Instruments de mesure multi-polluants par spectroscopie infrarouge basés sur des lasers fibrés et par génération de différence de fréquences : développement et applications

par Julien Cousin

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Weidong Chen.

Soutenue en 2006

à Littoral .


  • Résumé

    Aujourd’hui la détection des COV et autres polluants anthropiques à l’état de trace est un enjeu de plus en plus important pour la surveillance de la qualité de l’air. La spectroscopie infrarouge, permettant de sonder des régions spectrales riches en absorption moléculaire, est une technique appropriée pour une mesure in-situ de la pollution atmosphérique. Ce travail de thèse a ainsi consisté à développer des instruments lasers de mesure multi-polluants de terrain. Un premier projet a consisté à profiter de la disponibilité des lasers des télécommunications émettant dans l’IR proche. Cet instrument a été réalisé sur la base d’une diode laser à cavité étendue (1500-1640 nm), couplée à une cellule à réflexions multiples (100 m). La sensibilité de détection a été optimisée en employant une détection balancée et une procédure de moyenne de spectres. La compacité et la sensibilité obtenues ont permis la quantification de composés, en laboratoire ou in-situ, tel que CO2, CO, C2H2, CH4 et également la détermination du rapport isotopique 13CO2/12CO2 résultant de la combustion de bois. Le deuxième projet a consisté à mélanger deux lasers à fibre du proche IR dans un cristal non linéaire (PPLN) afin de produire un rayonnement laser par génération de différence de fréquences dans l’IR moyen (3,15 –3,43µM), là où les bandes d’absorption des molécules visées, sont les plus intenses. Les premières études avec cette source montrent la possibilité de détection de C2H4 et de C6H6. Les développements, caractérisations et applications de ces instruments, aussi bien dans l’IR proche que moyen, sont détaillés et montrent les avantages de sonder les 2 gammes spectrales.

  • Titre traduit

    Multi-pollutants sensors based on near-IR telecom lasers and mid-IR difference frequency generation : development and applications


  • Résumé

    At present the detection of VOC and other anthropic trace pollutants is an important challenge in the measurement of air quality. Infrared spectroscopy, allowing spectral regions rich in molecular absorption to be probed, is a suitable technique for in-situ monitoring of the air pollution. Thus the aim of this work was to develop instruments capable of detecting multiple pollutants for in-situ monitoring by IR spectroscopy. A first project benefited from the availability of the telecommunications lasers emitting in near-IR. This istrument was based on an external cavity diode laser (1500 – 1640 nm) in conjunction with a multipass cell (100 m). The detection sensitivity was optimised by employing a balanced detection and a sweep integration procedure. The instrument developed is deployable for in-situ measurements with a sensitivity of 10-7 cm-1 Hz-1/2 and allowed the quantification of chemical species such as CO2, CO, C2H2, CH4 and the determination of the isotopic ratio 13CO2/12CO2 in combustion environment. The second project consisted in mixing two near-IR fiber lasers in a non-linear crystal (PPLN) in order to produce a laser radiation by difference frequency generation in the middle-IR (3. 15 – 3. 43 µM), where the absorption bands of the molecules are the most intense. The first studies with this source were carried out on detection of ethylene (C2H4) and benzene (C6H6). Developments, characterizations and applications of these instruments in the near and middle IR are detailed and the advantagesof the 2 spectral ranges is highlighted.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (vi-296 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 267-280.

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  • Bibliothèque : Université du Littoral-Côte d'Opale (Dunkerque, Nord). Bibliothèque. Section Lettres, sciences humaines et sociales.
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