Système polyvalent de comptage de photons uniques corrélés en temps et applications

Versatile time-correlated single photon counting system and applications

• Auteur / Autrice : Wassim Khaddour
• Direction : Morgan Madec, Wilfried Patrick Uhring
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, microélectronique, photonique
• Date : Soutenance le 21/09/2023
• 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 : Patricia Desgreys
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrew D. Griffiths, Foudil Dadouche, Norbert Dumas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Ginhac, Sylvain Feruglio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

Photons -- Corrélation

Photons uniques

Mots clés libres

Convertisseur temps-numérique

TDC

Comptage de photons uniques corrélé en temps

TCSPC

FPGA

Fluorescence

Durée de vie de la fluorescence

FLT

Tri de microgouttelettes

Time-to-digital converter

TDC

Time-correlated single photon counting

TCSPC

Field-programmable gate array

FPGA

Fluorescence

Fluorescence lifetime

FLT

Microfluidics

Microdroplet screening

Microdroplet sorting

Résumé

Dans cette thèse, nous présentons un système TCSPC polyvalent sur une plateforme SoC-FPGA à faible coût, capable de mesurer des signaux optiques avec haute sensibilité, résolution et précision. Nous proposons deux conceptions de TDC, un système efficace de transfert de données, et un programme C qui s’exécute sur un processeur embarqué. Nous introduisons également une nouvelle méthode de calibration et une méthode robuste pour la détection de microgouttelettes en microfluidique. Les performances du système ont été évaluées en résolution, précision, et stabilité. Le système a été utilisé dans quatre applications dans les domaines environnementale, biologique et astronomique : capteur de pollution de l’eau, capteur de turbidité, criblage et tri de microgouttelettes et caractérisation de la lumière parasite dans les optiques spatiales. Le système réalise des mesures TCSPC de haute performance et avec flexibilité pour diverses applications.

In this thesis, we present a versatile TCSPC system on a low-cost SoC-FPGA platform that can measure periodic optical signals with high sensitivity, resolution and precision. We propose two TDC designs, an efficient data transfer design, and a data processing C program that runs on an embedded processor. We also introduce a novel calibration method for asynchronous TDCs and a robust method for the detection of microfluidic droplets. The system performance was evaluated in terms of resolution, precision, accuracy and stability. The system was employed in four different applications in environmental, biological, and astronomical fields; water pollution sensor, turbidity measurement, microdroplet screening and sorting, and stray light characterization in spatial optics. The results showed that the system can achieve high-performance TCSPC measurements at low cost and high flexibility for various applications.