Développement d’un prototype ultrasensible d’analyse de gaz dans le domaine submillimétrique

Design and characterization of an ultra-sensitive prototype for trace gas analysis in the THz and sub-millimeter range

• Auteur / Autrice : Coralie Elmaleh
• Direction : Gaël Mouret, Francis Hindle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique, spécialité milieux dilués et optique fondamentale
• Date : Soutenance le 26/01/2024
• Etablissement(s) : Littoral
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physico-chimie de l'atmosphère (Dunkerque, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : financeur : Hauts-de-France. Conseil régional
• Jury : Président / Présidente : Olivier Pirali
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaël Mouret, Francis Hindle, Jean-François Lampin, Fridolin Kwabia Tchana, Damien Bigourd
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Lampin, Fridolin Kwabia Tchana

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs de gaz

Pollution atmosphérique -- Lutte contre

Spectroscopie terahertz

Rayonnement terahertz

Mots clés libres

Détection de trace de gaz

Rayonnement submillimétrique

Spectroscopie rotationnelle

Interféromètre Fabry-Perot

Fréquences THz

Spectroscopie Terahertz en phase gazeuse

Submillimeter radiation

Rotational spectroscopy

Trace gas detection

Fabry-Perot interferometer

Lamb-dip

Terahertz gas phase spectroscopy

Résumé

Cette thèse explore le développement technologique d'une expérience spectroscopique dans le domaine submillimétrique, aussi connu sous le nom de Terahertz (THz). Cette bande spectrale se distingue par sa capacité à résoudre finement des doublets moléculaires, permettant une identification précise et claire de mélanges gazeux complexes, même lorsque d'autres longueurs d'onde pourraient échouer.Bien que la région THz offre un pouvoir de résolution exceptionnel, les spectromètres qui y opèrent sont souvent confrontés à des défis de sensibilité en raison du développement de la technologie dans cette bande. Grâce à une approche innovante, nous avons mis en œuvre la première expérience de Cavity ring-down Spectroscopy (CRDS) capable de quantifier des composés avec une précision allant jusqu’au ppb. L'étude est concentrée entre 550 GHz et 650 GHz, une fenêtre du spectre THz qui non seulement offre une résolution et une sensibilité moléculaire inégalées, mais possède aussi la capacité de pénétrer des matériaux non conducteurs tout en étant non ionisante. Ces propriétés positionnent cette technologie à la pointe des outils d'analyse, promettant une pléthore d'applications, allant de la recherche fondamentale à des applications industrielles.

This thesis explores the technological development of a spectroscopic experiment in the submillimeter range, also known as Terahertz (THz). This spectral band stands out for its ability to precisely resolve molecular doublets, enabling clear and precise identification of complex gas mixtures, even when other wavelengths might fail.Although the THz region offers exceptional resolving power, spectrometers operating in this region often face sensitivity challenges due to the development of technology in this band. Thanks to an innovative approach, we have implemented the first Cavity Ring-Down Spectroscopy (CRDS) experiment capable of quantifying compounds to ppb precision. The study is concentrated between 550 GHz and 650 GHz, a window of the THz spectrum that not only offers unrivalled resolution and molecular sensitivity, but also possesses the ability to penetrate non-conducting materials while being non-ionizing. These properties position this technology at the cutting edge of analysis tools, promising a plethora of applications, from fundamental research to industrial applications.