolées Composantes architecturales isolées Contreforts, contreventements, etc. Le POP (concept) Contrôle de l environnement Empoussièrement (classe 10,000) Contrôle de T = ± 0.5C et Humidité: 40-50% Services dans les plafonds (électricité, 110/220V, eau refrigérée, azote, internet, air comprimé, etc) Flux laminaires
Mesures des particules
50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 Mesure d empoussièrement 2009-11-24 2009-12-10 2009-12-22 2010-01-28 2010-02-22 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Number of particules >0.5µm COULOIR COULOIR M. C. COULOIR LABO COULOIR COULOIR LABO COULOIR LABO LABO COULOIR LABO COULOIR CLASSE 10k CLASSE 10k M. C. PLAFOND PLAFOND PLAFOND PLAFOND LABO
Contrôle des vibrations
Mesures de Vibrations
SEM (Q3D FEG) low noise requirements gn rms 0.0010 Octave1(f) Q3D FEG L-R LOW Q3D FEG L-R HIGH 0.0001 Q3D FEG requirements 1.00E-05 POP performances Sept 24, 2008 1.00E-06 1.00E-07 1.0 1.3 1.6 2.0 2.5 3.2 4.0 5.0 6.3 8.0 16.0 12.5 10.0 Frequency (Hz) 20.0 25.0 31.5 40.0 50.0 63.0 80.0 L 100.0
Les Équipements Fibres optiques (4M$) Couches minces & Nano (3.5M$) Chaines laser Femtoseconde (2.0M$) Autres (> 10.0M$)
Fibres optiques (fabrication) Fabrication de préformes par procédé MCVD (SG Control) Tours d étirement de F.O.
Fabrication de Fibres optiques Différents matériaux: Silice, Chalcogénures, Phosphates, etc. Différentes géométries (muti cœurs, micro structurées, etc.) Applications diverses (biophotonique, télécom, capteurs, etc) Partenariat unique avec CorActive et INO Plateforme unique au Canada et d envergure internationale
Couches minces (Fabrication) Syrus PRO de Leyblod (canon à e ) Nanochrome d Intlvac (sputtering ac) POP 00565B POP 00565B
Exemples Transmission (%) Filtre interférentiel @ 488 nm 70 60 50 40 30 20 10 0 450 475 500 525 550 Longueur d'onde (nm) Revêtement d aluminium Évaporation thermique INTLVAC + ions 100 000 X 100 000 X 150 000 X 150 000 X
Chaines Laser femtoseconde 12 mj @ 35 fs, 1kHz 10 µj @ 60 fs, 50 300 khz POP 0901 POP 0907
Chaines Laser femtoseconde
Nanophotonique Quanta 3D FEG de FEI Microscope à balayage d électron (SEM) Faisceau d ion focalisé pour gravure jusqu à une résolution de 10 nm Module de déposition de platine Détecteur de rayon X (EDAX) Ion Beam Electron Beam POP 00553
SEM (Scanning Electron Microscopy): Matériaux conducteurs(hi Vac) et non conducteurs(low Vac) Résolution maximale de 1.2 nm Grandissement de 50X à 500 000X FIB (Focused Ion Beam) Structures micro et nanométriques Analyse en profondeur (e.g. dépôts de couches minces) Résolution: 7nm (imagerie) 30 nm (gravure) Quanta 3D FEG
Salle blanche: autre équipement AFM, Veeco POP 00565C Mask aligner Reactive Ion Etcher, Unaxis POP 00565C POP 00565C
Remerciements Renouvellement de l appui financier du FQRNT au COPL : 557 000$ par année sur 6 ans (2011-17) 57
COPL