Une étude de preuve de concept démontre l’imagerie fantôme temporelle computationnelle dans l’infrarouge moyen

L’imagerie fantôme dans le domaine temporel permet de reconstruire des objets temporels rapides à l’aide d’un photodétecteur lent. La technique consiste à corréler des modèles d’intensité temporelle de sondage aléatoires ou préprogrammés avec le signal intégré mesuré après modulation par l’objet temporel. Cependant, la mise en œuvre de l’imagerie fantôme temporelle nécessite des détecteurs ou modulateurs ultra-rapides pour mesurer ou préprogrammer les modèles d’intensité de sondage, qui ne sont pas disponibles dans toutes les régions spectrales, en particulier dans la région de l’infrarouge moyen.

Dans un nouvel article publié dans Lumière : science et applicationune équipe de scientifiques dirigée par le professeur Houkun Liang de l’université du Sichuan, en Chine, et le professeur Goëry Genty de l’université de Tampere, en Finlande, et leurs collègues ont développé un système d’imagerie fantôme temporelle (TGI) à conversion descendante de fréquence qui permet d’étendre le régime de fonctionnement à des régions de longueurs d’onde arbitraires où les modulateurs et détecteurs rapides ne sont pas disponibles. L’approche module un signal avec des modèles d’intensité temporelle dans le proche infrarouge et transfère les modèles à un idler via la génération de différence de fréquence dans un cristal non linéaire à une longueur d’onde où l’objet temporel peut être récupéré.

En guise de preuve de concept, les scientifiques ont démontré une imagerie fantôme temporelle computationnelle dans l’infrarouge moyen avec une longueur d’onde de fonctionnement réglable de 3,2 à 4,3 μm. Le schéma est flexible et peut être étendu à d’autres régimes. Les résultats ouvrent de nouvelles possibilités pour l’imagerie pompe-sonde sans balayage et l’étude de la dynamique ultrarapide dans les régions spectrales où la modulation ou la détection ultrarapide est difficile, comme les régions de l’infrarouge moyen et du THz.

Ces scientifiques résument le principe de fonctionnement de l’imagerie fantôme temporelle dans l’infrarouge moyen en disant : « L’absence d’instrumentation appropriée, comme des modulateurs électro-optiques ultrarapides dans l’infrarouge moyen pour la préprogrammation des motifs temporels dans les sources de lumière dans l’infrarouge moyen, a été un goulot d’étranglement dans la mise en œuvre directe de l’imagerie TGI computationnelle dans l’infrarouge moyen. Dans le nouveau schéma proposé, au lieu de préprogrammer directement les motifs temporels dans les longueurs d’onde de l’infrarouge moyen, nous modulons les motifs temporels préprogrammés dans les longueurs d’onde du proche infrarouge à l’aide d’un modulateur de télécommunications conventionnel et, par la suite, ces motifs modulés sont transférés vers un idler dans l’infrarouge moyen via la génération de différence de fréquence à l’aide d’une source de lumière de pompage proche infrarouge à onde continue temporellement stable.

« La grande disponibilité des lasers accordables dans le proche infrarouge permet un fonctionnement flexible et polyvalent du schéma TGI à conversion descendante, permettant d’étendre le TGI aux régimes de longueur d’onde où il y a un manque de détecteurs et de modulateurs rapides. En utilisant cette approche, nous avons démontré expérimentalement le TGI computationnel dans la gamme de longueurs d’onde de 3,2 à 4,3 μm. En outre, des modèles temporels orthogonaux peuvent être utilisés dans le TGI à conversion descendante computationnelle pour réduire le nombre de mesures de sondage distinctes.

« La technique présentée peut offrir de nouvelles possibilités pour l’étude de la dynamique ultrarapide dans la région spectrale de l’infrarouge moyen et des communications optiques à grande vitesse en espace libre dans les fenêtres de transmission atmosphérique, même en présence de turbulences atmosphériques. Nous soulignons que le concept d’imagerie fantôme à conversion descendante de fréquence est générique et qu’il peut également être appliqué dans les domaines spatial et spectral, ce qui pourrait ouvrir une nouvelle voie pour l’imagerie et la spectroscopie à pixel unique dans les régions de l’infrarouge moyen et du THz. »