Publication majeure : Instrumentation scientifique avancée – Métrologie optique ultra-rapide

L’ensemble des travaux à la suite a été réalisé notamment dans le cadre d’un projet long inter-laboratoire du LabEx EMC3 :

  • QUANTIPHY : « Quantification et imagerie Physico-chimique avancée : application à l’Hydrogène dans les matériaux » (AAP 2022 – 373k €)

Ces travaux sont représentés par les deux publications suivantes :

 [1] T. Godin, L. Sader, A. Kashi, P.-H. Hanzard, A. Hideur, D.J. Moss, R. Morandotti, G. Genty, J.M. Dudley, A. Pasquazi, M. Kues, and B. Wetzel, « Recent Advances on Time-Stretch Dispersive Fourier Transform and its Applications », Adv. Physics X 7, 2067487 (2022). https://doi.org/10.1080/23746149.2022.2067487

[2] M. Touil, S. Idlahcen, R. Becheker, D. Lebrun, C. Rozé, A. Hideur, and T. Godin, »Acousto-optically driven lensless single-shot ultrafast optical imaging », Light Sci. Appl. 11, 66 (2022). https://doi.org/10.1038/s41377-022-00759-y

De nombreux phénomènes physiques, chimiques ou biologiques se déroulent sur des échelles de temps dites « ultra-courtes », de la nanoseconde à la centaine de femtosecondes, et sur des échelles spatiales relevant du domaine de la microscopie, rendant leur capture inaccessible aux technologies classiques telles que les caméras rapides, intrinsèquement limitées par le temps de réponse relativement « long » des composants électroniques. Afin de contourner ce verrou, la communauté scientifique utilise depuis plusieurs dizaines d’année des méthodes optiques dites « pompe-sonde », où l’on utilise une impulsion lumineuse ultra-courte (domaine picoseconde ou femtoseconde) pour déclencher le phénomène d’intérêt et une autre pour le capturer, l’idée étant ensuite de reproduire l’expérience avec différents délais entre la « pompe » et la « sonde » afin de reconstruire l’évènement. Ces techniques permettent d’excellentes résolutions temporelles et ont fait leurs preuves dans de nombreux domaines, de l’imagerie de cellules cancéreuses à la microscopie des nanomatériaux. Elles font toutefois face à une limitation majeure : leur incapacité à capturer des évènements qui sont non-reproductibles, c’est-à-dire qui ne se répètent pas à l’identique d’un tir laser au suivant.

Ainsi, afin de pouvoir capturer de tels phénomènes, la dernière dizaine d’année a vu l’émergence de techniques de captures d’évènements uniques avec d’excellentes résolutions temporelles. D’un côté, des techniques tel que l’étirage temporel dispersif [1], permettent l’enregistrement de grandes quantités de données avec des cadences supérieures à quelques dizaines de millions de captures par secondes. De telles résolutions sont cependant insuffisantes dans certains cas, par exemple pour imager des phénomènes induits lors de l’interaction d’impulsions lumineuses ultra-courtes avec la matière. Une nouvelle gamme de technique a alors focalisé l’attention de la communauté scientifique : l’imagerie ultra-rapide dite « single-shot ». Les remarquables progrès réalisés récemment dans ce domaine, notamment à travers le contrôle et la mise en forme d’impulsions lumineuses ultra-brèves et le développement de techniques de capture originales, basées ou non sur l’utilisation de méthodes numériques, a permis le suivi d’événements courts ou imprévisibles avec une précision sans précédent. A titre d’exemple, les meilleures techniques – c’est-à-dire les caméras les plus rapides au monde – permettent aujourd’hui la capture en une séquence d’une centaine d’images à des cadences dépassant le tera-frame-per second (1012 images par seconde), ce qui correspond à une durée de l’ordre de la picoseconde entre chaque cliché. De telles performances ont ainsi permis la capture du phénomène le plus rapide qui soit : la propagation de la lumière elle-même ! Toutefois, ces méthodes sont dans la grande majorité des cas relativement complexe à mettre en œuvre, nécessitent une reconstruction des images a posteriori et sont réservée à des environnements de laboratoire.

Une équipe du laboratoire CORIA s’est ainsi dédiée au développement d’une technique single-shot combinant des performances à l’état de l’art avec une certaine flexibilité d’utilisation la rendant utilisable dans des environnements « réels » [2].

L’idée derrière cette technique d’imagerie est d’utiliser des impulsions ultra-courtes dites à dérive de fréquence, c’est-à-dire pour lesquelles les différentes fréquences (=couleurs) arrivent sur l’objet à des instants légèrement différents. Le contrôle temporel de ses fréquences est ensuite effectué en faisant interagir astucieusement les impulsions lumineuses avec une onde acoustique dans un cristal ad-hoc, piloté par un simple courant électrique, comme représenté sur la figure ci-dessus. Il ne reste ensuite qu’à utiliser des composants optiques standards pour séparer dans l’espace les différentes fréquences, chacune correspondant à un cliché de l’objet à un instant différent, et les enregistrer avec une caméra « traditionnelle ». Au-delà de la simplicité de son concept, cette technique à l’avantage d’être complètement adaptable à de nombreuses applications, les paramètres de l’acquisition (cadence, temps d’exposition) étant pilotables en temps réel avec un simple signal électrique. L’équipe de chercheurs du CORIA a ainsi pu capturer de phénomènes rapides sur différentes échelles temporelles : de la propagation de la lumière elle-même dans un liquide (échelle picoseconde) aux dynamiques de l’interaction lumière-matière lors de création d’un plasma (échelle nanoseconde).

Contact : Thomas Godin –

Laboratoire CORIA « Complexe de Recherche Interprofessionnel en Aérothermochimie »

Avenue de l’université, 76 801, Saint-Etienne-du-Rouvray

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