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07.02.2013 - Optique infrarouge

Encore une première mondiale à l’Onera : le tri des photons

Après la plus petite caméra infrarouge cryogénique du monde fin 2011, les ingénieurs de recherche de l’Onera dévoilent une nouvelle première mondiale : le tri de photons selon leur longueur d’onde, à une échelle micrométrique.

Ce système révolutionne les compromis habituels entre sensibilité et polychromie inhérents au filtrage standard, puisque cette technique de tri permet de récupérer et d’utiliser tous les photons incidents, alors que le filtrage « perd » des photons. En pratique, le tri est assuré par des nano-antennes situées sur une même surface, ce qui permet d’envisager la miniaturisation des pixels à l’échelle de la longueur d’onde. Les performances en matière de sensibilité et de résolution sont inégalables.

Principe du filtrage spectral : les filtres ne laissent passer qu’une seule couleur (ou longueur d’onde. Avec 2 couleurs, 50% du rayonnement est perdu.
Principe du filtrage spectral : les filtres ne laissent passer qu’une seule couleur (ou longueur d’onde. Avec 2 couleurs, 50% du rayonnement est perdu.

Principe du tri spectral : les nano-antennes ont un effet d’entonnoir (funneling) sur les flux de photons et captent 100% du rayonnement correspondant à leur longueur d’onde, qu’elles transmettent au pixel correspondant : sensibilité deux fois plus importante qu’avec le tri (pour deux couleurs).
Principe du tri spectral : les nano-antennes ont un effet d’entonnoir (funneling) sur les flux de photons et captent 100% du rayonnement correspondant à leur longueur d’onde, qu’elles transmettent au pixel correspondant : sensibilité deux fois plus importante qu’avec le tri (pour deux couleurs).

Les premiers démonstrateurs de ce principe sont nés dans le laboratoire Onda de l’Onera (opto-électronique des nanomatériaux et dispositifs associés), de travaux communs au Dota (département Optique théorique et appliquée de l’ONERA) et au CNRS / LPN (Laboratoire de Photonique et de Nanostructures). Les recherches se sont appuyées sur des financements de l’ANR et de ONERA : le Carnot Antares et le projet Intrepid. Les thèses de Charlie Koechlin et de Patrick Bouchon ont grandement contribué à ces résultats.

Il est prévu de poursuivre ces travaux par la réalisation d’un démonstrateur technologique, une caméra à vision discriminante informant sur la « couleur infrarouge », donc sur la nature des matériaux ou des gaz observés. Une telle caméra pourra intéresser la défense ou la surveillance de l’environnement (détection de polluants par exemple).

Rendez-vous avec un prototype d'ici 2014 !

  
A gauche, vue de pixels carrés formés chacun de quatre nano-antennes carrées,
A droite, vues de côté, les nano-antennes dimensionnées pour sélectionner les longueurs d'onde infrarouge de 7.58, 8.17, 8.9 et 9.47 µm.