Le M1 "Irène Joliot Curie - Institut d'Optique Graduate School" (IJC-IOGS) est un parcours d'excellence en double diplôme : diplôme d'ingénieur de l'Institut d'Optique et parcours de M1 incluant des cours mutualisés avec nos partenaires de l'Université Paris Saclay dans le domaine de la physique fondamentale.
Lieu(x) d'enseignement
ORSAY
PALAISEAU
Pré-requis, profil d’entrée permettant d'intégrer la formation
Le M1 "Irène Joliot Curie - Institut d'Optique Graduate School" (IJC-IOGS) s'adresse aux élèves-ingénieurs de l'IOGS désirant approfondir leur formation par un double cursus universitaire, ainsi qu'à des étudiants universitaires français ou internationaux qui souhaitent intégrer sur titre l'Ecole d'ingénieur de l'Institut d'Optique tout en gardant une composante universitaire en double cursus.
Compétences
Maîtriser et utiliser les savoirs spécialisés de la physique avec la rigueur scientifique requise.
S’informer et se documenter sur une problématique scientifique en sachant identifier des sources d’information pertinentes.
Mobiliser des savoirs conceptuels, méthodologiques, numériques, techniques et pratiques utiles à la modélisation et la résolution de problématiques en physique ou à ses interfaces.
Conceptualiser, structurer et conduire de manière autonome un projet en physique et produire une analyse critique des résultats.
S’adapter à un environnement nouveau, travailler en équipe et collaborer afin d’atteindre des objectifs communs.
Synthétiser et communiquer efficacement dans deux langues dont l’anglais, et de manière adaptée au public visé.
Profil de sortie des étudiants ayant suivi la formation
Ce parcours forme des étudiants qui s’orienteront vers des métiers très divers. Certains prépareront un doctorat (physique fondamentale ou appliquée, interfaces de la physique) dans la perspective des métiers de la recherche, de la recherche et développement, et de l’enseignement supérieur. D’autres seront cadres dans le secteur privé ou ingénieurs d’étude ou de recherche dans des organismes publics.
Débouchés de la formation
Ce M1 se poursuit avec un M2 en double-diplôme, qui pourra par exemple être:
- le M2 Laser Optique Matiere,
- le M2 Nanosciences,
- le M2 Systèmes biologiques et concepts physiques,
- le M2 Grands instruments,
- le M2 Physique des plasmas et de la fusion, ...
Collaboration(s)
Laboratoire(s) partenaire(s) de la formation
Laboratoire Charles Fabry
Laboratoire Aimé Cotton
Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay
Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies
Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire
Laboratoire de physique des gaz et des plasmas
Laboratoire de Physique des Plasmas
Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes
Laboratoire de Physique Théorique
Unité mixte de physique CNRS/Thales
Unité de recherche SOLEIL.
Programme
Le S1 est constitué d'un tronc commun d'UE obligatoires.
Fabienne BERNARD, Henri BENISTY, Sylvie LEBRUN (IOGS).
Déroulement et organisation pratique :
Organisation de l'UE:
- Optique des ondes guidées (cours/TD 23h): Le but du cours est une assimilation des concepts de base permettant la compréhension et la modélisation des éléments essentiels que sont, dans un
système de communications par fibres optiques, la dispersion et l’atténuation.
- Optique Non-Linéaire (cours/TD 26h): Avec l'apparition des lasers est apparue une nouvelle branche de l'optique : l'optique non linéaire. Les effets nouveaux qui en découlent (génération de
second harmonique, mélange de fréquences, effet Kerr, …) ouvrent la voie à de très nombreuses applications qui ont révolutionné l'optique moderne et les télécommunications optiques.
- Labwork in Photonics 1 (TP 18h)
- TP Laser (TP 18h): Travaux pratiques de Lasers : 4 séances de 4,5h.
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
Cette unité d’enseignements porte sur des notions et concepts essentiels de la photonique et qui ont donné naissance à de nombreuses applications industrielles : l’optique non-linéaire, l’optique des ondes guidées, les lasers et la physique atomique. Une partie de ces enseignements est dispensé en anglais.
Les enseignements de cette UE visent à l’acquisition (au moins partielle) des compétences suivantes :
- Maitriser le domaine de l'optique et de la photonique
- Etre capable de mettre en oeuvre tout projet intégrant l'optique et la photonique
- Mettre en oeuvre la démarche scientifique en optique
- Modéliser des phénomènes physiques et des systèmes réels
- Réaliser une veille scientifique, technologique, industrielle
- Concevoir / Mettre en œuvre / Caractériser un système à composante photonique
- Réaliser des expérimentations
- Communiquer avec des spécialistes et non-spécialistes (écrit/oral)
- Travailler en équipe
- Travailler dans un contexte international et/ou multi-culturel.
Organisation de l'UE:
- Radiométrie (22,5h cours/TD): Ce cours vise à donner les notions de base en radiométrie géométrique et en colorimétrie, indispensables à la conception de systèmes de détection optique.
- Detection Systems (21h cours/TD): Ce cours est la suite du cours de radiométrie. Il vise à donner aux étudiants les outils pour évaluer les performances des capteurs optroniques et leur permettre de comprendre et répondre à un cahier des charges en utilisant une approche système généralement suivie par un responsable de projet R&D.
- Colorimétrie (17h cours/TD): Comprendre les bases physiologiques de la perception colorée dans la vision humaine.
- Labwork in Photonics 2 (TP 13,5h)
- TP de Photométrie (TP 18h): 4 séances de photonique expérimentale.
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
Les cours et travaux pratiques de cette unité d’enseignements concernent les disciplines scientifiques liées à la caractérisation de la lumière, outils indispensables à l’ingénieur en optique & photonique : la radiométrie, la colorimétrie, la photométrie et les systèmes de détection. Une partie de ces enseignements est dispensé en anglais.
Les enseignements de cette UE visent à l’acquisition (au moins partielle) des compétences suivantes :
- Maitriser le domaine de l'optique et de la photonique
- Etre capable de mettre en oeuvre tout projet intégrant l'optique et la photonique
- Mettre en oeuvre la démarche scientifique en optique
- Modéliser des phénomènes physiques et des systèmes réels
- Intégrer la photonique aux autres dimensions du système ou projet (électronique, mécanique, informatique, champ d'application …)
- Concevoir / Mettre en œuvre / Caractériser un système à composante photonique
- Concevoir et Réaliser des expérimentations
- Communiquer avec des spécialistes et non-spécialistes (écrit/oral)
- Travailler en équipe
- Travailler dans un contexte international et/ou multi-culturel.
Période(s) et lieu(x) d’enseignement :
Période(s) :
Septembre - Octobre - Novembre - Décembre - Janvier.
Hervé SAUER, Charles BOURASSIN, Mondher BESBES, Anne NGUYEN, Benjamin LE TEURNIER.
Déroulement et organisation pratique :
Le contenu détaillé est le suivant:
Utilisation du logiciel Matlab [~8h] :
- Rappels sur les objets Matlab de base: scalaires, vecteurs, matrices. Les expressions de type ‘tableau’.
- Graphiques 2D (rappels) et 3D. Affichage d'images
- Éléments de programmation (rappels et compléments)
Éléments de calcul numérique [~24h] :
- Erreur d'arrondi. Erreur de méthode. Stabilité numérique des algorithmes.
- Résolution des systèmes linéaires de Cramer. Notion sur le nombre de condition des matrices.
- Résolution des systèmes linéaires au sens des moindres carrés.
- Décomposition en valeurs singulières [SVD], pseudo-inverse et nombre de condition
- TFD & FFT 1D(rappels) et 2D
- Résolution de problèmes non linéaires (Recherche de zéro, utilisation d'outils d'intégration numérique, utilisation d'outils d'optimisation locale ou globale, ...)
- Résolution d'équations différentielles
- Introduction à la résolution d'équations aux dérivées partielles avec le logiciel COMSOL.
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
Cet enseignement a pour objet d'initier les élèves à l'utilisation efficace et raisonnée des ordinateurs dans un contexte scientifique. Il concerne essentiellement la résolution de problèmes numériques classiques avec les outils dont disposent les scientifiques d'aujourd'hui, accompagnée d'une large sensibilisation aux possibilités et aux limitations du calcul numérique. La mise en œuvre pratique conduit également à aborder quelques éléments de programmation informatique.
Pour une bonne assimilation des concepts, cet enseignement s'appuie exclusivement sur des «cours-TD» en salle d'informatique, avec une large participation pratique des élèves sur ordinateur avec le logiciel Matlab®, très utilisé dans le monde scientifique et industriel.
Prérequis :
Connaissances mathématiques (et informatiques) générales du 1er cycle universitaire scientifique français (CPGE+1A, L1+L2+L3, ...): analyse générale, algèbre linéaire, transformée de Fourier et transformée de Fourier discrète, équations différentielles, ... Des connaissances de base du logiciel Matlab et du calcul numérique (comme données par le cours 0122 d'Initiation au Calcul Scientique) sont utiles mais pas absolument nécessaires...
The physics of atoms and molecules, which constitutes the subject matter of this course rests on a long history of discoveries, both experimental and theoretical. Far from giving a complete account of the historical development, this introductory course aims to give an understanding of both theoretical foundations and key steps, which have occurred in this field. As a direct application of quantum mechanics it includes materials on basic atomic and molecular physics with discussion on structure, spectra and interaction with electric and magnetic field.
This major course proposes to learn the basics features about the elementary particles, the fundamental interactions of nature, nuclear structure, nucleosynthesis, stellar evolution and cosmology.
Chapter 1: Particles and symmetries
Chapter 2: Hadron synthesis
Chapter 3: The primordial Universe
Chapter 4: The nucleon interaction and the structure of nuclei
Chapter 5: Nuclear dynamics
Chapter 6: Star formation and evolution.
Le programme est en partie conditionné par les choix du professeur, qui est libre de sa pédagogie, mais aussi les préférences des élèves, ou le type de thème déjà abordé en première année. On travaillera les compétences actives : prise de parole spontanée et préparée, simulations, jeux de tôles, tandis que la rédaction se voudra également plus professionnelle, comprenant une introduction à la rédaction scientifique.
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
Ce cours se veut une préparation à la vie professionnelle. Elle se fera en 3 parties :
a) Préparation aux candidatures ( CV, lettres et entretiens) , que ce soit aux stages ou au premier emploi.
b) Initiation aux problématiques de l’interculturel – avec études de cas.
c) Approfondissement de questions liées à l’environnement du travail – qu’elles soient éthique, culturelles ou humaines.
L’objectif de ce cours est de se perfectionner linguistiquement de manière à pouvoir affronter les défis de la communication en milieu professionnel – entre autres, réunions, rédaction de rapports, discussions ou négociations.
Période(s) et lieu(x) d’enseignement :
Période(s) :
Septembre - Octobre - Novembre - Décembre.
Lieu(x) :
PALAISEAU
Le S2 comprend des UE obligatoires, des UE à choix, ainsi qu'un stage.
This set of lectures is devoted to an introduction to plasma physics and its applications: in particular, thermonuclear fusion (ITER), space plasmas and plasma discharges, reactors and thrusters.
Bruits et détecteurs.
B1 Bruit dans un système de détection optique
B2 Caractérisation d'un détecteur infrarouge
B3 Etude d'un capteur CMOS industriel
B4 Caméra infrarouge
Aberrations:
Méthode du point lumineux
A1 - Aberrations sur l'axe
A2 - Aberrations hors axe
Mesures de front d'onde
A3 - Zygo
A4 - Haso (Shack-Hartmann).
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
La photonique expérimentale du semestre 8 regroupent deux blocs de 4 séances chacun :
- Aberrations
- Bruits et détecteurs
Aberrations. A l’issue des 4 séances de travaux pratiques, les étudiant·e·s sont capables de :
- Mettre en œuvre des méthodes de caractérisation des systèmes d’imagerie optique. Ces méthodes incluent la méthode de test en étoile simple du point lumineux (star test), ainsi que l’utilisation d’instruments couramment utilisés dans l’industrie, tels que l’interféromètre Zygo et l’analyseur de front d’onde Schack-Hartmann (HASO).
- Analyser quantitativement les performances d’un système optique en fonction des situations d’utilisation (conjugaison, champ, ouverture numérique, …), et reconnaître des aberrations géométriques simples comme la coma, l’astigmatisme, l’aberration sphérique, le chromatisme.
- Établir l’adéquation ou les limites d’un système optique avec l’application d’imagerie pour laquelle il est dédié.
Bruits et détecteurs. A l'issue des 4 séances de travaux pratiques, les étudiant·e·s sont capables de :
- proposer un protocole de mesures pour évaluer les performances électro-optiques d’un détecteur, quel que soit son format (monoélément ou matrice)
- identifier les spécificités des différentes bandes spectrales (visible et infrarouge)
- estimer les différentes contributions au bruit d’un détecteur
- vérifier si un système est limité par le bruit de photons.
Le programme est en partie conditionné par les choix du professeur, qui est libre de sa pédagogie, mais aussi les préférences des élèves, ou le type de thème déjà abordé en première année. On travaillera les compétences actives : prise de parole spontanée et préparée, simulations, jeux de tôles, tandis que la rédaction se voudra également plus professionnelle, comprenant une introduction à la rédaction scientifique.
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
Ce cours se veut une préparation à la vie professionnelle. Elle se fera en 3 parties :
a) Préparation aux candidatures ( CV, lettres et entretiens) , que ce soit aux stages ou au premier emploi.
b) Initiation aux problématiques de l’interculturel – avec études de cas.
c) Approfondissement de questions liées à l’environnement du travail – qu’elles soient éthique, culturelles ou humaines.
L’objectif de ce cours est de se perfectionner linguistiquement de manière à pouvoir affronter les défis de la communication en milieu professionnel – entre autres, réunions, rédaction de rapports, discussions ou négociations.
Le cours se compose de 6 séances de trois heures sur les thèmes suivants.
- Formation d'une image numérique - Exemples de modalités d'image
- Manipulation d'images numériques
- Filtrage d'images
- Problèmes inverses et déconvolution
- Compression de l'information dans une image
- Méthodes de représentation d'images.
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
Ce cours introduit les bases du traitement numérique des images. Il est composé de 6 séances de trois heures comprenant un cours de 1h30 et une séance de TP de 1h30. Il a pour objectif de donner les bases pratiques et théoriques du traitement des images numériques.
Introduction à la physique statistique. Approximation classique.
Ensemble microcanonique et canonique. Travail et chaleur. Irreversibilité.
Ensemble grand canonique. Limite thermodynamique.
Statistiques quantiques. (Distributions de Bose-Einstein et Fermi-Dirac). Limite classique: distribution de Maxwell-Boltzman.
Gaz d'électrons libres. Energie de Fermi.
Rayonnement de corps noir.
Introduction au champ moyen: gaz réel et ferromégnétisme.
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
Le cours est constitué de six séances de 1.5h pour introduire les notions de base et de 6 séances de Travaux dirigés pour apprendre à utiliser les concepts. Un devoir maison de 6h complète le cours et permet d'obtenir 3 ECTS dans le cadre du M1. A l'issue de cet enseignement, les élèves maitriseront les concepts de base de la physique statistique et sauront les appliquer dans le cas de systèmes de particules indépendantes.
Interactions photons/électrons-trous dans un semiconducteur
I. Rappels
II. Description d’un semiconducteur hors équilibre
III.Taux d’absorption et d’émission de lumière dans un semiconducteur à gap direct
Diodes électroluminescentes
I. Description du composant
II. Caractéristique P(I)
III. Spectre d'émission
IV. Technologies des LED pour l'éclairage
Description d’une diode laser
I. La cavité laser
II. Couche active structurée
III. Exemples : conception d'une diode laser à puits quantiques
IV. Injection de porteurs & confinement transverse
V. Technologies de fabrication
Propriétés de l'émission des diodes laser
I. Gain optique dans une jonction PN polarisée
II. Caractéristique Popt = f(I)
III. Propriétés du mode transverse
IV. Exemples et Technologies
V. Propriétés spectrales de l'émission
VI. Caractéristiques de modulation.
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
Le cours détaille les propriétés spécifiques des sources à semiconducteur (diodes électroluminescentes, diodes laser à émission par la tranche et par la surface), en relation avec leurs applications. Les principes physiques sont décrits, les caractéristiques des sources en relation avec l'état de l'art sont commentées, et les principales problématiques sont mises en évidence.
L'objectif de ce cours est de comprendre l'origine des propriétés spécifiques des sources à base de matériaux semiconducteur, et les enjeux actuels; d'être en mesure d'effectuer une lecture critique d'articles scientifiques du domaine.
A- Interaction Rayons X / Matière
Propriétés optiques de la matière dans le domaine spectral X et Extrême UV
Les indices de réfraction dans le domaine X
Réflexion et réfraction des rayons X à une interface
B- Composants optiques X : principes et technologie
Filtres en transmission
Miroirs en réflexion totale
Miroir Interférentiels Multicouches
Composants diffractifs : Réseaux lamellaires, réseau de phase, lentilles de Fresnel
C- Applications
Imagerie X pour le médical : imagerie de phase
Imagerie X et Extrême UV pour le spatial
Lithographie Extrême UV
Analyse des matériaux par rayons X : diffraction X, réflectométrie X….
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
Le cours comprend 6 séances de 3h et se base sur la physique de l’interaction rayons X/matière pour étudier les composants optiques existants dans cette gamme spectrale et leur utilisation dans des applications industrielles. Des séances de TD avec utilisation de logiciels de simulation permettent aux élèves de se familiariser avec les performances et les limites de différents types de composants.
Les secteurs d’activité concernés sont les suivants: médical, énergie, spatial, aéronautique, matériaux, semiconducteurs…
Un des objectifs de ce cours est de fournir aux élèves des connaissances suffisantes afin qu'ils appréhendent les enjeux industriels et le potentiel d'innovation existants dans ce domaine spectral particulier et en pleine croissance.
Le Projet d'Ingénierie Multi-Site (PIMS) est un travail scientifique expérimental en équipe, construit tout au long de l'année universitaire par les élèves qui ont choisi de s'y engager.
Les sujets de projet système sont pluridisciplinaires et comportent en général de la photonique, mais aussi de la mécanique, de l’électronique, de l’informatique,...
A l'issue de ce projet, les élèves sont capables de :
- concevoir, mettre en oeuvre et caractériser un dispositif scientifique (système complet) associant photonique, électronique, informatique et mécanique,
- présenter (oral et écrit) des enjeux scientifiques et techniques,
- utliser des méthodes de travail en équipe.
Plan du cours
1) Connaissances de base en biologie cellulaire et moléculaire: structure de la cellule, réplication, transcription, traduction, structure des protéines, métabolisme, signalisation
2) Propriétés optiques des milieux biologiques - Méthodes optiques en biologie et en médecine (revue)
3) Microscopie et fluorescence: résolution et superrésolution, méthodes de contraste, marqueurs fluorescents, microscopie confocale et TIRF.
4) Méthodes de base en biologie moléculaire: criblage, Polymer Chain Reaction (PCR), gel d'électrophorèse, utilisation des protéines fluorescentes, culture cellulaire
5) Pinces optiques : dispositifs expérimentaux, mesure de force et applications à l'étude de cellules, d'ADN et de moteurs moléculaires
6) Microscopie à force atomique et application en biologie; introduction à la cytométrie en flux; Séquençage de l'ADN
7) Applications biomédicales.
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
Ce cours a pour objectif d'aborder la biologie par le biais des méthodes optiques permettant d’en étudier les mécanismes ou de faire des diagnostics. Le cours s’intéressera principalement à la biologie moléculaire et cellulaire, avec une ouverture vers les applications biomédicales.
A l'issue de ce cours, les étudiants devront être capables d'avoir suffisamment de connaissance de base en biologie et en méthodes optiques associées pour dialoguer avec les spécialistes de ce domaine. Ils pourront ainsi tirer un meilleur parti d'un stage ou d'un approfondissement d'études qui seront nécessaires pour poursuivre dans cette voie. Ils auront les compétences pour réaliser une veille scientifique et technologique dans les domaines d'application de l'optique en biologie et en médecine, et pour comprendre les enjeux des travaux de recherche à l'interface entre l'optique et la biologie. Ils sauront analyser de manière critique des documents, plus particulièrement extraire des informations pertinentes d'articles scientifiques, rédigés en anglais et pour des spécialistes. Ils auront aussi appris à ne pas sous estimer la difficulté de travailler à l'interface avec un domaine qu'ils ne maîtrisent pas.
I. Rappel sur les perturbations dépendantes du temps – Oscillation de Rabi – Règle d’or de Fermi
II. Interaction d’un atome à deux niveaux avec la lumière en présence de relaxation
III. Optique statistique - Equation de Langevin - Application aux fluctuations fondamentales dans un laser
IV. Application au refroidissement d’atomes par laser.
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
Ce cours est un approfondissement du cours de physique atomique en mettant l’accent sur le rôle des processus dissipatifs tel que l’émission spontanée. Ces processus sont essentiels pour expliquer quantitativement et, bien souvent même qualitativement, l’interaction d’un atome ou d’un ensemble d’atomes avec un champ lumineux. Le lien entre l’approche quantique et semi-classique (équations de taux) sera développé. Nous aborderons ensuite la nature de la largeur d’un laser et terminerons par une application des notions abordées dans ce cours sur le refroidissement d’atomes par laser.
1.SPECKLE :
Propriétés statistiques d'un diffuseur en surface – Statistiques de l'amplitude et de l'intensité, corrélations spatiales, ...
2. RÉSEAUX & HOLOGRAPHIE :
Réseaux minces, Réseaux épais - Notion d'efficacités de diffraction.
Principes de base de l'holographie.
Objectifs pédagogiques visés :
Contenu :
Introduction aux phénomènes de speckle en éclairage cohérent et aux base de l'holographie.
Objectifs pédagogiques:
- Comprendre l'origine et les propriétés du phénomène de speckle (granularité laser) au travers une introduction aux bases de l'optique statistique appliquées au cas d'une porteuse cohérente soumise à des perturbations dont seules les propriétés statistiques sont connues.
- Compléter les connaissances sur les réseaux de diffraction, minces et épais.
Introduire les notions de base de l'holographie (analogique ou numérique).
Stage d'été de 2 à 3 mois (au moins 55 jours), en laboratoire ou en entreprise.
Ce stage est une première expérience professionnelle et l’occasion de découvrir les problématiques contemporaines dans le secteur de l'optique et la photonique. Il permet de mettre en application les acquis et savoir-faire à l’issue d’une année comportant de nombreux cours de spécialisation (laser, conception optique, fibres et optique guidée, optronique, hyperfréquences, etc.).
Les compétences renforcées, acquises à l’occasion de ce stage sont :
- Fondamentaux scientifiques
- Méthode
- Savoir-faire expérimental ou technique
- Aptitude à travailler en équipe
- Management de projet
- Analyse de problème et résolution de problème
- Capacité à communiquer
- Perception des problèmes de sécurité et d'environnement.
Période(s) et lieu(x) d’enseignement :
Période(s) :
Mai - Juin - Juillet.
Modalités de candidatures
Période(s) de candidatures
Du 15/01/2020 au 15/07/2020 Du 01/09/2020 au 10/09/2020
Pièces justificatives obligatoires
Curriculum UE (descriptifs des UE suivies) des deux dernières années.
Curriculum Vitae.
Lettre de motivation.
Tous les relevés de notes des années/semestres validés depuis le BAC à la date de la candidature.
Pièces justificatives complémentaires
Dossier VAPP (obligatoire pour toutes les personnes demandant une validation des acquis pour accéder à la formation).
