Conception et réalisation d'une caméra à balayage de fente à résolution temporelle picoseconde et à haut taux de répétition

Design and implementation of a picosecond time-resolved streak camera and high repetition rate

• Auteur / Autrice : Vincent Wlotzko
• Direction : Wilfried Patrick Uhring
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, photonique
• Date : Soutenance le 03/03/2016
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Serio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Summ, Gwenolé Jacopin, Yann Leroy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bruno Serio, Enrico Rubiola

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impulsions picosecondes

Traitement du signal

Analyse temporelle

Capteurs d'images CMOS

Caméras à balayage de fente

Mots clés libres

Imagerie ultra-rapide

Caméra à balayage de fente

Jitter subpicoseconde

Bruits des lasers femtosecondes

Tubes à vide

Ultrafast Imaging

Streak Camera

Femtosecond Lasers Noise

Vacuum Tubes

Subpicosecond Jitter

Résumé

Les caméras à balayage de fente sont les instruments de détection directe de la lumière les plus précis en termes de résolution temporelle. Ces instruments sont capables de capturer des évènements de l’ordre de la picoseconde à un taux de répétition d’une centaine de mégahertz. Cependant, les performances de la caméra sont limitées par de nombreux phénomènes propres au fonctionnement de cette dernière mais aussi au système l’implémentant. Plusieurs effets dégradant la résolution temporelle sont étudiés. Le premier axe exploré concerne la synchronisation de la caméra avec l’évènement lumineux capturé. Cette investigation débouche sur le développement d’un discriminateur à fraction constante permettant de déclencher la caméra avec un jitter inférieur à 200 fs RMS. Une autre étude présente l’impact qu’ont le bruit d’amplitude et le bruit de phase des lasers usuellement utilisés avec la caméra sur sa synchronisation. Enfin une analyse des phénomènes intrinsèques à la photocathode de la caméra permet d’évaluer la variation du temps de transit des électrons dans celle-ci.

Streak cameras are the direct light detection instruments that are the best in terms of temporal resolution. Those instruments can capture picosecond light events at a hundred megahertz repetition rate. However their characteristics are limited by various phenomena specific to the camera and the implementing system. Several effects that affect the temporal resolution are studied. The first examined line deals with the synchronization of the camera with the studied light event. This inquiry led to the design of a constant fraction discriminator allowing a sub 200 fs RMS jitter triggering. Another study shows the impact of the usually used laser amplitude noise and phase noise on the system’s synchronization. Finally, an analysis of the camera’s photocathode intrinsic phenomena allows estimating the transit time variation of the electrons within the vacuum tube.