ETUDE ET REALISATION D’UN CORRELATEUR DE “PAIRES DE PHOTONS SUCCESSIFS”. APPLICATION A LA MESURE DU TEMPS DE CORRELATION D’UNE LUMIERE A L’AIDE D’UNE PHOTODIODE A AVALANCHE ET MISE EN ÉVIDENCE DU TEMPS MORT

Issam Q. SIBLINI

Dans ce travail, nous avons montré la possibilité de mesurer la constante de décroissance d’une lumière diffusée à l’aide de deux techniques de corrélation, avec des résolutions pouvant atteindre la dizaine de nanosecondes:

i.   La première est basée sur la mesure sur une période, de l’intervalle de temps séparant deux impulsions photoélectriques successives.

ii.  La deuxième est basé sur la mesure sur une période, de l’intervalle de temps séparant deux impulsions photoélectriques successives.

Par ailleurs, les gains recherchés, pour le bon fonctionnement d’un corrélateur, sont  obtenus par des photomultiplicateurs (PM) tel que le photomultiplicateur à tubes ou à microcanaux. Or, un PM est caractérisé par son faible rendement quantique et sa tension d’alimentation très élevée.. Ces limitations nous ont poussé à nous intéresser aux photodiodes à avalanche.

Des photodiodes ultra-rapides, avec des résolutions pouvant atteindre les 50ps (FWHM), sont disponibles sur le marché. Cependant, le déficit sur l’amplification interne, et par conséquent la sensibilité, les rend inutilisable en spectroscopie par diffusion de lumière. En effet, ces photodiodes ont des gains pouvant varier de 10 à 100. Or,  dans la plupart des expériences, l’intensité diffusée est faible (100-10000 photons/seconde) et les détecteurs de  gain supérieur à 10⁴ sont recherchés.

Une étude sur les photodiodes à avalanche nous a montré que, sous certaines conditions liées à la polarisation, celles-ci se prêtent bien à la détection de photons avec un bon rapport signal sur bruit et un rendement quantique supérieur à celui des PM. Dans ce but, nous avons étudié plusieurs types de photodiodes à avalanche et avons retenu pour nos applications, un module de comptage à photodiode à avalanche fonctionnant en mode “Geiger”, le SCPM-200.

Le premier chapitre de ce mémoire est consacré au rappel des généralités sur la diffusion de lumière et aux différentes techniques utilisées par les diffusionnistes pour exploiter cette lumière. Ainsi, on a fait apparaître l’expression de la fonction d’autocorrélation du champ diffusé et sa transposition dans le domaine fréquentiel en utilisant le théorème de Wiener-Khintchine.

Le deuxième et le troisième chapitre présentent une description statistique de la théorie de comptage de photons relative au fonctionnement des corrélateurs, ainsi qu’un aperçu sur l’évolution des corrélateurs usuels. La technique du déclenchement d’un analyseur multicanal est aussi présentée.

Le quatrième et le cinquième chapitre sont consacrés à la réalisation   du corrélateur de “paires” et à la procédure d’accumulation des fonctions mesurées. Ce corrélateur mesure l’intervalle de temps entre deux impulsions photoélectriques successives. Son fonctionnement est équivalent au dispositif utilisant un convertisseur temps-amplitude.

Au sixième chapitre nous avons prouvé le bon fonctionnement du corrélateur de paires en le comparant à un corrélateur clippé, nous discutons et analysons les résultats obtenus.

Le septième chapitre est consacré à l’étude des photodiodes à avalanche fonctionnant en mode comptage de photons ou mode “Geiger”. Nous avons montré que ces dispositifs peuvent très bien être utilisés en spectroscopie par diffusion de lumière.