Etude de l'emploi des peignes de fréquences pour des applications Lidars

par Jérémy Oudin

Projet de thèse en Lasers, molécules, rayonnement atmosphérique

Sous la direction de Ajmal Khan Mohamed.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Ondes et Matière , en partenariat avec ONERA - Département de Mesures Physiques (laboratoire) et de université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    La connaissance des gaz à effet de serre (CO2, CH4, H2O, …) à l'échelle du globe et de leur impact sur le climat représente aujourd'hui un enjeu majeur. Pour répondre à cette problématique, une approche prometteuse, permettant de sonder la concentration de ces différentes espèces simultanément ainsi que la pression et la température, repose sur le développement d'une instrumentation de mesure lidar employant des lasers femtosecondes à peignes de fréquences. Ces sources laser offrent, en particulier pour la méthode de spectroscopie d'absorption à transformation de Fourier, des solutions de large bande spectrale instantanée (sur plusieurs centaines de cm-1) tout en ayant la haute résolution spectrale (moins de 1/100 cm-1) et la rapidité (cadence du kHz au MHz), trois paramètres qui font défaut à la plupart des techniques de diagnostiques optiques actives. Si des Lidars à absorption intégrée ont déjà été démontrés, l'emploi de la rétrodiffusion pour bénéficier de la résolution spatiale reste un sujet de recherche notamment pour contourner les problèmes liés à la superposition des impulsions ou la perte de cohérence spatio-temporelle des peignes pour une très longue propagation dans un milieu turbulent. La première partie de la thèse consistera à modéliser les impulsions femtosecondes et le battement optique des lasers à peignes de fréquences ainsi que leurs transformations au cours de l'interaction avec des surfaces dispersifs, des milieux gazeux turbulents. On utilisera des équations standards d'optique non linéaire pour les calculs de la réfraction d'indice en s'appuyant sur des coefficients de Sellmeyers (ou équivalent) à chercher dans la littérature. Le modèle est à programmer en un des langages employés au laboratoire (Mathématica, Matlab, C/C++, Labview) en sachant qu'il faut encapsuler des morceaux de programmes déjà existants (au laboratoire ou open source) comme Lab2 (sous Labview). Le travail débutera par la mise au point d'un code suffisamment exploitable pour dimensionner et guider les expériences à mener (géométries/protocoles des mesures, spécifications des composants et instruments de caractérisation,…). Ce code sera constamment amélioré et complémenté des résultats des expériences tout au long de l'étude. Un modèle Lidar existant sera aussi adapté pour encapsuler le code ci-dessus et évaluer, en mode de rétrodiffusion et en bi statique avec les géométries de détection optique adéquates, les performances des mesures de constituent atmosphériques par l'emploi de ce type de lasers. Dans une seconde partie, il s'agira de réaliser et tester des démonstrateurs de LIDAR intégrants (IPDA) et à rétrodiffusion sur des particules ou molécules. Pour cette dernière option, il faudra au préalable analyser le signal rétrodiffusé (Mie ou Rayleigh) d'une cellule remplie de différents gaz à effet de serre et de particules micrométriques. A priori on aura du mal à discerner temporellement la contribution d'un signal de rétrodiffusion venant d'une couche particulière du gaz. On exploitera la modélisation développée dans la première partie de l'étude pour évaluer expérimentalement les phénomènes de superposition temporelle des impulsions dans le signal rétrodiffusé et tester diverses stratégies de compensation (train d'impulsions réduit, codage particulier des impulsions à des fins de datation, etc à l'instar des stratégies employées dans des Lidars Doppler à laser CW qui sont comparables à nos lasers). Une cuve étanche existante (longueur 500 mm, diamètre 80 mm) sera adaptée de hublots et d'entrées de gaz nécessaires pour permettre des essais de rétrodiffusion sur des particules micrométriques. On utilisera des particules µmétriques (encens, …) habituellement utilisées pour ensemencer des écoulements à des besoins vélocimétrie (LDV et PIV) et qui se maintiennent suffisamment longtemps en suspension car on sera plutôt dans un gaz statique.

  • Titre traduit

    Study of frequency comb for lidar applications


  • Résumé

    The knowing of greenhouse gas (CO2, CH4, H2O, ...) across the globe and their impact on the climate represent a major issue. To answer this problem a promising approach allowing to probe simultaneously the concentration of these different species, as well as the pressure and the temperature exists. The development of a LIDAR measurement instrumentation using femtosecondes laser with frequency comb. These laser sources offer for the Fourier Transform absorption spectroscopy, some solutions of large instantaneous spectral bandwidth (some thousands of cm-1) and having a high spectral resolution (less than 1/100 cm-1) and velocity ( kHz to MHz), three parameters which miss to the most of active optical diagnostics techniques. If the intagrated absorption LIDARS have previously been shown, the use of the backscattered light in order to benefit of the spatial resolution stays a research topic especially to avoid the issues concerning the pulses superposition or the loss of the spatiotemporal coherence of the frequency combs for a long propagation in a turbulent medium.