DETECTEUR DE SIGNAUX OPTIQUES ULTRA-RAPIDES

La présente invention concerne un détecteur de signaux optiques ultra-rapides et/ou de faible intensité. On entend par signaux optiques ultra-rapides, des signaux ayant une durée inférieure à 10 nanosecondes.

Avec le développement des besoins en communication à haut débit, les compagnies de matériels pour les télécommunications optiques ont introduit un nouveau standard de communications à 40 GHz. Dans cette application, les signaux consistent en des impulsions lumineuses produites à une cadence de 40 GHz.

Afin de permettre un retour à zéro entre deux bits, il faut utiliser des impulsions de quelques picosecondes (1 - 5 picosecondes typiquement).

On connaît des systèmes électroniques (photodétecteurs suivis d'un échantillonneur électronique) qui permet de détecter des signaux optiques rapides. Ces systèmes sont limités par la vitesse ultime des circuits électroniques. La limite actuelle se situe autour de 20-30 picosecondes. La vitesse de déplacement des électrons dans le photodétecteur impose une dimension très faible pour le détecteur ce qui limite fortement sa sensibilité. Les photomultiplicateurs ont une excellente sensibilité mais leur résolution temporelle est limitée à 30 picosecondes. Il faut leur associer un détecteur électronique dont la bande passante est supérieure à 30 GHz. Les systèmes simples ont une résolution temporelle de l'ordre de 1 nanoseconde. Les caméras à balayage de fente présentent des résolutions inférieures à 1 picoseconde mais au prix d'une sensibilité très limitée et d'une dynamique très réduite. Leur coût est supérieur à 100 K€.

Les systèmes de corrélation optiques impliquent l'utilisation d'un laser femtoseconde à l'intérieur du détecteur. La complexité est très grande et le coût prohibitif.

Une première idée consiste à intégrer des fonctions de détection et d'échantillonnage dans le même tube. Le coût de l'ensemble est donc potentiellement inférieur à celui de n'importe quelle chaîne de détection rapide utilisant un convertisseur photon-électron (photodiode, photomultiplicateur...) suivi d'un système électronique ultra-rapide.

Nous connaissons un tel dispositif appelé dissecteur de l'article « Commissioning of Bunch Length Monitor at AMPS » (J. Coppens et al., Proc .EPAC 96, Stiges, pp. 1704). Ce dissecteur conventionnel représenté sur la figure 1 est destiné à l'analyse de radiations synchrotrons mais également de tout type de radiation lumineuse dans la mesure où la photocathode est sensible. Cela peut concerner des longueurs d'ondes allant de l'ultraviolet à l'infrarouge.

Dans ce détecteur, une photocathode 1 convertit les photons d'un signal lumineux rapide en électrons pour les focaliser avant qu'ils ne traversent une zone de déflection 3. Ces électrons traversent ensuite une zone d'échantillonnage 12 comprenant à son entrée une feuille de métal 9 (ici de l'aluminium). Cette feuille de métal 9 vise à ralentir les électrons et à réduire leur énergie jusqu'à une énergie acceptable par la première dynode 8 d'un multiplicateur d'électron 7. La feuille de métal 9 est placée devant la première dynode 8. La zone d'échantillonnage 12 comprend à sa sortie une anode collectrice 10.

L'épaisseur de la feuille d'aluminium 9 est telle qu'un électron secondaire est transmis pour un électron de plusieurs keV incident sur la feuille 9. Cet électron secondaire est alors de faible énergie. La différence de potentiel entre la première dynode 8 et la feuille de métal est de 500V environ. En pratique, la photocathode 1 est à environ -1OkV et la feuille de métal 9 à -3kV. L'énergie des électrons est donc de 7keV. L'énergie des électrons secondaires émis par la feuille de métal 9 est quasi nulle. La différence de potentiel entre la première dynode 8 et la feuille de métal 9 amène ces électrons secondaires à une énergie de 50OeV. Dès lors, nous

sommes dans les conditions usuelles de fonctionnement d'un multiplicateur d'électrons.

La réalisation d'une feuille d'aluminium 9 ayant les propriétés de transmission 1 pour 1 est difficile. L'épaisseur n'est que de quelques micromètres. De plus, la statistique d'émission secondaire doit être de bonne qualité pour ne pas créer d'instabilité dans le gain du photomultiplicateur. Enfin, la forme et position de la première dynode 8 du multiplicateur d'électrons doivent être calculées afin de garantir une bonne efficacité de collection qui elle aussi entre dans le calcul du gain du multiplicateur. Le rapport signal à bruit d'un photomultiplicateur dépend essentiellement de l'efficacité de collection et d'émission secondaire de la première dynode 8. Le design du couple feuille de métal 9/première dynode 8 est donc primordiale dans ce type de réalisation.

L'invention se propose de simplifier la configuration en collectant les photoélectrons directement sur la première dynode 8 avec une énergie optimale. Ainsi, l'efficacité d'émission secondaire est optimale et donc le rapport signal à bruit en sortie du multiplicateur d'électrons est meilleur. Le détecteur présente également une plus grande sensibilité à la déflection.

L'objet de la présente invention est donc de proposer un détecteur de signaux optiques ultra-rapides qui regroupe les avantages de résolution temporelle d'une caméra à balayage de fente et de sensibilité d'un photomultiplicateur, à un faible coût.

A cet effet, l'invention concerne un détecteur de signaux optiques ultra-rapides et/ou de faible intensité comprenant : - une photocathode convertissant les photons de signaux optiques ultra-rapides entrant en électrons,

- une zone de focalisation comportant des électrodes de focalisation focalisant les électrons,

- une zone de déflection comportant un champ électrique transverse produit par des électrodes de déflection déviant lesdits électrons de l'axe perpendiculaire à la photocathode,

- un moyen de ralentissement des électrons,

- une zone d'échantillonnage comportant une fente d'échantillonnage et un multiplicateur d'électrons ayant une première dynode et une anode collectrice d'électron. Selon l'invention, le moyen de ralentissement des électrons consiste en une zone de décélération des électrons allongée.

Dans différents modes de réalisation possibles, la présente invention concerne également les caractéristiques suivantes qui pourront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles et apportent chacune des avantages spécifiques :

- la zone de décélération des électrons se situe entre la zone de déflection et la zone d'échantillonnage,

- la différence de potentiel de la zone de décélération des électrons correspond à la tension appliquée au multiplicateur d'électrons, - le potentiel de la fente d'échantillonnage est identique à celui de la première dynode,

- l'entrée et la sortie de la zone de déflection sont au même potentiel,

- le potentiel de la photocathode est supérieur à celui de la première dynode, - la longueur des différentes zones et le potentiel des électrodes de focalisation sont déterminés de façon à obtenir une image électronique des électrons la plus petite sur le plan de la fente d'échantillonnage,

- le multiplicateur d'électrons est une chaîne de dynodes,

- l'anode collectrice est reliée à la masse. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- La figure 1 est une représentation d'un détecteur conventionnel appelé « dissecteur » selon l'art antérieur ;

- La figure 2 est une représentation schématique d'un détecteur de signaux optiques ultra-rapides selon l'invention ;

- La figure 3 est une représentation schématique d'un détecteur de signaux optiques selon l'invention, comprenant une chaîne de dynodes ;

La figure 2 représente un exemple de détecteur de signaux optiques ultra-rapides selon l'invention comprenant une photocathode 1 qui convertit les photons du signal optique entrant en électron. La photocathode 1 est sensible à des longueurs d'ondes allant de l'ultraviolet à l'infrarouge.

A proximité de la photocathode 1 , un champ électrostatique de plusieurs kV/mm permet l'extraction des électrons dans le vide selon l'axe 4 du tube. Ces électrons sont alors focalisés dans une zone de focalisation 13 par des électrodes de focalisation 2 dont le nombre est variable.

Les électrons entrent ensuite dans une zone de déflection 3 où un champ électromagnétique transverse dévie les électrons de l'axe 4 perpendiculaire à la photocathode 1. Le détecteur de signaux optiques ultra-rapides comporte également une zone d'échantillonnage 12 comprenant une fente d'échantillonnage 6 et un multiplicateur d'électron 7. Le multiplicateur d'électron 7 comprend une première dynode 8 et une anode collectrice 10.

Le champ électrique appliqué entre les plaques de déflection 5 est variable et seuls les électrons traversant les plaques 5, lorsque le champ est nul, peuvent traverser la fente d'échantillonnage 6 placée entre la zone de déflection 3 et le multiplicateur d'électron 7. C'est ce qui permet l'échantillonnage temporel.

Le multiplicateur d'électron peut être une chaîne de dynodes 14 comme représenté sur la figure 3. Il peut être tout autre type de multiplicateur d'électron. Dans le cas d'événements photoniques à probabilité faible. La chaîne de dynodes 14 peut être remplacée par une galette de microcanaux ou bien un channeltron.

Les électrons qui traversent la fente d'échantillonnage 6 ont une énergie de plusieurs KeV. Ils sont trop énergétiques pour pouvoir arracher avec une bonne efficacité les électrons de la première dynode 8 d'un

multiplicateur d'électron 7 standard. En effet, le maximum d'efficacité d'émission d'électrons secondaires dans les matériaux usuels est atteint pour des électrons ayant une énergie d'environ 50OeV.

Le rendement de conversion et le pouvoir de collection de la première dynode 8 d'un multiplicateur d'électrons 7 sont ce qui détermine majoritairement le rapport signal à bruit d'un multiplicateur d'électrons. D'où l'importance de soigner l'interface entre le multiplicateur d'électrons 7 et la fente d'échantillonnage 6.

Selon l'invention, le moyen de ralentissement des électrons consiste uniquement en une zone de décélération des électrons 11 qui est allongée, sans feuille de métal. On entend par « zone allongée », une zone qui est plus allongée que dans les détecteurs de l'art antérieur qui comporte une feuille de métal. La zone de décélération des électrons 11 allongée vise à réduire l'énergie des électrons avantageusement jusqu'à environ 50OeV lorsqu'ils arrivent sur la première dynode 8 d'un multiplicateur d'électrons 7. Cette zone de décélération des électrons 11 se situe entre la zone de déflection 3 et la zone d'échantillonnage 12. Elle participe également à la focalisation des électrons. Plus précisément, elle se situe entre la fente d'échantillonnage 6 et la sortie de la zone de déflection 16. La longueur Li de la zone de décélération des électrons 11 peut être comprise entre 60 et 120 mm sans se limiter.

La longueur du détecteur selon l'invention est par conséquent plus grande que celle des détecteurs classiques. La distance entre la fente d'échantillonnage 6 et la sortie de la zone de déflection 16 L ₀ , des détecteurs de l'art antérieur, est inférieure à Li .

La zone de décélération des électrons 11 présente une différence de potentielle réduisant l'énergie des électrons qui passe de 4 KeV à 50OeV. Cette zone de décélération des électrons 11 constitue une zone tampon entre la partie déterminant la résolution temporelle et la partie assurant la sensibilité.

Le potentiel des électrodes de focalisation 2 et les longueurs des différentes zones 13, 3, 11 sont ajustés afin que l'image électronique des électrons issue de la photocathode 1 soit la plus petite possible sur le plan de la fente d'échantillonnage 6. Pour des raisons de coût, un maximum d'électrode est relié à la masse afin de réduire le nombre d'alimentations. On peut envisager plusieurs moyens de réalisation selon que l'on privilégie la performance ou le coût.

Pour des raisons de simplicité de construction et de design, l'entrée 15 et la sortie 16 de la zone de déflection 3 sont au même potentiel, à la masse par exemple.

Lorsque le multiplicateur d'électron est une chaîne de dynodes 14 (figure 3), l'anode collectrice 10 est placée au bout du multiplicateur d'électron 7 et est reliée à la masse de façon à polariser la première dynode 8 en négatif.

Dans la pratique, la première dynode 8 est à -3,5KV. Pour des raisons de simplicité, le potentiel de la fente d'échantillonnage 6 est égal à celui de la première dynode 8. Il est tout à fait possible de polariser la chaîne de dynodes 14 en positif pour certaines applications. La différence de potentiel de la zone de décélération des électrons

11 correspond donc à la tension appliquée au multiplicateur d'électrons 7, typiquement entre 2 et 3.5kV sans se limiter.

Pour que les photoélectrons soient focalisés sur la première dynode

8 avec une énergie de 50OeV, il faut donc que le potentiel de la photocathode 1 soit compris entre 2.5 et 4kV. Autrement dit, le potentiel de la photocathode 1 doit être supérieure à celui de la première dynode 8 d'au moins 100V jusqu'à 1.5kV, 500V étant optimal.

Par exemple, si le maximum d'efficacité d'émission secondaire de la première dynode 8 se situe pour une énergie d'électron primaire de 50OeV, la différence de potentiel entre la photocathode 1 et la première dynode 8 est de 500V, ce qui fixe le potentiel de la photocathode 1 à -4KV.

La différence de potentiel entre la photocathode 1 et cette zone de déflection 3 est importante puisqu'elle détermine la vitesse de passage des électrons et donc la sensibilité de déflection. Elle est comprise entre 2.5 et 4kV. L'invention se distingue également de l'art antérieur par le fait que le gain d'un multiplicateur d'électrons selon un dispositif de l'art antérieur est indépendant de l'optique électronique de focalisation tandis que celui selon l'invention est fixé par le potentiel de la première dynode 8 qui entre dans le calcul de l'optique électronique pour la focalisation des électrons sur la fente d'échantillonnage 6.

Dans d'autres modes de réalisation, on peut imaginer permuter la zone de déflection 3 et la zone de focalisation 13. On peut également concevoir une focalisation magnétique au lieu d'une focalisation électronique. II est aussi possible de se passer de la feuille de métal, selon la figure 1 de l'art antérieur, en modifiant le matériau constituant la première dynode 8 par du GaP : Ce (Phosphure de Gallium dopé Césium). Le GaP : Ce matériau possède en effet un maximum d'efficacité d'émission d'électron secondaire pour des électrons de plusieurs keV. Ce mode de réalisation permet en plus de réduire le nombre de dynodes et d'optimiser le rapport signal à bruit. Cependant, le coût de production de ce matériau prohibe la réalisation en série d'un tel produit. Le GaP est rarement utilisé sous ces hautes énergies, les chances de réussite sont donc incertaines.

De nombreux domaines sont susceptibles d'utiliser le détecteur de signaux optiques ultra-rapides selon l'invention, comme par exemple la tomographie optique pour le cancer du sein. Ce système de tomographie est basé sur des impulsions laser très brèves. Ils utilisent actuellement comme détecteurs une caméra à balayage de fente dont la sensibilité est de plusieurs ordres de grandeur inférieure à celle du détecteur et le coût est très important.

En télémétrie ultra-précise, la capacité de mesure du détecteur de signaux optiques ultra-rapides selon l'invention étant absolue avec des résolutions de l'ordre de la picoseconde, il permettrait d'envisager des télémètres dont la résolution spatiale est de l'ordre de quelques dizaines de micromètres tout en gardant une gamme dynamique allant jusqu'à plusieurs kilomètres.

En biophotonique, le temps de fluorescence des marqueurs est utilisé comme mesure de l'environnement physico-chimique de l'objet à analyser. Il faut mesurer rapidement des signaux de fluorescence avec des résolutions de l'ordre de la dizaine de picoseconde.

Le détecteur selon l'invention est aussi utilisable en spectroscopie résolue en temps.

On obtient ainsi un détecteur de conception simplifiée avec une efficacité d'émission secondaire optimale et un meilleur rapport signal à bruit en sortie du multiplicateur d'électrons 7. Il présente également une plus grande sensibilité à la détection.