Filtres spectraux nanostructurés et application à l'imagerie multispectrale infrarouge

Transcription

1 et application à l'imagerie multispectrale infrarouge Plasmonique, des nouveaux concepts aux applications pratiques - 5 février - LAAS Toulouse Contributeurs: Nanostructures G. Vincent 1, C. Tardieu 1,2, S. Collin 2, T. Estruch 1, F. Pardo 2, J.-L. Pelouard 2, R. Haïdar 1 Système optique S. Rommeluère 1, J. Jaeck 1, C. Eradès 1, S. Lefebvre 1, F. Cauty 1, G. Druart

2 ONERA The French Aerospace Lab Laboratoire IR Laboratoire «Détecteurs infrarouges» de l ONERA : Expertise sur les détecteurs IR (caractérisations opto-électroniques) Participation à l orientation de nouvelles filières de détecteurs Conception de systèmes optiques (optiques conventionnelles, micro-optiques, nanotechnologies) Caméras aéroportées Caméras grand-champ Caméras multispectrales multispectral images of a lighter flame Banc de caractérisation de réponse angulaire de détecteurs 2/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015

3 Imagerie multispectrale IR Architecture «multicanaux» «Compact compound optics» Matrice de filtres Matrice de microlentilles 1,5mm 3/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015 Visible: R. Shogenji et al, Opt. Express 12 (2004) Infrared: G. Druart et al., SPIE 69920G (2008) Un filtre par microlentille

4 Imagerie multispectrale IR Apport des réseaux sub- Matrice de filtres pour l IR? Plusieurs Réseau matériaux, sub- : épaisseur constante, variable: mono-matériau fabrication difficile. 4/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015 thickness of one layer λ/4

5 Filtres spectraux Technologies Résonance de mode guidé «Dual metallic gratings» Résonances dipôlaires composants Résonances plasmoniques Imagerie multispectrale système 5/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015

6 Filtres spectraux Résonance de mode guidé Réseau métallique sur guide d onde diélectrique λ Couplage de l onde incidente avec le guide d onde measurements calculations Matériau: or sur nitrure de silicium (épaisseur 650nm) Géométrie du réseau: période: 2.11 µm largeur des fentes: 0.2 µm épaisseur: 0.1 µm 3µm Wavelength (µm) E. Sakat et al., Opt. Lett. 38, 425 (2013) E. Sakat et al., Opt. Exp. 20, (2012) E. Sakat et al., Opt. Lett. 36, 3054 (2011) 6/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015 Filtre passe-bande, polarisant ou non

7 Filtres spectraux Dual metallic gratings Réseaux métalliques dans un milieu diélectrique λ Interférences d ondes évanescentes entre les réseaux Matériaux: or et nitrure de silicium Géométrie du réseau: période: 1.93 µm largeur des fentes : 0.73 µm épaisseur d or: 0.23 µm spacer : 0.9 µm encapsulation: 0.67 µm T. Estruch et al., Opt. Lett. 36, 3160 (2011) C. Tardieu et al., Opt. Lett., à paraître (2015) 7/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015 Filtre à haute réjection

8 Transmission Filtres spectraux Réseaux à résonances dipôlaires Réseaux suspendus en diélectrique Polarisant Non-polarisant dielectric Materiau : nitrure de silicium Période : 3 µm Barreaux : 0.5 µm x 0.5 µm Facteur de remplissage 15% pourtant: 10µm P. Ghenuche et al., Phys. Rev. Lett. 109, , (2012) 10µm Transmission TE Longueur d onde (µm) Longueur d onde (µm) 8/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015

9 Filtres spectraux Réseaux à résonances dipôlaires Transmission through a dielectric free-standing grating. Longueur d onde Substrat opaque Réseau suspendu 1mm J. Jaeck, S. Rommeluère 9/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015

10 Transmission calculée (TM) Filtres spectraux Réseaux métalliques suspendus Réseaux métalliques «épais» Résonances dans les fentes Materiau : or Géométrie: Période λ Largeur des fentes λ/10 Epaisseur λ/4 Longueur d onde (µm) Filtre passe-bande polarisant Inspired by Porto et al., Phys. Rev. Lett. (1999) 10/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015

11 Filtres spectraux Matrice de onze filtres (2.5-5µm) G 11 G 1 G 2 5mm S. Collin et al., Phys. Rev. Lett. 104 (2010) R. Haïdar et al., Appl. Phys. Lett. 96 (2010) 11/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015

12 Filtres spectraux Matrice de onze filtres (2.5-5µm) Transmission - TM Mesures (TM) pic 225nm T max 70 w/d 14 12/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015 Longueur d onde (µm)

13 Intégration au système optique 13/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015

14 Spectro-imageur pour le MIR (2.5-5µm) Caméra multispectrale et cryostat 14/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015

15 Imagerie multispectrale IR Ex 1 : flamme de briquet Images multispectrales d une flamme de briquet, en temps réel Reconstruction : (pseudo-inverse Moore-Penrose) S. Collin et al., Phys. Rev. Lett. 104 (2010) R. Haïdar et al., App. Phys. Lett. 96 (2010) 15/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015

16 Imagerie multispectrale IR Ex 2 : discrimination d objets Montage Images multispectrales 16/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015

17 Imagerie multispectrale IR Ex 2 : discrimination d objets Images multispectrales Reconstruction des spectres : compressed-sensing 17/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015

18 Imagerie multispectrale IR Ex 3 : propergol en combustion Montage Images multispectrales 18/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015

19 Imagerie multispectrale IR Microbolomètres Architecture optique adaptable aux microbolomètres: 19/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015

20 Démonstration d un imageur multispectral compact, en temps réel, pour l infrarouge moyen, sur détecteur quantique ou thermique Matrice de filtres grâce aux réseaux sub- Filtres à réseaux: passe-bande, coupe-bande, polarisant ou non... 20/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015

21 La suite Utilisation de «cryostats machines» Développement d un algo d inversion Mise en application hors laboratoire Définition de nouveaux systèmes optiques? Nécessité de nouveaux types de filtres? Merci de votre attention! 21/21 Plasmonique LAAS 05/02/2015