Utilisation de lasers femtoseconde peigne de fréquences pour des applications de détection simultanée multi-espèces de gaz à distance

Utilization of femtoseconde frequency comb laser for simultaneous multi-species gaz remote detection applications

• Auteur / Autrice : Jérémy Oudin
• Direction : Ajmal Khan Mohamed
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, molécules, rayonnement atmosphérique
• Date : Soutenance le 25/05/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Physique, Instrumentation, Environnement, Espace (DPHY)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Lafosse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Parvitte, Weidong Chen, Sandrine Galtier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bertrand Parvitte, Weidong Chen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz à effet de serre

Lidar

Fourier, Spectroscopie par transformée de

Mots clés libres

Spectroscopie de Fourier

Peigne de fréquences

Lidar

Fourier spectroscopy

Frequency comb

Lidar

Résumé

De nos jours la caractérisation des gaz à effet de serre (telle que CO₂, CH₄ , les NOₓ ) à l'échelle mondiale est un enjeux majeur. Identifier les sources et puits de ces diverses espèces chimiques à l'aide d'instruments de grande précision est aujourd'hui l'objet d'études approfondies. Le développement d'instruments spectroscopiques de large couverture spectrale, précis et sensibles est ainsi nécessaire. Les laser femto secondes peigne de fréquences utilisés en Dual Comb Spectroscopy (DCS) permettent de réaliser des mesures multi-espèces sur une large couverture spectrale.L'objectif principal de cette thèse est d'évaluer les performances d'un système de DCS composé de deux laser femtosecondes peigne de fréquences MenloSystems ainsi que de mettre en oeuvre des mesures intégrées de concentrations de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Un deuxième objectif consiste à étudier la faisabilité de réaliser des mesures de concentration de gaz résolues spatialement grâce à la rétrodiffusion de la lumière sur des aérosols. Pour atteindre ces objectifs le manuscrit est organisé de la manière suivante:- Evaluation des performances du système DCS disponible au laboratoire. Définition d'un protocol de mesure et première mise en oeuvre de mesure de concentration de gaz en cellule de gaz.- Mise en oeuvre du système pour des mesures de concentrations intégrées de gaz en atmosphère. Tout d'abord avec la mesure de concentration de la vapeur d'eau à courte portée (27 m). Puis la mesure de concentration multi-espèces à moyenne portée (140 m) sur la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone.-Evaluation de la capacité à réaliser des mesures Lidar IPDA et DiAL en utilisant la DCS. Dans une première partie nous estimons les performances en terme de portée pour notre système de mesures Lidar IPDA utilisant une cible diffuse. Dans une seconde partie on s'intéresse aux mesures en rétrodiffusion sur les aérosols. Nous décrivons l'incompatibilité des lasers hautes cadences avec la méthode classique de localisation des impulsions par leur temps de vol. Deux solutions sont proposées pour contourner cette difficulté.

Nowadays, the characterization of greenhouse gases (such as CO₂, CH₄, NOₓ) on a global scale is a major issue. Identifying the sources and sinks of these various chemical species using high precision instruments is today the subject of studies. The development of spectroscopic instruments with broad spectral coverage, precise and sensitive is thus necessary. The femto second frequency comb lasers used in Dual Comb Spectroscopy (DCS) makes possible to perform multi-species measurements over a wide spectral coverage.The main goal of this thesis is to evaluate the performance of a DCS system consisting of two femtosecond frequency comb MenloSystems Lasers as well as to implement integrated measurements of greenhouse gas concentrations in the atmosphere. A second objective is to study the feasibility of spatially resolved gas concentration measurements by backscattering light onto aerosols. To achieve these objectives the manuscript is organized as follows:- Evaluation of the performance of the DCS system available in the laboratory. Definition of a measurement protocol and first implementation of gas concentration measurement in a gas cell.- Implementation of the system for measurements of integrated gas concentrations in the atmosphere. First with the measurement of water vapor concentration on short-range (27 m). Then on medium-range (140 m) with multi-species concentration measurement on water vapor and carbon dioxide.- Assessment of the ability to perform Lidar IPDA and DiAL measurements using DCS. In the first part we estimate the performance of our system in terms of measurement range for Lidar IPDA measurement using a diffuse target. In a second part, we are interested in aerosol backscatter measurements. We describe the incompatibility of high repetiton rate laser with the traditional method of locating pulses by their time of flight. Two solutions are proposed to circumvent this difficulty.