Apport de l'optique non linéaire à l'imagerie infrarouge pour la détection de cibles à longue distance

Upconversion detection for long range active imaging in the infrared

• Auteur / Autrice : Romain Demur
• Direction : Claude Fabre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/09/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Alexandra Fragola
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Adam, Antoine Godard, Arnaud Grisard, Marie-Claire Schanne-Klein
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Fade, Katia Gallo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télédétection

Imagerie infrarouge

Optique non linéaire

Mots clés libres

Détection infrarouge

Imagerie active

Optique non-linéaire

Somme de fréquence

Conversion multimode

Détecteurs

Infrared detection

Active imaging

Nonlinear optical

Frequency sum

Upconversion

Detectors

Résumé

Les applications de détection infrarouge active sont nombreuses dans le domaine de la défense et la sécurité. Cependant ces systèmes sont actuellement peu utilisés en pratique à cause de leur portée limitée. Un moyen d’augmenter cette portée est d’améliorer la sensibilité des détecteurs infrarouges qui possèdent des bruits bien plus élevés que leurs équivalents dans le visible. L’idée principale de cette thèse est d’utiliser l’optique non linéaire pour effectuer une conversion de fréquence du signal infrarouge à détecter vers de plus basses longueurs d’ondes et ainsi bénéficier des performances des détecteurs fonctionnants à ces longueurs d’ondes. Les développements récents en cristaux donnent un intérêt nouveau à ces techniques pour certains cas applicatifs identifiés au cours de cette thèse. L’étude détaillée de la conversion multimode à la fois temporelle et spatiale, a permis de proposer une méthode simple et originale pour dépasser l’état de l’art en terme de nombre d’éléments résolus convertis. Pour quantifier précisément les avantages de ces conversions, une étude théorique et numérique de la conversion multimode a été menée et deux séries d’expériences ont été conduites. La première concerne la détection ponctuelle de signaux moyen-infrarouge pour des applications de spectroscopie par conversion dans un cristal d’OP-GaAs. La deuxième concerne la détection de cibles par imagerie active dans le proche infrarouge par conversion dans un cristal de PPLN vers une caméra CMOS. Les performances en sensibilité obtenues sont dans les deux expériences meilleures d’un ordre de grandeur que les détections directes avec les détecteurs habituellement utilisés.

There is a wide range of applications in active infrared detection technologies in defense and security. However, the limited range available by these systems limits their developments. Increasing sensors sensitivity is a key milestone to improve this range. Indeed, noise in infrared detectors is much higher than for visible detectors due to some physical and technological issues. The key idea of this manuscript is to use nonlinear optical technologies to convert the infrared signal to detect into the visible spectrum and use all the benefits of silicon based sensors. Recent advances in optical crystals and in pump laser regimes bring renewed interest to upconversion detection for some specific application cases identified in this thesis. A novel and easy method to improve the number of converted modes has been proposed after a careful study of multimode conversion both temporally and spatially. In order to give figures on detection improvement using upconversion, we conducted a theoretical and numerical study of the multimode conversion as well as two sets of experiments. The first one, using conversion in an OP-GaAs crystal and a monodetector addresses mid-infrared spectroscopy applications. The second one addresses active imaging applications for target recognition and identification in the near-infrared. By using a PPLN crystal, the near-infrared image is detected on a low noise CMOS camera. A key milestone of this work is the sensitivity improvement of such a detection. Sensitivities obtained in each experiment are one order of magnitude better than with direct detection using common infrared sensors.