La heliCam™ ne rend pas seulement visibles de faibles signaux optiques. Associée à des principes de mesure physiques adaptés, elle peut aussi fournir des informations sur des grandeurs qu’une caméra ne capte pas directement – par exemple des champs magnétiques ou des ondes millimétriques.
Trois nouvelles publications montrent ce potentiel sous deux perspectives très différentes. Un travail utilise une cellule à vapeur de rubidium et la heliCam™ comme caméra de champ magnétique haute résolution. Deux autres travaux étudient comment des ondes millimétriques peuvent être converties, à l’aide d’un plasma, en lumière proche infrarouge modulée, puis détectées avec la heliCam™.
Caméra de champ magnétique : plus de 7 000 points de mesure dans une seule cellule à vapeur
Dans l’article « Magnetic field camera for zero-field conditions », Ronja Rasser et ses collègues présentent un magnétomètre optiquement pompé basé sur une caméra, conçu pour fonctionner à proximité du champ magnétique nul.
L’élément capteur proprement dit est une cellule à vapeur de rubidium de seulement 300 µm d’épaisseur. Un faisceau laser traverse l’ensemble de la cellule. Le champ magnétique local influence l’état des atomes de rubidium et donc l’intensité de la lumière transmise. La heliCam™ C4 enregistre ces faibles variations d’intensité modulées en parallèle sur toute la surface et les démodule directement dans chaque pixel.
Avec un binning de 5 × 5 pixels caméra, le système réalise plus de 7 000 points de mesure exploitables dans une zone circulaire d’environ 4 mm de diamètre. La résolution spatiale obtenue est d’environ 40 µm. Dans la configuration actuelle, elle n’était pas limitée par le principe de mesure atomique, mais surtout par des interférences aux fenêtres non revêtues de la cellule à vapeur, qui ont rendu nécessaire un binning des pixels caméra.
Les chercheurs ont notamment enregistré la distribution spatiale d’un gradient de champ magnétique oscillant à 130 Hz. Le travail montre ainsi qu’avec une seule cellule à vapeur, il est possible non seulement de réaliser de nombreux canaux de mesure, mais aussi de capturer par imagerie des motifs de champ magnétique variables dans le temps.
Vers la publication dans Optics Express
Rendre visibles les ondes millimétriques : le plasma comme convertisseur optique
L’article « First Demonstration of Lock-In Camera-Enabled Optical Up-Conversion Imaging for Millimeter-Wave Detection Using Glow Discharge Plasma » suit un principe de mesure totalement différent.
Les ondes millimétriques peuvent traverser des matériaux opaques à l’optique et ne sont pas ionisantes. Toutefois, les détecteurs bidimensionnels sensibles sont souvent coûteux, lents ou techniquement complexes. Les auteurs utilisent donc une petite lampe à décharge luminescente – un « Glow Discharge Detector » – comme convertisseur.
Lorsque le rayonnement millimétrique modulé atteint le plasma dans la lampe, il modifie légèrement son émission dans le proche infrarouge. Cette faible modulation se superpose à une lueur plasma continue, beaucoup plus intense. C’est précisément là qu’intervient la détection Lock-in : la heliCam™ C4 reçoit le même signal de référence que celui utilisé pour moduler la source d’ondes millimétriques. Chaque pixel de la caméra extrait ainsi de manière ciblée la composante synchrone de l’émission optique et supprime la lumière de fond non corrélée.
Dans l’expérience, la source d’ondes millimétriques fonctionnait dans la plage de 100 à 105 GHz. Un seul Glow Discharge Detector a été déplacé mécaniquement sur une grille de 11 × 11 positions. À partir des valeurs mesurées, les chercheurs ont reconstruit l’image d’un objet métallique en forme de F d’environ 50 × 60 mm.
Le temps d’acquisition optique était d’environ 100 ms par position de scan, contre environ 90 secondes avec une méthode antérieure basée sur une caméra et la soustraction d’images. Cela correspond à une amélioration de près de trois ordres de grandeur. Dans le démonstrateur, l’acquisition complète a toutefois duré plus longtemps, car le détecteur unique devait être déplacé mécaniquement entre les points de la grille. La prochaine étape logique serait donc un réseau bidimensionnel de Glow Discharge Detectors, qui se passerait de tout balayage mécanique.
Vers la publication dans Electronics
Une décharge luminescente comme matrice de pixels naturelle ?
Le troisième article « Debye-length-resolved detection in glow discharge plasma: toward a self-contained focal plane array for millimeter-wave imaging » s’appuie sur la même combinaison d’ondes millimétriques, d’upconversion plasma et de heliCam™ C4, mais pose une question plus avancée : pour un réseau de détecteurs surfacique, faut-il réellement disposer de nombreuses lampes à décharge luminescente individuelles – ou le plasma à l’intérieur d’une seule lampe pourrait-il déjà fournir des zones de mesure spatialement séparées ?
Le point de départ est la longueur de Debye. Elle décrit l’échelle spatiale caractéristique sur laquelle les charges électriques sont écrantées dans un plasma. Les auteurs proposent de considérer des zones locales du plasma de cet ordre de grandeur comme des éléments capteurs distinguables les uns des autres. Une caméra sensible à la phase pourrait lire en parallèle l’émission proche infrarouge, spatialement distribuée et modulée par les ondes millimétriques, de ces zones.
Les premières mesures montrent des différences spatiales dans l’émission du plasma, compatibles avec des réactions localement différentes à l’excitation par ondes millimétriques. L’article est toutefois délibérément à comprendre comme un concept et une perspective : une détection avec une résolution démontrée à l’échelle de la longueur de Debye n’a pas encore été réalisée dans l’expérience présentée. Le paper décrit plutôt une voie possible vers un détecteur d’ondes millimétriques compact et économique, dans lequel une seule décharge plasma assume elle-même la fonction d’un Focal-Plane Array.
Vers la publication dans les SPIE Proceedings
Une tendance commune : la caméra devient une partie du capteur
Les trois travaux portent sur deux grandeurs physiques très différentes. Ils ont toutefois en commun un principe fondamental : le signal recherché est d’abord traduit en une faible variation de lumière, spatialement distribuée. La heliCam™ n’enregistre ensuite pas simplement une image, mais démodule la signature temporelle en parallèle à chaque point de l’image.
Dans la caméra de champ magnétique, la cellule à vapeur de rubidium joue le rôle de capteur. Dans la mesure des ondes millimétriques, c’est le plasma d’une lampe à décharge luminescente. Dans les deux cas, la détection Lock-in pixel par pixel permet de séparer de faibles signaux modulés d’un fond optique beaucoup plus intense.
Particulièrement intéressante est l’évolution au sein des deux travaux sur le plasma : la première publication démontre la chaîne de mesure complète jusqu’à l’image millimétrique reconstruite. La seconde se demande déjà comment le plasma lui-même pourrait évoluer vers un détecteur à résolution spatiale.
De tels travaux de recherche montrent comment la combinaison de nouveaux milieux capteurs et de la technologie d’imagerie Lock-in peut donner naissance à de nouveaux instruments de mesure. Nous nous réjouissons d’accompagner, avec la heliCam™, les prochaines étapes de ces groupes de recherche.
Vous trouverez ces travaux et d’autres encore sur notre page Publications sur la caméra Lock-in.
Heliotis AG