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Détection et imagerie hybride dans le moyen et lointain infrarouge

Description

Lors des deux thèses précédentes (cofinancement CNES/TAS), nous avons pu promouvoir et développer une nouvelle technique hybride de détection et plus largement d'imagerie dans le cadre du projet ALOHA (Astronomical Light Optical Hybrid Analysis). Pour ce faire, nous avons utilisé nos savoir-faire à la fois en optique guidée,  en optique non-linéaire et en détection en régime de comptage de photons, appliqués à la synthèse d’ouverture pour l’astronomie. En transposant le spectre des sources astronomiques observées du moyen ou lointain infrarouge  (MIR et NIR) vers le visible et proche infrarouge, il est possible de proposer des instruments totalement innovants travaillant dans ces domaines spectraux en régime de comptage de photons et sans cryogénie.

Ce travail a été mené :

dans un premier temps, en bande astronomique H (autour de 1,5 µm) pour bénéficier des technologies et de tous les composants de télécoms optiques matures,

d’autre part en bande astronomique L (autour de  3,4 µm), ce qui a demandé un effort conséquent de développement technologique de convertisseurs de fréquences en Niobate de Lithium.

Pour les deux gammes de fréquences, la démarche a été similaire. Partant de tests en laboratoire jusqu’en régime de comptage de photons, nous souhaitons réaliser des tests sur le ciel grâce à des partenariats avec l’observatoire du Mount Wilson (CA/USA) ou encore avec celui du plateau de Calern (Obs. de Côte d'Azur).

Les résultats actuels sont les suivants :

* ALOHA @1.55 µm

  • Tests en laboratoire du fonctionnement en régime de comptage de photons d’un interféromètre à trois voies.

  • Étude d’un mode spectroscopique utilisant un système multi-pompe pour générer le processus non linéaire.

  • Tests de sensibilité sur le ciel pour la sensibilité et la première détection de franges d’interférence sur des sources (Hmag 3) avec l’instrument CHARA (Mont Wilson).

*ALOHA @3.4 µm

  • Travaux de développement de composants adaptés à cette gamme de longueurs d’onde.

  • Réalisation en laboratoire d’un interféromètre à deux voies avec les composants non linéaires de technologie de première génération (diffusion Titane Ti : PPLN) - Premières franges en régime de comptage de photons.

  • Tests en laboratoire avec un corps noir et  des cristaux de nouvelle technologie (PPLN Ridge) - Travaux expérimentaux en cours.

  • Premiers tests de sensibilité à l’Observatoire de Calern très encourageants sur des sources allant jusqu'à la magnitude Lmag 2,8.

Compte tenu des résultats très prometteurs obtenus lors des thèses de Pascaline Darré et Lucien Lehmann, nous souhaitons proposer un sujet de thèse ayant pour objectifs :

  • un approfondissement et une consolidation des acquis notamment par l’augmentation du TRL des  convertisseurs,

  • l’exploration de l’extension de ces techniques vers les plus grandes longueurs d’onde.

Les résultats obtenus dans la première partie de ce travail de thèse, permettraient de dresser une perspective d'élargissement du domaine d’application.

Objectifs de la thèse à venir :

Le premier volet concernera la bande L autour de 3,4 µm. Le travail de thèse aura pour objet un approfondissement et une consolidation des acquis notamment par l’augmentation du TRL des éléments de la chaîne de détection hybride. L’utilisation de composants optimisés devra permettre d’augmenter le rendement global de cette chaîne. Ce travail se fera en collaboration avec FEMTO ST (Mathieu Chauvet) et FEMTO Engineering (Florent Bassignot) pour les aspects cristaux (PPLN, technologie ridge). Le packaging sera amélioré afin d’assurer à la fois performances et fiabilité. Grâce aux améliorations apportées, il sera possible de poursuivre les tests de sensibilité sur ciel (C2PU/Calern/obs. Côte d'Azur, Jean-Pierre Rivet, Frantz Martinache) et d’avancer dans la définition et la réalisation d’un instrument fibré dédié à l'imagerie haute résolution et en vue de son implantation à CHARA, Mount Wilson (CA/US). Pour pérenniser cette collaboration, nous finalisons la signature d'un accord d’échanges avec Georgia State University (Douglas Gies).

Le deuxième aspect abordé concernera l’extension de ces techniques vers les plus grandes longueurs d’onde. La bande visée sera typiquement la bande N autour de 10 µm. Pour cela, nous pourrons nous appuyer sur la collaboration avec Thales Research&Technology (Arnaud Grisard). Des composants non-linéaires OP-GaAs sont maintenant disponibles commercialement, ce qui permettra la réalisation de premiers tests de conversion de fréquence de signaux de la bande N. La pompe utilisera des composants télécoms à λ = 1.5 µm et la détection se fera autour de 1,3 µm avec des photodiodes à avalanche InGaAs fonctionnant en régime de comptage de photons. Dans ce but, nous avons entamé une collaboration avec Politecnico de Milano (Alberto Tosi) et sa spin out Micro Photon Devices. Le doctorant aura pour tâche de pousser au plus loin les tests depuis le laboratoire jusqu’au ciel  (C2PU ou/et CHARA).  

Pour finaliser le travail de thèse et conformément aux attentes de Thales Alenia Space (TAS), nous souhaitons faire un bilan prospectif des applications envisageables dans le moyen infrarouge sans cryogénie. Vu la complexité technologie engendrée par la nécessité de refroidir les détecteurs classiques en moyen infrarouge, notre technique hybride de détection à température ambiante possède un très fort potentiel de simplification des missions spatiales. En fonction des résultats obtenus dans la première partie du travail de thèse, plusieurs pistes seront donc à étudier.

 Par exemple, cette approche hybride est envisageable pour la détection à distance de polluants ou produits toxiques. Étant les seuls à être capables de détecter en régime de comptage de photons dans le MIR, nous pourrons envisager soit d’augmenter la portée de la mesure, soit de diminuer considérablement le niveau de puissance requis pour la source. Nous prendrions ainsi le contre-pied des méthodes actuelles qui consistent à développer des sources en moyen infrarouge de plus en plus puissantes (QCL) plutôt que d’améliorer l’aspect détection.

Profil

Expérimentateur ayant des dispositions en optique, électronique, mécanique, interfaçage et traitement du signal.

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : XLIM
Directeur(rice) de thèse/recherche : REYNAUD François
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : francois.reynaud@unilim.fr
Responsable Cnes de l'offre : LE DUIGOU Jean-Michel

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019

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