PhoCaL

Contacts : agnes.desfarges-berthelemot@xlim.fr | vincent.kermene@xlim.fr

Cette thématique de recherche porte sur le développement de systèmes photoniques et d’algorithmes associés pour la structuration contrôlée du rayonnement cohérent à travers des milieux complexes : aléatoires, multimodaux, en réseau, amplificateurs et/ou non linéaires. Ces travaux combinent algorithmie et expérimentations avancées selon les principaux axes suivants :

Combinaison cohérente & architectures lasers en réseau

Nous concevons de nouvelles architectures lasers et amplificateurs en réseau, visant des niveaux élevés de puissance. Cela comprend le développement de méthodes d’analyse et de correction de front d’onde multi-pupillaire pour la combinaison cohérente de faisceaux lasers. Jusqu’à 100 faisceaux ont été combinés expérimentalement [1].

Sources lasers agiles à fibres multimodales amplificatrices

Nous développons des sources lasers agiles basées sur des fibres multimodales à large cœur aussi bien pour le régime de fonctionnement continu que le régime impulsionnel ultrabref. Le profilage spatial et/ou temporel du faisceau, y compris en régime de gain saturé, est assuré par des approches algorithmiques adaptatives ou des réseaux de neurones.

Apprentissage automatique de modèles de propagation cohérente en milieux complexes

Nous utilisons des approches d’apprentissage automatique, sans onde de référence, pour recouvrer sous la forme de matrices de transmission ou de réseaux de neurones, la transformée induite par la propagation de rayonnements cohérents dans des fibres fortement multimodales ou des milieux diffusants. Ces modèles sont exploités pour projeter des images 3D à travers ces composants ou pour simuler une transformée spatiale non linéaire de type Kerr [2].

Analyse de front d’onde par système optique tout fibré

Nous concevons des dispositifs d’analyse de front d’onde entièrement fibrés, basés notamment sur le concept de lanternes photoniques. Ces systèmes, modélisés par réseaux de neurones, sont appliqués à la communication optique en espace libre, pour l’émission/réception de signaux à fronts d’onde perturbés.

Holographie numérique & microfluidique bio-inspirée

Nous développons des méthodes d’holographie numérique pour la synthèse de formes 3D dans des circuits microfluidiques [3]. Une partie de ces travaux est dédiée à la conception de puces microphysiologiques (organ-on-chip) spécifiquement adaptées aux recherches pharmacologiques du CBRS (Centre de Biologie et de Recherche en Santé).

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[1] Experimental phase control of a 100 laser beam array with quasi-reinforcement learning of a neural network in an error reduction loop.
Shpakovych, M., Maulion, G., Kermene, V., Boju, A., Armand, P., Desfarges-Berthelemot, A., Barthélemy, A., 2021.  Opt. Express 29, 12307.
https://doi.org/10.1364/oe.419232

[2] Machine learning-driven complex models for wavefront shaping through multimode fibers.
Saucourt, J., Gobé, B., Helbert, D., Desfarges-Berthelemot, A., Kermene, V., 2024.  Optical Fiber Technology 88, 104017.
https://doi.org/10.1016/j.yofte.2024.104017

[3] Holographic photopolymerization combined to microfluidics for the fabrication of lab-in-lab microdevices and complex 3D micro-objects.
Lale, A., Buckley, C., Kermène, V., Desfarges-Berthelemot, A., Dumas-Bouchiat, F., Mignard, E., Rossignol, F., 2023.  Heliyon 9, e20054. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e20054

Programmes de recherche
Projet TALOS de l’agence européenne de défense
Projet MULTIMOC de l’ANR ASTRID
Projets Région Nouvelle Aquitaine (APLI, 3DEFI, ILAS)
Projet exploratoire Université de Limoges (MIMIC)
Projet Labex SigmaLim (I3DOC)

Partenariats
Laboratoire commun X-LAS (XLIM/CILAS)
Alphanov (centre technologique optique & laser)
Onera/DOTA
IRCER UMR 7315
CBRS (NeurIT Neuropathies et innovations thérapeutiques UR 20218, Pharmacologie & Transplantation UMR 1248 Inserm CHU)

Contact : pierre.bon@cnrs.fr
Dedicated website: https://www.quantitativeimaging.fr/home

We are interested in developing imaging & metrological methods, mainly label-free, to characterize any sample from a single virus to complex (meta)surface or living biological tissue. We are using both linear and non-linear processes.

We are focusing on 3 main pillars to do so:

Quantitative phase imaging

We are expert in using self-interference methods to extract not only the intensity of the light but also its phase. We are applying this approach to quantify the thickness of structures but also to weight biological samples and to characterize nano-particles.

We are designing and realizing our own interferometer thanks to the PLATINOM facility in the XLIM institute.

Super-resolution methods

We are developing new imaging platforms and we are specialist in super-resolution imaging. We perform measurements on both sparse sample (3D super-localization of nanoparticles or fluorescent molecules) and dense (label-free) sample using photon-reassignment.

Our label-free super-resolution approach has led to the creation of the company IotaMetrix (https://www.iotametrix.fr/home).

Numerical processing

We are using direct signal processing methods as well as dedicated machine learning tools to perform our metrological analysis.

Thank to the co-conception between optical and processing methods, we can extract from our complex label free data important features to identify objects and characterize our samples.

Feel free to contact us if you want to collaborate or join the adventure!

[1] Label‐Free Single Nanoparticle Identification and Characterization in Demanding Environment, Including Infectious Emergent Virus.
Nguyen, M., Bonnaud, P., Dibsy, R., Maucort, G., Lyonnais, S., Muriaux, D., Bon, P., 2024.  Small 20.
https://doi.org/10.1002/smll.202304564

[2] Nondestructive inspection of surface nanostructuring using label-free optical super-resolution imaging.
Aguilar, A., Khalil, A.A., Aldeiturriaga, D.P., Sedao, X., Mauclair, C., Bon, P., 2023. Sci Rep 13.
https://doi.org/10.1038/s41598-023-32735-w

[3] Quantitative phase microscopies: accuracy comparison.
Chaumet, P.C., Bon, P., Maire, G., Sentenac, A., Baffou, G., 2024.  Light Sci Appl 13.
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01619-7

Programmes de recherche

• Européen : ERC StG « SpeciPhic » (2020-2026)
• Nationaux : ANR PRC « DynaMitoPatho » (2023-2027)
• Projet Impulsion INSERM « MecaCell3D » (2023-2028)
• Prématuration CNRS « NanoInSitu » (2022-2023)
• Régionaux : Projet NAQ « MetabOptique » (2023-2027)

Partenariats

• Institutionnels : LP2N, IBGC, Institut La Vision, IRIM/CEMIPAI, Institut Fresnel, Institut Curie
• Industriels : Myriade, IotaMetrix

Contact : benjamin.wetzel@xlim.fr

La thématique de recherche Smart Nonlinear Photonics est dédiée à l’étude et au contrôle des dynamiques non linéaires en optique guidée, avec pour ambition de concevoir des sources photoniques intelligentes pour des applications avancées.

Nous explorons des phénomènes complexes liés à la propagation non linéaire d’impulsions ultra-courtes (fs-ps) dans une grande variété de systèmes fibrés et intégrés. Nos travaux se concentrent sur les mécanismes d’élargissement spectral (supercontinuum, peignes de fréquences optiques) et sur les phénomènes physiques associés : émergence et collisions de solitons, instabilité de modulation, dynamiques de bruit, interactions intermodales, piégeage optique, etc.

À l’intersection de l’optique non linéaire, de la photonique ultrarapide et de l’intelligence artificielle, notre approche s’appuie sur des plateformes expérimentales de pointe et sur de solides collaborations internationales, dans une démarche résolument pluridisciplinaire.

Nous concevons et mettons en œuvre des méthodes avancées de contrôle optique hybride, alliant ingénierie spectro-temporelle, multiplexage spatial, dispositifs photoniques sur puce et mise en forme spectrale dans le domaine de Fourier.

Nous développons également des techniques de mesure innovantes, capables de capturer la structure multidimensionnelle fine des signaux optiques ultrarapides et à large bande spectrale : mesures spectro-temporelles (FROG, X-FROG asynchrone) et transformée de Fourier dispersive (DFT) pour l’analyse en temps réel de signaux incohérents.

Enfin, nous intégrons des approches d’optimisation et d’apprentissage automatique — réseaux de neurones, algorithmes évolutionnaires et bio-inspirés — pour modéliser, ajuster et piloter ces dynamiques complexes.

Au-delà des avancées fondamentales, nos recherches débouchent sur des applications transverses, explorées au sein du groupe ou à travers des collaborations, notamment en imagerie multiphotonique, métrologie de précision et optique quantique.

Plus d’infos : https://www.smartphotonics.net

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[1] Modulation instability control via evolutionarily optimized optical seeding.
L. Sader, Y. Boussafa, V.T. Hoang, R. Haldar, M. Kues, B. Wetzel “” Nanophotonics, In Press (2025)

[2] Optimization methods for integrated and programmable photonics in next-generation classical and quantum smart communication and signal processing.
L. Di Lauro, S. Sciara, B. Fischer, J. Dong, I. Alamgir, B. Wetzel, G. Genty, M. Nichols, A. Eshaghi, D.J. Moss, R. Morandotti “” Advances in Optics and Photonics, In Press (2025)

[3] Single-Photon Level Dispersive Fourier Transform: Ultrasensitive Characterization of Noise-Driven Nonlinear Dynamics.
Sader, L., Bose, S., Kashi, A.K., Boussafa, Y., Haldar, R., Dauliat, R., Roy, P., Fabert, M., Tonello, A., Couderc, V., Kues, M., Wetzel, B., 2023.  ACS Photonics 10, 3915–3928.
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.3c00711

[4] Quantum key distribution implemented with d-level time-bin entangled photons.
Yu, H., Sciara, S., Chemnitz, M., Montaut, N., Crockett, B., Fischer, B., Helsten, R., Wetzel, B., Goebel, T.A., Krämer, R.G., Little, B.E., Chu, S.T., Nolte, S., Wang, Z., Azaña, J., Munro, W.J., Moss, D.J., Morandotti, R., 2025.  Nat Commun 16.
https://doi.org/10.1038/s41467-024-55345-0

[5] Customizing supercontinuum generation via on-chip adaptive temporal pulse-splitting.
Wetzel, B., Kues, M., Roztocki, P., Reimer, C., Godin, P.-L., Rowley, M., Little, B.E., Chu, S.T., Viktorov, E.A., Moss, D.J., Pasquazi, A., Peccianti, M., Morandotti, R., 2018.  Nat Commun 9.
https://doi.org/10.1038/s41467-018-07141-w

Programmes de recherche

• 2025-2029 : ANR (Agence Nationale de la Recherche) – Projet PRC 2024
  “Versatile Integrated optical Supercontinuum sources through nOnlinear PulsE Compression” – Projet VISOPEC (ANR-24-CE24-5082)
  > C2N (Coord : E. Cassan), PhLAM (A. Mussot), XLIM (B. Wetzel)
• 2021-2026 : European Research Council (ERC) – Starting Grant (ERC-StG-2020)
  “Smart phoTonic souRces harnEssing Advanced Multidimensional Light optimization towards machIne-learNing-Enhanced imaging” – Projet STREAMLINE (GA 950618)
  Horizon 2020 Programme (U.E.), Bénéficiaire unique (B. Wetzel, XLIM)
• 2021-2025 : Région Nouvelle-Aquitaine – Project ESR (Cofinancement régional)
  “Sources Photoniques intelligentes pour l’Imagerie avaNcée et les Applications Lasers” – Projet SPINAL
• 2021-2025 : ANR (Agence Nationale de la Recherche) – Projet PRC 2020
  “Optimized on-demand ultrafast and broadband light sources using machine learnings” – Project OPTIMAL (ANR-20-CE30-0004)
  > FEMTO-ST (Coord: J.M. Dudley), ICB (C. Finot), XLIM (B. Wetzel)
• 2024 : ANR LabEx ∑-LIM (ANR-10-LABX-0074) – AAP 2023
  “Reconfigurable photonic sources for innovative approaches to computational imaging”
  > XLIM (Coord: B. Wetzel) + Laboratoires CRIBL et IRCER (Limoges)
• 2024 : ANR LabEx FIRST-TF (ANR-10-LABX-48-01) – AAP 2023
  “Flexible and reconfigurable optical frequency combs”
  > XLIM (Coord: B. Wetzel), PhLAM (A. Mussot)

Partenariats

• Institut National de la Recherche Scientifique (INRS), Montréal (Canada)
• Institute of Photonics, Leibniz University of Hannover, Hannovre (Allemagne)
• Institut FEMTO-ST, Université Marie & Louis Pasteur, Besançon (France)
• Emergent Photonics Research Centre, Loughborough University, Loughborough (Royaume-Uni)
• Laboratoire PhLAM, Université Lille, Lille (France)
• City University of Hong Kong (CityUHK), Hong-Kong (China)
• Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), Université Paris-Saclay (France)
• Swinburne University of Technology, Melbourne (Australie)
• Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB), Université Bourgogne Europe, Dijon (France)
• Tampere University, Tampere (Finlande)
• University Sapienza Rome, Rome (Italie)