Apport de l'optique non linéaire à l'imagerie infrarouge pour la détection de cibles à longue distance - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2018

Upconversion detection for long range active imaging in the infrared

Apport de l'optique non linéaire à l'imagerie infrarouge pour la détection de cibles à longue distance

Résumé

There is a wide range of applications in active infrared detection technologies in defense and security. For instance, active imaging in the near infrared for target detection and identification or remote spectroscopy in the mid-infrared are some of them. However, the limited range available by these systems limits their developments. Increasing sensors sensitivity is a key milestone to improve this range. Indeed, noise in infrared detectors is much higher than for visible detectors due to some physical and technological issues. The key idea of this manuscript is to use nonlinear optical technologies to convert the infrared signal to detect into the visible spectrum and use all the benefits of silicon based sensors. Recent advances in optical crystals and in pump laser regimes bring renewed interest to upconversion detection for some specific application cases identified in this thesis. A novel and easy method to improve the number of converted modes has been proposed after a careful study of multimode conversion both temporally and spatially. In order to give figures on detection improvement using upconversion, we conducted a theoretical and numerical study of the multimode conversion as well as two sets of experiments. The first one, using conversion in an orientation patterned GaAs crystal and a monodetector addresses mid-infrared spectroscopy applications. The second one addresses active imaging applications for target recognition and identification in the near-infrared. By using a PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate) crystal, the near-infrared image is detected on a low noise CMOS camera. A key milestone of this work is the sensitivity improvement of such a detection. Sensitivities obtained in each experiment are one order of magnitude better than with direct detection using common infrared sensors.
Les applications de détection infrarouge active sont très nombreuses en particulier dans le domaine de la défense et la sécurité. On peut citer par exemple l’imagerie active proche infrarouge pour la détection et l’identification de cibles ou la spectroscopie à distance dans l’infrarouge moyen. Cependant ces systèmes sont actuellement peu utilisés en pratique à cause de leur portée limitée. Un moyen d’augmenter cette portée est d’améliorer la sensibilité des détecteurs. En effet, les détecteurs infrarouges souffrent de limitations physiques et technologiques et possèdent des bruits bien plus élevés que leurs équivalents dans le visible dont les performances approchent la détection de photon unique. L’idée principale de cette thèse est d’utiliser les outils expérimentaux de l’optique non linéaire pour effectuer une conversion de fréquence du signal infrarouge à détecter vers de plus basses longueurs d’ondes et ainsi bénéficier des performances des détecteurs fonctionnants à ces longueurs d’ondes. Les développements récents en cristaux et en lasers de pompe donnent un intérêt nouveau à ces techniques pour certains cas applicatifs particuliers, identifiés au cours de cette thèse. En particulier, l’étude détaillée de la conversion multimode à la fois temporelle et spatiale, a permis de proposer une méthode simple et originale pour dépasser l’état de l’art en terme de nombre d’éléments résolus convertis. Pour quantifier précisément les avantages de ces conversions, une étude théorique et numérique de la conversion multimode a été menée et deux séries d’expériences ont été conduites. La première concerne la détection ponctuelle de signaux moyen-infrarouge pour des applications de spectroscopie par conversion dans un cristal de GaAs à orientation périodique. La deuxième concerne la détection de cibles par imagerie active dans le proche infrarouge par conversion dans un cristal de PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate) vers une caméra CMOS. Les performances en sensibilité obtenues sont dans les deux expériences meilleures d’un ordre de grandeur que les détections directes avec les détecteurs habituellement utilisés pour ces longueurs d’ondes.
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Identifiants

  • HAL Id : tel-01976357 , version 1

Citer

Romain Demur. Apport de l'optique non linéaire à l'imagerie infrarouge pour la détection de cibles à longue distance. Optique [physics.optics]. Sorbonne Université, 2018. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01976357v1⟩
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