Développement d'un détecteur hybride par somme de fréquence en moyen infrarouge en mode spectrométrique et application dans le domaine du spatial

Development of a hybrid detector based on sum frequency generation in the mid-infrared domain in spectrometric mode and application in the space field

• Auteur / Autrice : Abhishek Rai
• Direction : Ludovic Grossard, Francois Reynaud
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences et ingénierie pour l'information
• Date : Inscription en doctorat le 24/11/2023
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : XLIM PHOT - Photonique fibre et sources cohérentes

Mots clés

Mots clés libres

Génération de somme de fréquences

Spectroscopie dans l'infrarouge moyen

Mode spectrométrique

Sum Frequency Generation

Mid-infrared spectroscopy

Spectrometric mode

Résumé

La proposition de sujet de thèse porte sur l'étude de la transposition dans le domaine du spatial des techniques de détection de rayonnements infrarouges autour de 3.5μm par somme de fréquence que nous avons développées, utilisées actuellement au sol dans un contexte d'imagerie haute résolution par synthèse d'ouverture. Dans un premier volet, il s'agit de caractériser les performances d'un module de conversion de fréquence en mode spectrométrique en termes de résolution spectrale, plage d'analyse, et de sensibilité. Le rayonnement autour de 3.5 μm est converti vers 810 nm en utilisant un laser de pompe de longueur d'onde accordable autour de 1064 nm ou multiraies. Cette transposition de fréquence permet de « sortir » le signal d'intérêt du fond thermique important dans le domaine de l'infrarouge thermique afin d'utiliser une chaîne de mesure ne nécessitant plus de système de cryogénie lourd et complexe. Seront en particulier étudiées les problématiques de déconvolution du spectre mesuré par la fonction de transfert du cristal qui réalise la somme de fréquence. Le travail de thèse aura également pour objet un approfondissement et une consolidation des acquis notamment par l'augmentation du TRL. L'utilisation de composants optimisés devra permettre d'augmenter le rendement et de minimiser les pertes de Fresnel aux interfaces. Ce travail se fera en collaboration avec FEMTO ST (Mathieu Chauvet) et FEMTO Engineering (Florent Bassignot). Le packaging sera amélioré afin d'assurer à la fois performances et fiabilité. Le second volet du sujet de thèse concerne l'étude de l'intégration d'un interféromètre à somme de fréquences dans un cubesat (collaboration avec le CSU de Centrale Supelec et Nicecube) afin de valider la compatibilité de la technique de conversion de fréquences avec les contraintes fortes du domaine du spatial. Un premier prototype de charge utile contenant un interféromètre fibré sans conversion de fréquence dans un premier temps est à l'étude actuellement. Le travail du doctorant consistera à concevoir, développer et caractériser un prototype d'interféromètre fibré intégrant l'étage de conversion de fréquence.

The thesis proposal concerns the study of the transposition in the space field of techniques for detecting infrared radiation around 3.5μm by sum frequency generation we are developing, currently used on the ground in a context of high resolution imaging by aperture synthesis. The first part concerns the characterization of the performances of a frequency conversion module in spectrometric mode in terms of spectral resolution, range of analysis, and sensitivity. The radiation around 3.5 μm is converted to 810 nm using a tunable wavelength pump laser around 1064 nm, or multi-line laser source. This frequency transposition makes it possible to extract the signal of interest from the important thermal background in the thermal infrared domain in order to use a measurement chain that no longer requires a heavy and complex cryogenic system. In particular, the problems of deconvolution of the spectrum measured by the transfer function of the crystal which performs the Sum Frequency Generation will be studied. The thesis work will also aim to deepen and consolidate the achievements, in particular by increasing the TRL. The use of optimized components should make it possible to increase efficiency and minimize Fresnel losses at the interfaces. This work will be done in collaboration with FEMTO ST (Mathieu Chauvet) and FEMTO Engineering (Florent Bassignot). The packaging will be improved to ensure both performance and reliability. The second part of the thesis subject deals with the study of the integration of a Sum Frequency Generation interferometer in a cubesat (collaboration with the Centre Spatial Universitaire of Centrale Supelec and Nicecube) in order to validate the compatibility of the frequency conversion technique with the strong constraints of the space sector. A first payload prototype containing a fibered interferometer without frequency conversion at first is currently under study. The work of the doctoral student will consist in designing, developing and characterizing a prototype fibered interferometer integrating the frequency conversion stage.