Stabilisation de l'émission de sources lasers à cascade quantique pour la détection de gaz à hautes résolution et sensibilité

par Clément Jacquemin

Projet de thèse en Physique appliquée

Sous la direction de Virginie Zeninari, Bertrand Parvitte et de Raphael Vallon.

Thèses en préparation à Reims , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences du Numérique et de lu2019Ingénieur , en partenariat avec GSMA - Groupe de Spectroscopie Moléculaire et Atmosphérique (laboratoire) depuis le 06-05-2020 .


  • Résumé

    Les capteurs optiques industrialisés tirent leur précision de la connaissance de la longueur d'onde d'émission de la source lumineuse qui les composent. Dans le cas des lasers à cascade quantique, la stabilité de la longueur d'onde est déterminée par la régulation en courant et en température du laser. Néanmoins, cette stabilisation est le plus souvent indirecte : la régulation en courant est réalisée à l'intérieur de l'alimentation, celle de la température, par une prise de mesure sur le bloc laser et non à l'intérieur du QCL. Dans les deux cas, il n'y a pas de mesure directe de la longueur d'onde d'émission contrairement aux dispositifs de laboratoire où une voie d'enregistrement est généralement dédiée à la mesure de la longueur d'onde à l'aide d'un spectromètre par exemple. Pour remédier à ce problème, une autre approche consiste à mettre en œuvre une régulation active. Il s'agit d'acquérir un signal d'erreur dépendant de la longueur d'onde qui permettrait de corriger la valeur du courant d'alimentation du laser. Ces travaux relativement bien connus dans le proche infrarouge sont encore assez peu courants dans la région du moyen-infrarouge où émettent les sources lasers à cascade quantique. Les schémas expérimentaux et les méthodes de référencement employées sont généralement peu compatibles avec des mesures de terrain. Le plus souvent un étalonnage préalable est réalisé avant la mesure in situ. L'un des objectifs novateurs de cette thèse est la mise en place d'un dispositif de référencement actif léger reposant notamment sur la mesure de la tension aux bornes du QCL stabilisé en courant. La mise en œuvre d'un asservissement sur une référence optique basée sur cette méthode devrait permettre de lever la nécessité d'un étalonnage préalable et réduire les erreurs liées aux dérives en longueur d'onde au cours du temps. Cet aspect est particulièrement important dans les dispositifs de mesures de traces de gaz. Il devrait ainsi permettre de réduire les aspects de maintenance des systèmes, mais aussi de suivre l'évolution de l'émission laser afin de quantifier les aspects de vieillissement. L'autre objectif est l'augmentation de la sensibilité des mesures ouverte par la mise en œuvre d'un tel asservissement. En effet, l'utilisation d'une référence telle qu'une cavité haute finesse permet d'envisager des expériences de spectroscopie intra-cavité. A l'instar des méthodes ICLAS dans le proche infrarouge, l'augmentation de la longueur de parcours dans les dispositifs intra-cavité permet d'augmenter d'un à deux ordres de grandeur la sensibilité des mesures.

  • Titre traduit

    Emission stabilization of quantum cascade laser sources for gas detection with high resolution and sensitivity


  • Résumé

    The accuracy of industrialized optical sensors is strongly related to the knowledge of the emission wavelength of the light source they are made of. In the case of quantum cascade lasers, the wavelength stability is determined by the current and temperature regulation of the laser. However, this stabilization is most often indirect: the current regulation is carried out inside the power supply and the temperature regulation is carried out by a measurement on the laser base plate and not inside the chip. In both cases, there is no direct measurement of the emission wavelength unlike laboratory devices where a recording channel is generally dedicated to the measurement of the wavelength using a spectrometer. To overcome this problem, another approach is to implement active control. This involves the acquisition of a wavelength-dependent error signal that would allow the value of the laser supply current to be corrected. This relatively well-known work in the near-infrared is still quite uncommon in the mid-infrared region where quantum cascade laser sources emit. The experimental schemes and referencing methods employed are generally poorly compatible with field measurements. In most cases a preliminary calibration is performed before the in situ measurement. One of the innovative objectives of this thesis is the implementation of a light active referencing device based on the measurement of the voltage of the current-stabilized QCL. The implementation of a servo-control on an optical reference based on this method should remove the need for prior calibration and reduce errors related to wavelength drifts over time. This aspect is particularly important in trace gas measurement devices. It should thus make it possible to reduce the maintenance aspects of the systems, but also to follow the evolution of the laser emission in order to quantify the ageing aspects. The other objective is to increase the sensitivity of the measurements opened by the implementation of such a device. Indeed, the use of a reference such as a high-fine cavity allows to consider intra-cavity spectroscopy experiments. Following the example of the ICLAS methods in the near infrared, the increase in the path length in intra-cavity devices makes it possible to increase the sensitivity of the measurements by one to two orders of magnitude.