Domaine Physique | thématiques de recherche du département Optique et techniques associées (DOTA)

Adjoint scientifique de département
 

Thierry Fusco

DOTA
département Optique et techniques associées

 

 


Retour vers le sommaire du domaine Physique

 

Thématiques PHY au département DOTA - Optique et techniques associées



 

Optoélectronique : photodétection et nanophotonique [CNU 63] [CoCNRS 3, 4, 8]

DOTA Patrick Bouchon, Sophie Derelle

Domaines d’excellence

  • Photodétection Infrarouge : modélisation, FTM pixel, caractérisation pixel / matrices, bruits, cryogénie, physique des semi-conducteurs, hétérostructures quantiques
  • Détecteurs bas niveau de lumière
  • Technologies émergentes infrarouge : quantum dots, super-réseaux de type 2, super-réseaux gallium free, détecteurs nanostructurés, filtres nanostructurés
  • Térahertz et ondes millimétriques: spectroscopie térahertz, détection térahertz, imagerie térahertz, conversion THz-IR
  • Nanophotonique : métamatériaux, métasurfaces, plasmoniques, nano-antennes, matériaux 2D, masque de phase optique pour le contrôle de la phase et la polarisation, métamatériaux ENZ, semiconducteurs dopés, quantum dots
  • Modélisation électromagnétique : méthode modales, éléments finis, inverse design, optimisation
  • Interaction lumière-matière à l’échelle nano : effets non linéaires (SHG, DFG, effet Kerr, mélange à 4 ondes), SEIRA, SPR, ellipsométrie infrarouge, étude du champ proche.
  • Nanothermique : émission thermique, nanosources, détection thermique, conversion thermique, transferts thermiques dans les nanostructures

Exemples

Le Laboratoire AIQUIDO fédère l’ensemble des moyens nécessaires à la mise en œuvre électronique, cryogénique et mécanique d’un détecteur optique infrarouge, ainsi qu’à la caractérisation fine de ses performances électro-optiques pour produire une expertise sur les filières de détection. Le laboratoire capitalise sur plusieurs bancs de test utilisant des moyens classiques associés à des protocoles détaillés (spectromètres FTIR, corps noirs basse et haute températures, lasers et sources OPO accordables, analyseurs de spectres, mesures cryogéniques sous pointes), ainsi qu’à des moyens spécifiques développés pour des mesures dédiées.

Le rôle du laboratoire est double : (i) orienter les filières émergentes de la détection infrarouge, et expertiser des filières existantes françaises et étrangères. AIQUIDO estle laboratoire de référence de la DGA en la matière. Il a développé des collaborations très fructueuses avec des industriels français ou universitaires et des PME ; (ii) réaliser des travaux académiques visant à la compréhension de la physique de détection, notamment sur les filières de détection émergentes dans le cadre de travaux de thèse.
 

Les travaux du laboratoire AIQUIDO ont pour objet :

  • l'évaluation des performances opto-électroniques des filières de photodétection,
  • le développement de bancs métrologiques et de tests,
  • la mise au point de protocoles et méthodes originaux pour l’étude des performances ultimes.


 La plateforme nanomatériaux (ONDA) rassemble les moyens nécessaires à la conception et la caractérisation de composants nanostructurés pour des applications infrarouge. Ces moyens sont variés et vont de la caractérisation structurale (ellipsomètre infrarouge, Microscope électronique), la mesure des propriétés optiques (spectromètres FTIR, couplé à un microscope, sources laser et OPO accordables) et les propriétés opto-électroniques (cryostat sous pointes, mesures de réponses spectrale et angulaire). Les moyens sont à la fois constitués d’instruments du commerce ou de bancs innovants développés spécifiquement. Les outils de conception de nanostructures (code de simulation électromagnétique et d’optimisation)  y sont testés et validés expérimentalement. Les longueurs d’onde de travail vont de l’infrarouge proche jusqu’au Térahertz.

ONDA permet de proposer (i) de nouvelles solutions basées sur les nanotechnologies pour la maitrise des propriétés optiques des surfaces. Les nano-antennes et métamatériaux conçus par les chercheurs  sont caractérisés à ONDA afin de contrôler les propriétés d’absorption, d’émission infrarouge, de localisation du champ électromagnétique. Ces travaux s’appuient notamment sur des collaborations académiques (IOGS/LCF, CNRS/C2N, École polytechnique) mais également industrielles (Thales TRT, ULIS) (ii) de nouvelles fonctions pour la photodétection. Les travaux  menés à ONDA répondent ainsi aux grands enjeux industriels : fournir des fonctions spectrales ou polarisantes, monter la température de fonctionnement d’un détecteurs, améliorer la sensibilité ou la sélectivité de capteurs de gaz ou de molécules explosives. Ces travaux s’appuient également sur un tissu de collaborations académiques (CNRS/C2N, Université de Montpellier/IES, CEA) et industrielles (Sofradir, ULIS).

ONDA permet à l’ONERA de renforcer son positionnement pour être un pont entre les besoins applicatifs, civils ou pour la  Défense, et le milieu académique.



L'instrument NASCAA, unique dans l'UE, permet d’avoir accès à un panel de caractérisations extrêmement larges sur des échantillons constitués de nanostructures, de nanomatériaux (et matériaux 2D), de composants optiques, et ceci avec une résolution spatiale de la dizaine de nanomètres (bien en dessous de la limite de diffraction) :

  • Caractérisation de la topographie des échantillons.
  • Mesure du spectre de réflexion/absorption des échantillons.
  • Caractérisations électro-optiques : photocourant résolu spectralement et spatialement.
  • Mesure du champ électromagnétique complet : amplitude et phase.
  • Pour des longueurs d’onde allant du visible au térahertz.
  • Pour des températures allant de 8 K à 300 K. 

Cet équipement issu des développements récents de la Société NeaSpec a été obtenu grâce à un financement OPII.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 




Le banc MIRCOS est un banc cryogénique polyvalent, unique en France. Il a pour objectif d'offrir une capacité de mise au point de techniques de mesures électro-optiques innovantes lors de travaux de recherche réalisés en collaboration avec d'autres centres de recherche (CEA-LETI, IRFU, IES, etc) et des industriels. Ce moyen permet de caractériser le détecteur seul (réponse spectrale, FTM, etc), des composants optiques ou un instrument complet (détecteur+optique) dans un environnement complètement maîtrisé ce qui est fondamental dans le domaine infrarouge (MWIR=bande 3-5µm et LWIR=bande 8-12µm) où le fond thermique peut être très pénalisant.

L’intérêt du banc MIRCOS s’étend bien au-delà de la seule mesure de la réponse spatiale ou FTM pour les futurs détecteurs à petits pixels car il permettrait, sous réserve de l’intégration des nouveaux équipements mentionnés ci-dessous :

  • d’améliorer nos méthodes de mesure du rendement quantique (et de la réponse spectrale) en particulier dans le domaine LWIR, pour les détecteurs de type QCD ou T2SL en phase de maturation technologique (ANR, thèses de C. Gureghian et A. Ramiandrasoa en collaboration avec l’IES)
  • de réaliser des travaux d’étalonnage et d’expertise sur des instruments multi-voies en cryostat de laboratoire (comme les caméras SIM-ONE ou Simagaz dans le LWIR ou FILAMENT dans le MWIR) et le futur spectromètre LWIR Microspoc (discussions en cours avec Lynred dans le cadre du PRI OSMOSIS et PR CAMUS)

MIRCOS a vu le jour en 2017 grâce à un financement ASTRE du Conseil Général de l’Essonne (budget total 291k€, part ONERA 33%) obtenu fin 2015.


 

Environnement et signatures pour les senseurs optroniques [CNU 30] [CoCNRS 4, 5]

DOTA Sidonie Lefebvre, Laurence Croizé

Socle de compétences scientifiques et techniques

  • Modélisation du transfert radiatif et du transfert thermique
  • Modélisation du clutter de fond (terre, nuages, mer, atmosphère)
  • Étude du rayonnement nightglow
  • Acquisition et exploitation de données expérimentales pour la validation des modèles - capitalisation dans des bases de données de référence
  • Étude expérimentale et modélisation fine des signatures optiques de cibles – mise au point de modèles comportementaux
  • Évaluation statistique des signatures, étude des climatologies et de leur impact sur les dispersions  de signatures
  • Méthodologies de validation de générateurs de scène et d’évaluation des performances des systèmes d’imagerie couleur numériques avec un observateur humain en bout de chaîne.

Finalités scientifiques et techniques principales

  • Fourniture de grandeurs radiatives expérimentales et simulées issues de la scène observée pour l’évaluation des performances des senseurs optroniques
  • Référent environnement optronique pour les programmes DGA

 

Exemples
 

 

 

 

 

 
 

 
 



 



>>>> Étude du rayonnement nightglow

 

 

 

 

 
 

 

 
 



 

 

>>>> Le code de transfert radiatif MATISSE

 

 

 

 
 




 

 

 

 

 




Modélisation de la signature optique et infrarouge des aéronefs et des satellites

Le département DOTA développe les outils CRIRA et SIRIUS destinés à modéliser la signature optique et infrarouge des aéronefs et des satellites. On entend par signature l’ensemble des informations permettant de caractériser le rayonnement de l’objet : l’intensité, les images en luminance, les spectres et la polarisation. L’objectif est de disposer de simulations représentatives de ces objets en vue d’apporter des réponses aux besoins de dimensionnement ou d’évaluation de capteurs optroniques qui les observent.  Les dernières évolutions de ces outils concernent les aéronefs furtifs, les avions hypersoniques émergents, ainsi que la veille satellitaire.



 

Lasers fibrés, lidars et imageurs 3D [CNU 30, 63] [CoCNRS 4]

DOTA Anne Durécu, Nicolas Rivière

Socle de compétences scientifiques et techniques

  • Interaction Laser-matière : matériaux et atmosphère, milieux diffusants, toutes conditions météorologiques
  • Caractérisation énergétique, temporelle, spectrale et spatiale de faisceaux laser (ex : M², RIN, bruit de phase …)
  • Modélisation des phénomènes physiques dans les fibres optiques passives et dopées
  • Techniques de photodétection et traitement du signal associé : détection hétérodyne, comptage de photons, capteurs matriciels
  • Co-conception modulation Laser/Architecture Lidar/Traitement du signal (ex : Lidar FMCW, Lidar à peigne de fréquence, LiDAR à plans focaux 3D)
  • Traitement du signal Lidar : onde complète, compressive sensing, déconvolution
  • Electronique et programmation temps réel et embarqué pour le pilotage, le contrôle et le traitement du signal (ex : GPU, FPGA)
  • Intégration d’instruments laser et démonstration hors laboratoire : instruments autonomes, sur porteurs mobiles terrestres, aériens (avions et drones) et spatial, en environnement sous-marin …

Finalités scientifiques et techniques principales

  • Instruments de télédétection Laser : Télémètre et Imageur 3D, LiDAR 3D, Lidar télé-vélocimètre, Lidar atmosphérique (vitesse de vent, concentration de gaz, caractérisation d’aérosols, température), vibromètre Laser
  • Arme Laser et vulnérabilité Laser
  • Sources et architecture de systèmes laser : laser fibré, architecture hybride, combinaison cohérente et incohérente de lasers

Exemples

Laser BOFIX et Lidar LIVE Pour l’étude de la dynamique des masses d’air, un lidar de mesure de vent a été conçu en intégrant une source laser développée spécifiquement. L’intégration de ce lidar sur un avion d’essai a permis la démonstration de la mesure du vecteur vent depuis une altitude de 5 km jusqu’au sol.


Lidar LIVE aéroporté. A gauche : laser impulsionnel haute énergie de 500 µJ,
au centre : Lidar Live installé dans l’ATR42, à droite : exemple de reconstitution du vecteur vent mesuré en fonction de l’altitude

 



Le développement du lidar VEGA, dédié à la mesure d’un flux de méthane à distance, s’est appuyé sur les résultats de deux thèses (P. Benoit pour la source laser et S. Le Méhauté pour le lidar) et sur les compétences multidisciplinaires de l’équipe Source laser et systèmes lidar (co-conception laser/Lidar, intégration d’instruments, traitement du signal). Lors de plusieurs campagnes d’essais, ce lidar fibré DIAL/Doppler a montré ses performances, ainsi que la robustesse et la fiabilité d’une architecture entièrement fibrée.

Lidar VEGA de mesure à distance de méthane. A gauche : profil spatial mesuré de la concentration de méthane, à droite : le démonstrateur.
 



 

Le logiciel MATLIS développé par l’ONERA permet de simuler les performances d’un imageur laser en tenant compte des phénomènes physiques mis en jeu : caractéristiques de la source laser, propagation du faisceau laser dans l’atmosphère quelles que soient les conditions météorologiques, prise en compte de l’interaction laser-matière, de la dynamique de la scène (mouvement des objets et aérosols dynamiques) et intégration des modèles « capteur ». Le logiciel MATLIS est utilisé en amont de tout nouveau développement de systèmes LiDAR 3D.

 

 

 

 



















 


 

Télédétection active et passive [CNU 63] [CoCNRS 4]

DOTA Xavier Briottet, Pierre-Yves Foucher

Finalités scientifiques et applications

  • Détecter et quantifier les variables bio-physico-chimiques associées de façon directe ou indirecte à une activité anthropique par télédétection multimodale à différentes échelles spatiale, spectrale et temporelle
  • Caractérisation de l’activité anthropique pour les besoins de la Défense, de la sécurité et de l’environnement

Socle de compétences

  • Télédétection dans le domaine optique (0,4-12,0 µm)
    • active / passive
    • haute résolution spatiale (qqes cm à décamétrique)
    • tout type de plateforme (terrain, drone, avion, satellite)
    • complémentarité optique  / micro-onde
  • Points clés
    • approche multi-échelle
    • validation
    • conditions atmosphériques dégradées
    • réduction des a priori

Exemples

Quantification de gaz temps réel pour l'imagerie spectrale infrarouge.  Concept : Traitement spectral / spatial pour estimer la transmission spectrale d’un gaz cible et remonter aux concentrations/masses/débits. Collaborations / Transferts : TELOPS, TOTAL, Noxant, Bertin. Instruments pour la validation : Hyper Cam (Telops) , HyTES (JPL), SIMAGAZ (FUI-IMAGAZ), Hyspex (NEO)

<< HYPERSPECTRAL SOL Validations pour CH4 : Instrument TELOPS (2 à 8cm-1 de résolution spectrale)

 

 

 

 

<< HYPERSPECTRAL AÉROPORTÉ Validations pour CH4 : Instrument TELOPS (4 cm-1 de résolution spectrale)

 


 

<<  MULTISPECTRAL SOL/DRONE Validations pour CH4 : Instrument SIMAGAZ (4 bandes spectrales)

 

 
 

 

 

 

 



 

Quantification des hydrocarbures par effets indirects sur la végétationDétection de la végétation stressée en lien avec la présence d’hydrocarbures dans le sol (imagerie hyperspectrale aéroportée - HS, multispectrale satellitaire)  

 

 

 

 

 

 



 

Carte de délinéation de couronnes d’arbre [Erudel 2018]

 

 

 

 

 

 



 

 

Détection et caractérisation d’une source de particules fines sur un site industriel (ANR TEMMAS)

 

 

 

 

 



 

Maîtrise de la surface d'onde, optique adaptative [CNU 30] [CoCNRS 4, 5]

DOTA Thierry Fusco, Jean-Marc Conan

Socle de compétences scientifiques et techniques

  • Mesure et imagerie de phase et amplitude
  • Optique active et adaptative
  •  Interférométrie optique et imagerie multi-pupille
  • Automatique et lois de contrôle temps réel
  • Caractérisation (modélisation et mesure) des effets optiques turbulence atmosphérique
  • Co-phasage et mise en forme de faisceaux (cohérents et incohérents)
  • Propagation à travers la turbulence et imagerie à travers les milieux complexes
  • Traitement du signal et des images & intelligence artificielle
  • Co-conception pour les instruments à haute résolution angulaire

Finalités scientifiques et techniques principales

  • Imagerie à haute résolution et à haut contraste pour la surveillance de l'espace (Astronomie et SSA)
  • Imagerie biomédicale
  • Télécommunications optique en espace libre
  • Métrologie optique
  • Contributions à l'arme laser, l'imagerie endo-atmosphérique, l'imagerie à haute résolution de la tTerre depuis l'espace, l'imagerie à travers les milieux turbides et fortement diffusant  

Exemples

Observation de l'espace à haute résolution L’ONERA est au premier rang mondial pour le développement de système d’OA (et les traitements associés) permettant d’observer le ciel à haute résolution angulaire. Les activités menées depuis plus de 30 ans dans le domaine sont de nature duale avec la mise en oeuvre de moyens opérationnels pour la défense et des premières mondiales pour l’astronomie :

  • 1989 : première démonstration mondiale de l’OA appliquée à l’astronomie
  • 1996-2001 : premier système pour un télescope astronomique Européen de la classe 8 m (participation aux résultats ayant menés au prix Nobel de Physique 2020)
  • 2006-2014 : système d’OA extrême pour la détection de planètes extrasolaires
  • 2015-2027+: Réalisation des premiers systèmes d’OA de l’ELT (Télescope géant Européen de 39 m de diamètre)

 



Telecom Optique à très haute performance En capitalisant sur son expertise unique en OA et sur sa capacité à comprendre et modéliser finement les perturbations du canal de propagation, l’ONERA a depuis le début des années 2010 développé des systèmes de démonstration pour des communications longue distance à très haut débit en espace libre. Avec ses partenaires institutionnels (ESA, CNES et OCA), l’ONERA a été à l’origine d’une première européenne (2015 à l’OCA) et d’une première mondiale (2019 à Tenerife) qui ont ouvert la voie au transfert de la technologie aux PME et grands groupes industriels et son utilisation pour de multiples applications civiles (accès universel au haut débit) ou militaires (communications sécurisée, transfert de clé quantique etc.).

 



Concepts innovants pour l'imagerie biomédicale et la chirurgie ophtalmique laser L’ONERA et ses collaborateurs du groupe PARIS (https://www.pariseyeimaging.com/) est au premier rang mondial pour le développement de systèmes innovants d’imagerie et de thérapie optique de l’oeil humain. Les recherches combinent l'optique adaptative avec différents types de modulations spatiales d'illumination et de nouvelles stratégies d’imagerie. Elles ouvrent ainsi la voie à de nouveaux protocoles de diagnostiques et de potentielles découvertes médicales.

Ces réalisations trouvent un débouché supplémentaire naturel dans leur application à d’autres milieux complexes dynamiques (eau turbide, brouillard) pour des applications duales.





















 

 


 

Capteurs optiques et imageurs hyperspectraux [CNU 30] [CoCNRS 4]

DOTA Guillaume Druart, Yann Ferrec

Socle de compétences scientifiques et techniques

  • Étude de composants optiques ou de concepts optiques atypiques
  • Approche frugale pour la miniaturisation et la simplification de caméras
  • Interféromètres statiques pour la spectrométrie et la spectro-imagerie à transformée de Fourier
  • Imageurs infrarouges multispectraux
  • Modèle de performances d’instruments
  • Développement de bancs de caractérisations pour la recette d’instruments
  • Traitement physique des images acquises d’une scène, traitement radiométrique et spectral des images
  • Imagerie de phase
  • Développement de nouvelles stratégies de conception de systèmes optiques
  • Intégration d’instruments d’imagerie et démonstration hors laboratoire
  • Asservissement de la ligne de visée pour l’imagerie aéroportée et suivie de cibles

+ de détails

Exemples

SIMAGAZ, première caméra cryogénique multispectrale et compacte pour la détection de gaz, s’appuie sur des optiques cryogéniques et un traitement des images spécifique de très grande performance. Si le besoin applicatif a été exprimé par TotalEnergies au cours d'un partenariat recherche-industrie, un démonstrateur pré-industriel a pu être réalisé grâce à un Fonds unique interministériel  – FUI Imagaz –, ce qui a permis de démontrer des performances exceptionnelles en termes de visualisation quantitative et d'évolution temporelle d’un panache de méthane. + de détails


Variation temporelle de la concentration intégrée de méthane observée depuis un drone. Échelle entre 0 et 5000 ppm.m du bleu au rouge.
Le débit estimé de la fuite est de l’ordre de 1g/s

 



 

Première image obtenue dans l’infrarouge avec une optique “freeform. L'objectif, qui utilise une architecture à miroirs dite freeform, a été conçue dans le cadre d’une thèse. Ces optiques ne possèdent ni axe ni centre de symétrie (principe appliqué pour les verres progressifs) et permettent ainsi un plus grand nombre de degrés de liberté lors de la conception optique. Les bénéfices recherchés de cette liberté sont l’amélioration de l’ouverture, des performances et de la compacité des systèmes d’imagerie.

+ de détails

 

 

 



 

L'instrument hyperspectral SIELETERS est un imageur hyperspectral aéroporté hautes performances qui permet d’obtenir 205 images spectrales d’une même scène dans l’infrarouge (de 3.0 µm à 5.4 µm et de 8.1 µm à 11.8 µm). Sa résolution spectrale est comprise entre 13 nm et 90 nm. Il est basé sur la technologie des spectro-imageurs statiques à transformée de Fourier. + de détails

 



Première campagne aéroportée pour NanoCarb, un spectro-imageur miniature pour la mesure de gaz à effet de serre Nanocarb, développé par l’Université Grenoble-Alpes et l’ONERA, est très compact et peut être intégré dans un mini-satellite, ouvrant ainsi la voie à une constellation de satellites dédiée à la cartographie des gaz à effet de serre (CO2 et CH4) avec une revisite meilleure que journalière et un pas au sol de l’ordre du kilomètre (projet H2020 Scarbo Space CARBon Observatory: https://scarbo-h2020.eu/). + de détails

 

 

 

 

 


 

 

 


*CNU : relatif aux sections disciplinaires du Conseil national des universités (voir liste au CNU)
*CoNRS : relatif aux sections disciplinaires du Conseil national de la recherche scientifique, en vigueur au CNRS (voir CoNRS/sections)