Estimation de paramètre expérimentale dans les images incohérentes par décomposition en modes spatiaux

Experimental parameter estimation in incoherent images via spatial-mode demultiplexing

• Auteur / Autrice : Clémentine Rouvière
• Direction : Nicolas Treps, Mattia Walschaers
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/02/2024
• 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 : Catherine Schwob
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Brasselet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniele Faccio, Konrad Banaszek

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique quantique

Mesures optiques

Photons

Estimation, Théorie de l'

Microscopie à super-résolution

Images optiques

Mots clés libres

Décomposition en modes spatiaux

Estimation de paramètre

Estimation de séparation

Super-résolution

Métrologie quantique

Spatial mode demultiplexing

Parameter estimation

Separation estimation

Superresolution

Quantum metrology

Résumé

La résolution des systèmes d'imagerie optique a été historiquement limitée par la diffraction et la limite de Rayleigh a longtemps été considérée comme insurmontable. Des techniques de super-résolution ont été développées pour aller au-delà de cette limite, mais elles sont adaptées spécifiquement à chaque contexte et atteindre une résolution sub-Rayleigh demeure très difficile. En examinant les problèmes d'imagerie à travers le prisme de la théorie d'estimation de paramètre, il est possible de comprendre les contraintes intrinsèques aux approches traditionnelles de super-résolution et de déterminer une méthode optimale, basée sur la détection d'intensité dans la base de modes d'Hermite-Gauss. Dans cette thèse, nous avons mis en place cette approche fournie par la métrologie quantique pour estimer la séparation entre deux sources incohérentes et nous avons atteint une sensibilité cinq ordres de grandeur au-delà du critère de Rayleigh. Avec notre dispositif expérimental, basé sur un démultiplexeur en modes spatiaux, nous avons étudié des scènes avec des sources à haut et bas flux de photons. En portant une attention particulière à l'exactitude et à la sensibilité des mesures, nous démontrons que le démultiplexage en modes spatiaux est particulièrement adapté pour effectuer des estimations de séparations sub-Rayleigh. Ce travail ouvre la voie à l'amélioration de la sensibilité des mesures dans des scènes optiques plus complexes se rapprochant de réelles situations d'imagerie.

Historically, the resolution of optical imaging systems was dictated by diffraction, and the Rayleigh criterion was long considered an unsurpassable limit. In superresolution microscopy, this limit is overcome by manipulating the emission properties of the object. However, in passive imaging, when sources are uncontrolled, reaching sub-Rayleigh resolution remains a challenge. Here, we implement a quantum-metrology-inspired approach for estimating the separation between two incoherent sources, achieving a sensitivity five orders of magnitude beyond the Rayleigh limit. Using a spatial mode demultiplexer, we examine scenes with bright and faint sources, through intensity measurements in the Hermite-Gauss basis. Analysing sensitivity and accuracy over an extensive range of separations, we demonstrate the remarkable effectiveness of demultiplexing for sub-Rayleigh separation estimation. These results effectively render the Rayleigh limit obsolete for passive imaging.