Détection optique multimodale à la limite de précision fondamentale // reaching the precision limit in multimodal optical sensing

Topic description

Le développement de capteurs optiques a permis l'émergence de nombreuses technologies. Que ce soient les lidars au cœur de la conduite des voitures autonomes, la spectroscopie qui permet le suivi de processus industriels, ou encore les capteurs à fibre optique qui permettent de détecter à distance des changements de température ou de contrainte dans des lieux inaccessibles. Les capteurs optiques sont aussi au cœur des technologies quantiques. Par exemple, la diffusion de la lumière permet de suivre le mouvement de nanoparticules lévitées et refroidies vers leur état fondamental quantique, ce qui permet ainsi l'étude de la physique quantique macroscopique. D'autant plus, ces plateformes de piégeage optique promettent de révolutionner le GPS grâce à des accéléromètres d'une précision ultra-élevée.
Un défi consiste alors à optimiser ces capteurs afin d'atteindre leur limite de précision fondamentale. Cela est essentiel non seulement pour les rendre plus économes en énergie en réduisant la quantité de lumière nécessaire, mais aussi dans les applications de pointe, comme la lévitation optique, où extraire le maximum d'information est crucial pour ne pas détruire les propriétés quantiques. Pour cela, il faut étendre le formalisme théorique développé récemment pour des systèmes modèles [1, 2] au cas bien plus complexe de capteur et de système réels, en tenant compte en particulier de leurs aspects multimodaux (c'est-à-dire en mesurant plusieurs paramètres simultanément).

Dans ce contexte, notre objectif est de désigner et de réaliser expérimentalement de tels capteurs multimodaux complexes, opérés proches de leur limite de précision fondamentale. Ce travail va s'appuyer sur l'expertise complémentaire des deux équipes impliquées :

L'équipe de Paris-Saclay, experte sur les fondations théoriques [2] (basées sur 'l'information de Fisher' qui impose la limite de précision), et sur la lévitation optique [3], et qui a récemment démontré une mesure nano-mécanique à la limite quantique de précision [4]. L'équipe d'Exeter (supervisée par David Phillips) experte du façonnage du front d'onde : une méthode d'optimisation de l'interaction lumière-matière par la structuration de faisceaux optiques [5]. Le façonnage du front d'onde sert de base à la conception de nos capteurs innovants, permettant à la lumière d'être sculptée de manière optimale afin de recueillir autant d'informations que possible sur le ou les paramètres de mesure d'intérêt. Phillips a récemment appliqué le façonnage de front d'onde pour le contrôle multidimensionnel optimal de nanoparticules piégées optiquement [6], pour contrôler le transport de la lumière à travers des milieux diffusants dynamiques [7], et pour configurer automatiquement des dispositifs complexes de façonnage de la lumière multimodale [8], une technique qui sera appliquée dans ce projet.

Nous proposons trois nouveaux capteurs optiques de démonstration de principe à complexité croissante, fonctionnant tous à leur limite de précision théorique :
- Un spectromètre pour suivre de manière optimale les variations infimes de la longueur d'onde de la lumière.
- Un capteur à fibre optique multimodal fournissant des informations multiparamétriques plus riches que celles des capteurs monomodes conventionnels.
-Le suivi optimal simultané de groupes de nanoparticules en lévitation pour le développement de technologies quantiques.
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Sensors pervade almost every aspect of modern technology - delivering important streams of
information about the world around us. Optical sensors, which rely on modulated light to detect
changes in signals of interest, are widespread. Examples include 3D imaging for driverless cars,
and spectroscopy for environmental and industrial process monitoring. Distributed sensing
networks use fibre optic sensors to pinpoint pressure changes along an optical fibre's path.
Optical sensors are also fundamental to emerging quantum technologies. For example, light
scattering tracks the motion of levitated nanoparticles, suspended by beams of light, cooled
towards their quantum ground state. Such optical trapping platforms promise to revolutionise
GPS with ultra-precise stand-alone accelerometers.
The challenge: Given the widespread and growing use of optical sensors, it is crucial they
operate at their fundamental precision limits. Reaching optimal precision directly feeds into lower
energy consumption - as it allows light levels to be reduced as much as possible. Furthermore,
excessive illumination in quantum levitation platforms induces heating which erases quantum
effects, removing their advantages. Yet the increasing complexity of both the sensors themselves,
along with the environments they operate in, renders achieving optimal design a major challenge.
Indeed, theoretical design frameworks guaranteed to find optimal sensor precision have only
recently been developed [1, 2]. However, at present these new approaches operate in idealised
conditions and are yet to factor in multimodal sensor operation (i.e., measurement of multiple
parameters simultaneously) or incorporate real-world constraints. As such, substantial
improvements in optical sensor technology are waiting to be realised.
Our aim is to design and experimentally prototype a range of new multimodal optical sensors
operating close to their fundamental precision limits whilst increasing their range of applicability.
The applicants have extensive and highly complementary expertise with which to tackle this
challenge. The Paris-Saclay team are experts in the
theoretical foundations [2] (based on analysis of a system's ‘Fisher information' which sets
fundamental measurement precision), and in vacuum optical trapping [3], and recently
demonstrated nano-optomechanical tracking down to the quantum precision limit [4]. The Exeter
team (led by David Phillips) are experts in a technique known as ‘wavefront shaping': precise
structuring of light beams to optimise light-matter interactions [5]. Wavefront shaping underpins
our new sensor designs - allowing light to be optimally sculpted to gather as much information as
possible about the measurement parameter(s) of interest. Phillips recently applied wavefront
shaping for optimal multidimensional control of levitated nanoparticles [6], to control light
transport through dynamic scattering media [7], and to automatically configure complex
multimodal light shaping devices [8] - a technique we will directly apply in this project.
We will showcase 3 novel proof-of-principle optical sensors of escalating complexity, all operating
at their theoretical precision limit:
- A wavemeter to optimally track minute changes in the wavelength of light.
- A multimodal optical fibre sensor yielding richer multi-parameter information than conventional
single mode sensors.
- Simultaneous optimal tracking of groups of levitated nano-particles for the development of
quantum technologies.
References
[1] Bouchet et al. Nat. Phys. 17, no. 5 : -.
[2] Gutiérrez-Cuevas et al Nat. Comm 15,
no. 1 : .
[3] Raynal, et al. PRL, no. 8 : .
[4] Tavernarakis et al. arXiv:. .
[5] Stellinga et al Science, no. : -.
[6] Būtaitė et al Sci Adv 10, no. 27
[7] Mididoddi, et al .' Nat.
Photon. : 1-7.
[8] Rocha, et al Nat. Comm. 17 .
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Funding further details

Programme UPSaclay-Exeter (ADI)