Capteur de gaz miniature à base de laser à cascade quantique et d'un détecteur photo-acoustique

par Maxime Duquesnoy

Projet de thèse en Lasers, molécules, rayonnement atmosphérique

Sous la direction de Antoine Godard.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec ONERA/DPHY - Département Physique Instrumentation Environnement Espace (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-12-2017 .


  • Résumé

    Dans l'objectif de détecter dans l'atmosphère des gaz à l'état de traces pour des applications environnementales, de défense ou sécurité industrielle, la PME MirSense et l'ONERA souhaitent développer conjointement un capteur de gaz photoacoustique fondé sur l'utilisation de deux briques technologiques innovantes: i) une source optique émettant dans l'infrarouge en coïncidence avec les raies d'absorption d'un gaz à sonder, plus exactement un laser à cascade quantique (QCL) réalisés à façon par Mirsense, et ii) un système de détection photoacoustique innovant à base de micro-résonateur en quartz, optimisé pour l'application et réalisé à l'ONERA. Une première thèse soutenue en 2016 a permis, d'une part, de modéliser les interactions optique/acoustique/micro-résonateur et de définir des premières architectures innovantes aussi bien au niveau du résonateur qu'au niveau du traitement du signal, et d'autre part de valider ces modèles par des mesures sur un banc de test photoacoustique. Cette première thèse a abouti à un grand nombre de publications et brevets. Il s'agit à présent de s'appuyer sur ces modèles pour concevoir et optimiser un système complet de d'analyse de gaz (laser, résonateur, dispositif de couplage photo-acousto-mécanique, électronique de traitement), de manière conjointe avec MirSense. Cette PME, située sur le plateau de Saclay, est spécialisée dans le développement de sources QCL et leur intégration dans des capteurs de gaz. Deux applications ont été identifiées et seront traitées au cours de la thèse: - la détection du SF6 (application sécurité industrielle). - la détection multi-gaz d'espèces dangereuses dans l'air ambiant (applications sécurité). L'aspect pluridisciplinaire du sujet assure un fort potentiel de publications et brevets. Un transfert de technologie est envisagé en cours de thèse. Le doctorant devra avoir un goût prononcé pour l'expérimentation, et sera amené à utiliser les modèles développés au cours de la thèse précédente. Il devra aimer travailler en équipe, et sera amené à faire le lien entre l'Onera et Mirsense sur ce sujet. Une bourse de thèse CIFRE est fortement envisagée.

  • Titre traduit

    Compact trace gas sensor based on photoacoustic spectroscopy with a quantum cascade laser


  • Résumé

    Trace gas detection is a growing concern for environmental and security applications. Chemical and electronical detectors often display a poor selectivity, and a slow response time. To overcome these limitations, several optical gas detectors based on infrared absorption spectroscopy have already been pushed to the market. However they are often limited to only one gas, or they rely on an interferometric measurement that hinder their use for airborne applications. Onera and Mirsense have started a collaboration to realize a multi-species photoacoustic detector. It will be based on the combination of two technologies: quantum cascade lasers patented by Mirsense and validated in previous projects, and a custom quartz resonator patented by Onera and validated during a PhD thesis defended in 2016. In the proposed PhD thesis, the student will have to design, build, and test a complete photoacoustic gas sensor. Several branches of physics (optics, acoustics, electronics) will have to be explored. The sensor will be validated on SF6 and other gases if possible