Somme de fréquence sélective en mode pour l'imagerie infrarouge

Mode selective sum frequency for infrared imaging

• Auteur / Autrice : Maxime Mertens
• Direction : Nicolas Treps
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/05/2024
• 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 : Gilles Tessier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patricia Segonds, Antoine Godard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télédétection

Optique non linéaire

Imagerie infrarouge

Mots clés libres

Imagerie Infrarouge

Optique non-Linéaire

Somme de fréquence

Estimation de paramètres

Démultiplexage spatial

Infrared imaging

Non-Linear optics

Sum frequency

Parameter estimation

Spatial mode demultiplexing

Résumé

Ce travail s'inscrit dans la continuité de recherches menées précédemment à Thales et au Laboratoire Kastler Brossel. L'idée principale est d'améliorer la sensibilité de détection en convertissant par somme de fréquences les images infrarouges en images visibles, pour lesquelles les détecteurs sont plus performants. Deux axes de recherches sont approfondis dans ce manuscrit. Le premier concerne l'étude d'un imageur à somme de fréquences propice à la conversion d'un grand nombre de modes spatiaux, le but étant d'obtenir en sortie du système des images fidèles et détaillées d'un objet cible, par exemple utiles pour des applications d'imagerie active pour la défense. Le deuxième axe concerne l'estimation de la séparation entre deux points sources incohérents en utilisant la somme de fréquences. Il a été récemment montré que la mesure en intensité des coefficients de projection sur une base de modes spatiaux bien choisie permet d'obtenir des précisions optimales, bien meilleures en comparaison à l'imagerie directe. Ce défi est courant en astronomie, par exemple quand il s'agit d'imager des systèmes d'étoiles binaires. Pour répondre à ces deux objectifs, l'étude de l'impact du profil transverse du laser de pompe est exploitée. Un modèle numérique permet de concevoir, de caractériser et d'optimiser les architectures de ces systèmes, notamment grâce au calcul du nombre de Schmidt. Cela a permis de mettre en place deux séries d'expériences. L'une exploite les effets de l'utilisation d'un faisceau de pompe flat-top pour l'imagerie multimode, cohérente et incohérente. L'autre s'appuie sur un faisceau de pompe mis en forme sur la base de Hermite-Gauss pour la projection du champ incident sur la même base spatiale. Le principe de cette dernière expérience est repris ensuite pour estimer expérimentalement la séparation de deux points sources incohérents 30 fois en dessous du critère de Rayleigh.

The following work builds upon previous research conducted at Thales and Laboratoire Kastler Brossel. The primary idea is to enhance detection sensitivity through sum frequency generation (SFG), by converting infrared images into the visible where detectors are more efficient. Two research routes are explored in this manuscript. The first one involves the development of a SFG imager suited to convert a large number of spatial modes, aiming to obtain faithful and detailed images of a target object, for example useful for active imaging applications in defense. The second path deals with the estimation of separation between two incoherent point sources using sum frequency. It has recently been shown that intensity measurement of projection coefficients onto a well-chosen spatial mode basis yields optimal precision, significantly surpassing direct imaging. This challenge is frequent in astronomy when imaging binary star systems. To address these two objectives, the study of the spatial degree of freedom of the pump laser is valorized. A numerical model enables to design, characterize, and optimize the architectures of these systems, notably through the calculation of the Schmidt number. This has led to the implementation of two series of experiments. One exploits the effect of using a flat-top pump beam for multimode, coherent and incoherent imaging. The other relies on a pump beam shaped on the Hermite-Gaussian mode basis to project the incident field onto the same spatial basis. The principle of the latter experiment is subsequently used to experimentally estimate the separation of two incoherent point sources 30 times below the Rayleigh criterion.