Conversion Optique par Somme de fréquence Multimode pour Imagerie inCohérente – COSMIC

De nombreuses applications de détection mettent à profit les propriétés optiques des fenêtres de transmission atmosphérique autour de 1,6 µm et 2,3 µm. Grâce aux progrès des sources laser, une large gamme de techniques d’illumination est désormais disponible pour sonder de façon active une zone d’intérêt parfois très éloignée de l’observateur (applications de télémétrie ou d’identification par imagerie à grande distance) ou écrantée par la traversée de milieux absorbants ou diffusants (applications à la biologie et à la spectroscopie à distance). Toutefois, l’analyse des signaux optiques reçus en retour souffre de façon générale de la sensibilité de la voie de réception infrarouge.

À la suite de résultats préliminaires prometteurs obtenus très récemment par ses deux partenaires, Thales Research & Technology (TRT) et le Laboratoire Kastler Brossel (LKB), le projet COSMIC revisite l’idée de convertir des signaux infrarouges multimodes vers de plus basses longueurs d’onde, par somme de fréquence avec des photons provenant d’une source de pompage annexe. Ces signaux pourront ainsi être détectés avec tous les avantages, techniques et économiques, des capteurs en technologie silicium.

L’enjeu de COSMIC recouvre ainsi deux aspects. Du point de vue des outils de modélisation (ceux de la métrologie quantique optique appliqués au cas spécifique de l’imagerie en présence de bruit classique), il apparaît capital d’évaluer en confiance l’apport des approches multimodes dans les systèmes de détection par somme de fréquence, que ce soit pour la simulation d’imageurs actifs (efficacité de conversion, influence des choix de conception des lasers de pompage) ou l’étude de limites fondamentales (estimation de paramètres par décomposition modale avec applications à la séparation de sources incohérentes spatialement proches et à la détection à bas niveau de lumière ou au travers de milieux diffusants). Expérimentalement, les partenaires entendent également exploiter et sécuriser leur avance par rapport aux équipes européennes concurrentes. Il s’agira en particulier de suivre deux voies complémentaires. Dans la première partie du projet, le LKB mettra en place une expérience de décomposition modale sans conversion de longueur d’onde et TRT assemblera un dispositif d’imagerie active autour de 2 µm avec somme de fréquence multimode vers une caméra CMOS, adapté à des scènes à courte distance en extérieur, résolues ou non. Le point clé qui guidera sa conception, décisif pour la viabilité économique de futurs systèmes, est la possibilité d’utiliser le même laser fibré impulsionnel pour l’illumination et le pompage de l’étage de conversion de fréquence. Dans la seconde partie du projet, ces dispositifs seront associés pour cerner l’apport croisé des approches de séparation modale et du degré de liberté offert par la conversion multimode pour le traitement des signaux infrarouges d’intérêt pour COSMIC. En lien avec nos travaux de modélisation, nous pourrons alors réaliser des campagnes de mesures unifiant décomposition modale et somme de fréquence, pour aboutir à une évaluation du potentiel de l’utilisation concertée des différentes options technologiques mises en œuvre dans le projet.

Ces développements théoriques et expérimentaux seront évalués avec un souci constant de valorisation pour plusieurs applications de détection, pour des futurs besoins civils ou militaires. Les partenaires ont d’ores et déjà identifié un réseau de contacts académiques et industriels susceptibles de fournir au projet des spécifications crédibles de cas pratiques afin de sélectionner efficacement les voies de maturation du concept COSMIC.