1 soutenance de thèse “ lasers femtoseconde yb 3+ : boys et yb 3+ : sys ” pierre raybaut
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1
Soutenance de thèseSoutenance de thèse
“ “ Lasers femtosecondeLasers femtosecondeYbYb3+3+: BOYS et Yb: BOYS et Yb3+3+: SYS ”: SYS ”
Pierre RaybautPierre Raybaut
2
Introduction
Sujet de thèse :– Étudier de nouveaux cristauxnouveaux cristaux dotés de larges spectres d’émissionlarges spectres d’émission :
Yb3+: SYS, Yb3+: BOYS– Réaliser une chaîne laser femtoseconde amplifiée utilisant ces matériaux.
Lasers femtoseconde ytterbium
• Produisant des impulsions brèves
• Utilisant des matériaux dopés à l’ytterbium
• Lasers solides
• Lasers pompés par diodes
• Source optique cohérente(éventuellementamplifiée)
Efficacité, compacité, fiabilité, faible coût, simplicité
Contexte scientifique :
3
Lasers femtoseconde
• Des applications dans de nombreux domaines
Chirurgie oculaire
Source : emedecine.com
MédecineMédecineIndustrieIndustrie
Micro-usinage
Source : Thalès Laser
RechercheRecherche
Source : ELSA
Microscopie
4
Usinage athermique
• Un exemple concret :
« la découpe de bois »« la découpe de bois »
Laser nanoseconde Laser femtoseconde
Vidéos extraites du CD ROM :« Le laser femtoseconde,un rayon pour le futur »
Réalisation Mario PONTA
5
Lasers femtoseconde ytterbium
• Des applications dans de nombreux domaines
Chirurgie oculaire
Source : emedecine.com
MédecineMédecineIndustrieIndustrie
Micro-usinage
Source : Thalès Laser
RechercheRecherche
Source : ELSA
Microscopie
But de cette thèse :Développer une nouvelle alternative :les lasers femtoseconde Yb3+: SYS (ou Yb3+: BOYS)
• Marché actuellement dominé par :
– les lasers Ti:Sa (i.e. saphir dopé au titane)
• sources laser performantes
• pompage direct par diodes laser impossible :dispositifs complexes et peu efficaces
– les lasers Yb3+: KGW (assez récemment)
6
Mai
nte
nan
t
Plan
1. Nouveaux cristaux dopés à l’Yb3+
Yb3+: SYS
2. Laser femtoseconde Yb3+: SYS Résultats expérimentaux
3. Atténuation et simulation du rétrécissement spectral par le gain
4. Conclusionet perspectives+court
puissant
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Spectroscopie de l’ion ytterbium
• Propriétés communes à tous les matériaux dopés à l’Yb3+ :
2F5/2
2F7/2
1080 nm1050 nm
980 nm
– structure simple :
• pas de transferts d’énergie non radiatifs ;
• pas d’absorption par l’état excité.
– pompage à 980 nm :
• pic d’absorption très intense ;
• diodes laser de puissance ;
• faible défaut quantique : 8 % à 1,06 µm ;
• laser quasi-trois niveaux :
N/N < 50%. : taux d’inversion de populationN : inversion de populationN : population totale
Niveaux d’énergie de l’ion ytterbium
8
• Cristaux récemment découverts :
YbYb3+3+: SYS: SYS, Yb, Yb3+3+: BOYS, Yb: BOYS, Yb3+3+: GdCOB, …: GdCOB, …
• Collaboration :
• Spécificités de ces nouveaux matériaux dopés à l’ytterbium :
– bande d’émission très large ;
– propriétés thermiques satisfaisantes.
Nouveaux cristaux dopés à l’ytterbium
Laboratoire de Chimie Laboratoire de Chimie Appliquée de l’État SolideAppliquée de l’État Solide
Équipe Lasers Solides Équipe Lasers Solides et Applicationset Applications
Recherche et fabrication de nouveaux cristaux
Développement de nouvelles sources laser
Impulsions brèvesImpulsions brèves
Impulsions énergétiquesImpulsions énergétiques
9
2F5/2
2F7/2
Spectroscopie de l’Yb3+: SYS
• Élargissement des raies de l’ytterbium :Spectre d’absorption
00,20,40,60,8
11,21,4
850 900 950 1000 1050
Longueur d’onde (nm)
Se
ctio
n e
ffic
ace
(p
m²)
Spectre d’émission
Longueur d’onde (nm)
Se
ctio
n e
ffic
ace
(p
m²)
0
0,20,4
0,60,8
1
1,21,4
900 950 1000 1050 1100 1150
• Interaction électron-phonon
• Désordre structurel
10
Cristallogenèse de l’Yb3+: SYS• Formule chimique de l’Yb3+: SYS :
Yb3+: SrY4(SiO4)3O
• De la classe des silicates :– fusion congruente à 1900°C ;
– bonnes propriétés thermomécaniques.
• Croissance cristalline par la méthodede Czochralski.
• De forts taux de dopage sont réalisables :jusqu’à 100%.
• Multiples sites d’accueil pour l’Yb3+ :désordre structurel important.
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Cristallographie de l’Yb3+: SYS
Yb3+: SrY4(SiO4)3O
• Structure cristallographique de la matrice de SYS :
Sites 6h (Y)
SiO4
Sites 4f (Sr ou Y)
Légende
Axe
c
Axe c
• Désordre structurel dans l’Yb3+: SYS : multiples sites d’accueil pour l’Yb3+
– sites 4f occupés à moitié par le strontium et l’yttrium ;
– l’ytterbium se substitue préférentiellement avec l’yttrium ;
– si l’ytterbium se substitue avec le strontium : défaut de charge.
Spectre de gaintrès large
Désordreimportant
12
Spectre d’absorption de l’Yb3+: SYS
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
850 900 950 1000 1050
Longueur d’onde (nm)
Sec
tion
effic
ace
(pm
²)
Spectroscopie de l’Yb3+: SYS
• Section efficace d’absorption :
2F5/2
2F7/2
980 nm
980 nm
940 nm 940 nm
910 nm
910 nm
a
13
Spectroscopie de l’Yb3+: SYS
• Section efficace d’émission :
2F5/2
2F7/2
1080 nm
108
0 n
m
1050 nm 105
0 n
m
Spectre d’émission de l’Yb3+: SYS
Longueur d’onde (nm)
Sec
tion
effic
ace
(pm
²)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
900 950 1000 1050 1100 1150
980 nm
e
14
= 75 nm
Spectroscopie de l’Yb3+: SYS
• Section efficace de gain :
2F5/2
2F7/2
1080 nm1050 nm
980 nm
aaeg
croissant
=50%
NNTaux d’inversion (de population) : augmente avec l’intensité laser de pompe
0% < < 50%
15
Choix n°1 :– à spectre très large ;– à faible gain.
Choix n°2 :– à spectre
moyennement large ;– à fort gain.
Nouveaux cristaux dopés à l’ytterbium
• Comparaison avec d’autres matériaux dopés à l’ytterbium :
Matériau
(nm)
e
(pm²)
K(W/m/K) *
Yb3+: SYS 75 0,3 ≈ 2,2
Yb3+: BOYS 75 0,2 1,5
Yb3+: Verre 35 0,05 0,85
Yb3+: KGW 25 2,8 3,8
Yb3+: YAG 9 2,2 11
* Matériau non dopé.
Grandeur Indication
Largeur spectrale
1
Durée
eSection efficace
d’émissionGain
KConductivité thermique
Propriétés thermiquesStratégie adoptée
pour cette thèse
16
Récapitulatif
• Avantages :
– fortes sections efficaces d’émission ;(parmi les nouveaux cristaux dopés à l’ytterbium)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
950 1000 1050 1100
Verre
SYS
GdCOB
BOYS
Longueur d’onde (nm)
Sec
tion
effic
ace
d’ém
issi
on (
pm²)
17
Yb
3+: SY
SRécapitulatif
• Avantages :
– fortes sections efficaces d’émission ;(parmi les nouveaux cristaux dopés à l’ytterbium)
– spectre de gain très large ;
– bonnes propriétés thermiques.
• Inconvénients :
– faible gain ;(par rapport aux autres matériaux dopés à l’ytterbium)
– domaine d’étude nouveau.
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Mai
nte
nan
t
Plan
1. Nouveaux cristaux dopés à l’Yb3+
Yb3+: SYS, Yb3+: BOYS …
2. Laser femtoseconde Yb3+: SYS Résultats expérimentaux
3. Atténuation et simulation du rétrécissement spectral par le gain
4. Conclusionet perspectives+court
puissant
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Milieu amplificateur
Absorbant saturable
Impulsion laser
MiroirCoupleur de sortie
Dispersion négative
Éléments de base d’un laser femtoseconde
Oscillateurfemtoseconde
Amplificateurmultipassage
= Matériau laser à large spectre d’émission
20
Oscillateur femtoseconde Yb3+: SYS
• Montage expérimental :
Yb3+: SYS(long de 3 mm)
Miroirs dichroïques
Prismes (SF10)
Coupleur de sortie(2%)
Fente
SESAM(absorbant saturableà semi-conducteur)fourni par Thalès RTx6
Banc de pompe
Diode laser 4W
(1µm x 100µm)
≈976nm
0=1070nm
21
Oscillateur femtoseconde Yb3+: SYS
Impulsions les plus courtes
t ≈ 94 fs ≈ 14 nm
t ≈ 0,35
Psortie(2%) ≈ 110 mW @ 108MHz
PerformancesLongueur d’onde centrale :
1070 nm
Notations
t Durée d’impulsion Largeur spectralePsortie Puissance moyenne de sortie
Autocorrélation Spectre
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Oscillateur femtoseconde Yb3+: SYS
Impulsions les plus énergétiques
t ≈ 110 fs ≈ 12 nm
t ≈ 0,33
Psortie(6%) ≈ 420 mW @ 98MHz
Performances
Autocorrélation Spectre
Longueur d’onde centrale :
1066 nm
Notations
t Durée d’impulsion Largeur spectralePsortie Puissance moyenne de sortie
Rendement optique-optique de 10 % !
1,55 x 110 fs 12 nm
23
Oscillateur femtoseconde Yb3+: SYS
Comparaison des résultats
MatériauDurée
expérimentale record
Longueur d’onde centrale
Principe de l’absorbant saturable
Yb3+: Verre 58 fs 1020 nm SESAM
Yb3+: BOYS 69 fs 1062 nm SESAM
Yb3+: KYW 71 fs 1025 nm KLM *
Yb3+: SYS 94 fs 1070 nm SESAM
Yb3+: KGW 112 fs 1045 nm SESAM
Yb3+: YAG 340 fs 1031 nm SESAM
* « Kerr Lens Mode-locking » : verrouillage de modes par lentille de Kerr
24
Éléments de base d’un laser femtoseconde
Oscillateurfemtoseconde
Amplificateurmultipassage
= Matériau laser à large spectre d’émission
Milieu amplificateur
Impulsion laser
N passages
25
Amplificateur multipassage
• Amplificateur régénératif :
– N grand (de 50 à 200 typiquement)
– Gain par passage : petit
– Gain global de l’ordre de 105 à 107.
Milieu amplificateur
Polariseur
Miroir
Cellule de Pockels
Pompe
26
Amplification à dérive de fréquence
Oscillateur femtoseconde
Yb3+: SYS
1 nJÉnergie par impulsion
Enveloppe de l’impulsion
120 fsDurée de l’impulsion
Compresseur
> 120 fs
~ 0,1 mJ
Amplificateurrégénératif Yb3+: SYS
~ 0,1 mJ
Puissance crête de 8 kW
Focalisé sur Ø 300 µm :I1 ~ 10 MW/cm²
Étireur
0,5 nJ
360 ps
Étirement d’un facteurallant de 2000 à 4000
Puissance crête de 0,8 GW
120 fs
Focalisé surØ 300 µm :
I2 ~ 1 TW/cm²
Seuils de dommage (verres, silice,…) :~ 10 GW/cm² = 1000 I1 = I2/100
27
Amplification à dérive de fréquence
Oscillateur femtoseconde
Yb3+: SYSCompresseur
Amplificateurrégénératif Yb3+: SYS
Étireur
Compresseur classique à deux réseaux
Étireurde type Öffner
Réalisé en collaboration
avec le .
28
Amplificateur régénératif Yb3+: SYS
Seuil de dommage
Gain faiblede l’Yb3+: SYS
Petites sections de faisceau
Endommagements du cristal d’Yb3+:SYS
Fluence intracavité importante
• S trop petite : endommagements
• S trop grande : pas assez de gain
Nécessité de trouver un compromis
SJ
E
sat
stockée
eG 0Gain petit signal :
Énergie stockée dans le cristal
Section du faisceau laser dans le cristal
Fluence de saturation du cristal
29
Yb:SYS(long de 5 mm)
Banc de pompe
Miroir dichroïque
Diode laser (4W)
/4Polariseur
Éjection
Injection
Cellule de Pockels
Amplificateur régénératif Yb3+: SYS
Montage expérimental
Ø = 270 µm
Ø = 850 µm
Temps d’aller-retourdans la cavité : ~ 9,1 ns
Cadence :de 200 Hz à 1 kHz
30
Photodioderapide
Amplificateur régénératif Yb3+: SYSPhases de stockage et d’extraction
d’énergie• Fonctionnement de l’amplificateur :
31
Amplificateur régénératif Yb3+: SYSPhases de stockage et d’extraction
d’énergie• Fonctionnement de l’amplificateur :
Photodioderapide
0 1000 2000 3000 4000 5000Temps (u.a.)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
étisnetnIétivacartni
(u.a
.)
Phase de stockage d’énergie
Phase d’extraction
d’énergie
Vue schématique
Pertes intracavité
Intensité intracavité
Temps de création
32
Amplificateur régénératif Yb3+: SYSPhases de stockage et d’extraction
d’énergie• Fonctionnement de l’amplificateur :
Photodioderapide
500 1000 1500 2000Temps (ns)
0
0.5
1
1.5
2
ecnassiuP
(u.a
.)
Temps de création de 1,6 µs
500 1000 1500 2000Temps (ns)
0
0.5
1
1.5
2
ecnassiuP
(u.a
.)
Résultats expérimentaux
Temps de création
de 900 ns
800 820 840 860 880 900Temps (ns)
0
0.5
1
1.5
2
ecnassiuP
(u.a
.)
Agrandissement
9,1 ns
InjectionSans injection
33
Amplificateur régénératif Yb3+: SYS
Résultats expérimentaux
Énergie par impulsion 70 µJ
Largeur spectrale amplifiée 3,4 nm
Durée des impulsions 380 fs
0,34
Stabilité RMS < 3%
• Performances à 1 kHz après compression :
(Entrée : ≈ 1 nJ)
(Entrée : 10 nm)
(Entrée : 120 fs)
Autocorrélation Spectre
1,55 x 380 fs3,4 nm
10 nm
34
Amplificateur régénératif Yb3+: SYS
Étude en cadence
• Énergie en fonction de la cadence :
35
Amplificateur régénératif Yb3+: SYS
Comparaison des résultats
MatériauDurée
expérimentale record
Énergie CadencePuissance totale de pompe
Efficacité optique-optique*
Yb3+: Verre 200 fs 1 mJ 150 Hz 80 Wà 980 nm
0,19 %
Yb3+: SYS 380 fs 70 µJ 1 kHz 4 Wà 980 nm
1,75 %
Yb3+: KYW 400 fs 40 µJ 1 kHz 3,2 Wà 940 nm
1,25 %
Yb3+: KGW 420 fs 120 µJ 1 kHz 15 Wà 980 nm
0,80 %
Yb3+: KYW 460 fs 65 µJ 1 kHz 20 Wà 980 nm
0,32 %
* Rapport entre puissance moyenne de sortie et puissance totale de pompe.
36
Mai
nte
nan
t
Plan
1. Nouveaux cristaux dopés à l’Yb3+
Yb3+: SYS, Yb3+: BOYS …
2. Laser femtoseconde Yb3+: SYS Résultats expérimentaux
3. Atténuation et simulation du rétrécissement spectral par le gain
4. Conclusionet perspectives+court
puissant
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Mai
nte
nan
tDernière partie de la soutenance
3. Atténuation et simulation du rétrécissement spectral par le gain
• Tendances
• Travail sur le spectre des impulsions
• Quel est le lien entre spectreet enveloppe temporelle ?
38
Lien entre et t
– Définition de :
– Mesure de :
Oscillateur femtoseconde
Yb3+: SYSCompresseur
Amplificateurrégénératif Yb3+: SYS
Étireur
tentrée tsortie>tTF
tTF
Transformée de Fourier
~ 1,23
=tsortie
tTF
39
Qu’est ce que le RSG ?
Longueur d’onde
Pui
ssan
ce
Longueur d’onde
Pui
ssan
ce
Longueur d’onde
Pui
ssan
ce
Spectreinjecté
Amplificateurrégénératif
(spectre de gain)
Spectreamplifié
Rétrécissement Spectral par le Gain (RSG)
40
Simulation réaliste du RSG
• Mieux comprendre
• Pour mieux prévoir
– Prévoir la largeur spectrale en fin de chaîne ;
– Identifier les paramètres clef.
Simulation numérique du RSG :modèle de type Frantz-Nodvik
adapté au lasers quasi-trois niveaux
et généralisé au cas non monochromatique
41
Simulation réaliste du RSG
42Dazzler®
Saturation du gain
Atténuation du RSG
• Comment atténuer le RSG ?
– Diminuer le nombre d’allers-retours N.
– Augmenter la largeur du spectre de gain :
• en changeant de matériau laser,
• en augmentant le taux d’inversionde population moyen.
– « Trouer » le spectre :
• du gain du matériau laser,
• du spectre des impulsions avant amplification.
43
Atténuation du RSG
Saturation du gain• Saturation du gain : augmentation du taux d’inversion
= 75 nm croissant
=50%
= 10%, 20%, 30%, 40% et 50%
44
Atténuation du RSG
Saturation du gain• Saturation du gain : augmentation du taux d’inversion
croissant
=10%
= 6%, 7%, 8%, 9% et 10%
= 53 nmCristal long de 1,5 mm
Cristal long de 5 mm
= 44 nm
45
Atténuation du RSG
Saturation du gain• Résultats expérimentaux :
Échantillon d’Yb3+: SYS long de 5 mm
Échantillon d’Yb3+: SYS long de 1,5 mm
Largeur spectrale amplifiée 3,4 nm 4,1 nm
Saturation du gain
+ 20% de largeur spectrale
Énergie par impulsion ~ 10 µJ4,1 nm 3,4 nm
46Dazzler®
Saturation du gain
Atténuation du RSG
• Comment atténuer le RSG ?
– Diminuer le nombre d’allers-retours N.
– Augmenter la largeur du spectre de gain :
• en changeant de matériau laser,
• en augmentant le taux d’inversionde population moyen.
– « Trouer » le spectre :
• du gain du matériau laser,
• du spectre des impulsions avant amplification.
47
Atténuation du RSG
Simulation du trou spectral• Simulation de l’influence de la profondeur du trou spectral :
48
Atténuation du RSG
Utilisation d’un Dazzler®• Photographie :
• Mise en œuvre expérimentale simple et rapide.
• Intégration dans la chaîne complète :Oscillateur
femtoseconde Yb3+: SYS
ÉtireurAmplificateurrégénératif Yb3+: SYS
CompresseurDazzler®
© Fastlite
• Filtre acousto-optique
programmable
• Interaction acousto-
optique colinéaire dans
un matériau massif.
49
Atténuation du RSG
Utilisation d’un Dazzler®• Filtre acousto-optique programmable via un signal électrique temporel
radiofréquence.
• Agit aussi bien sur l’amplitude que sur la phase spectrale des impulsions.
• Principe de fonctionnement :
Axe ordinaire (rapide)
Impulsion brèveAxe extraordinaire (le
nt)
Impulsion étirée et modelée
Onde acoustiquez
Cristal de TeO2
50
Spectres mesurésSpectres mesurés
Enveloppes temporelles calculées
Enveloppes temporelles calculées
Atténuation du RSG
Utilisation d’un Dazzler®
Profondeur du trou
croissante
Durée décroissante
51
Atténuation du RSG
Utilisation d’un Dazzler®
trou (nm) trou (nm) Htrou sortie (nm) tTF (fs) tTF (fs)
- - 0 4,0 320 390
1065,0 5,3 1,00 - 210 260
1064,8 5,3 0,88 6,4 220 270
1064,3 8,3 0,94 5,7 240 290
Longueur d’onde centrale
Largeur à mi-hauteur Profondeur
Paramètres du trou spectral
Largeur à mi-hauteur Durée par TF
Durée corrigée
Résultats expérimentaux
Résultats déduits par calcul
• Exemples de résultats obtenus :
1
2
3
4
52
Atténuation du RSG
Utilisation d’un Dazzler®
1
Entrée
Sortie expérimentale
Sortie simulée
Outil fiablede prévision
Simulationnumérique
2
3 4
53
Mai
nte
nan
t
Plan
1. Nouveaux cristaux dopés à l’Yb3+
Yb3+: SYS, Yb3+: BOYS …
2. Laser femtoseconde Yb3+: SYS Résultats expérimentaux
3. Atténuation et simulation du rétrécissement spectral par le gain
4. Conclusionet perspectives+court
puissant
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Conclusion• Oscillateur femtoseconde Yb3+: SYS :
– Impulsions très courtes (pour un oscillateur femtoseconde ytterbium)
– Grande efficacité optique-optique (10%)
• Amplificateur régénératif Yb3+: SYS :
– Impulsions très courtes (pour un amplificateur pompé par diodes)
– Grande efficacité optique-optique (1,75%)
• Manipulations spectrales avec le Dazzler® : t < 300 fs
t E f 0
94 fs 1 nJ 108 MHz 1070 nm
110 fs 4 nJ 98 MHz 1066 nm
t E f 0
380 fs 70 µJ 1 kHz 1066 nm
55
Perspectives
• Améliorations possibles de l’oscillateur :
– optimisation du cristal : longueur, dopage, …
– optimisation du SESAM
– augmentation de l’intensité de pompe
• Améliorations possibles de l’amplificateur :
– augmentation de la puissance de pompe
– minimisation des pertes
– optimisation du cristal : longueur, traitement de surface,…
– compensation du RSG avec le Dazzler®.
Oscillateurfemtoseconde
Yb3+:SYS
AmplificateurrégénératifYb3+:SYS
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Perspectives
• Améliorations possibles de l’oscillateur :
– optimisation du cristal : longueur, dopage, …
– optimisation du SESAM
– augmentation de l’intensité de pompe
• Améliorations possibles de l’amplificateur :
– augmentation de la puissance de pompe
– minimisation des pertes
– optimisation du cristal : longueur, traitement de surface,…
– compensation du RSG avec le Dazzler®.
Oscillateurfemtoseconde
Yb3+:SYS
AmplificateurrégénératifYb3+:SYS
57
Ecrit et Realise par
Pierre RaybautPierre Raybaut
58
Produit parThales LaserThales Laser
CNRSCNRS
59
Dirige par
Alain BrunAlain Brun
60
Producteurs executifsFrederic DruonFrederic DruonPatrick GeorgesPatrick Georges
Francois BalemboisFrancois Balembois
61
Musique deeScape projecteScape project
62
Avec, par ordre alphabetique :
Laboratoire d’optique appliquée
Frédérika AugéJean-Paul Chambaret
Thales Research and Technologies
Jean-Pierre HuignardChristian Larat
Thales Laser
Franck FalcozEric Lalier
Laboratoire pour l’utilisation des lasers intenses
Catherine Le Blanc
Fastlite
Daniel KaplanPierre Tournois
~
Equipe Lasers Solides et Applications
François BalemboisAlain Brun
Frédéric DruonPatrick GeorgesThierry Lépine
Gaelle Lucas-LeclinGérard Roger
Aude Bouchier Sébastien Chénais
Claude DouléSébastien Forget
Elvire GuiotMathieu Jacquemet
Renaud LebrunYann Louyer
Sébastien PelletierStéphane Victori
Sylvie Yiou
Institut d’Optique
Thierry AvignonLionel Jacubowiez
Marie-Thérèse PlantegenestJacky RObin
63