Peignes de fréquence optiques pour la détection de gaz en temps réel

par Alix Malfondet

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Guy Millot et de Patrice Tchofo-dinda.

Thèses en préparation à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de École doctorale Carnot-Pasteur , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (laboratoire) depuis le 01-09-2020 .


  • Résumé

    L'air que nous expirons contient des composants organiques volatils (COV) permettant l'identification précoce de certaines maladies (cancer, ulcère, mucoviscidose, ...). Ainsi, la détection des COV par des méthodes non invasives en temps réel constitue un défi sociétal majeur et un domaine de recherche passionnant. Pour relever ce défi, nous visons à développer une nouvelle méthode de spectroscopie optique basée sur l'interférence de deux peignes de fréquence cohérents. Notre concept novateur consistera à générer les deux peignes de fréquence à partir d'une même source laser de manière à assurer leur cohérence mutuelle intrinsèque sans stabilisation active complexe. Nous développerons deux techniques pour générer de telles sources à double peigne cohérents. La première, dépourvue de cavité optique, est basée sur la modulation électro-optique d'un laser continu de longueur d'onde accordable. La seconde utilisera une seule cavité laser à fibre optique où les deux peignes seront générés dans des directions opposées ou avec des polarisations orthogonales. Dans ce second cas, différents mécanismes de verrouillage de modes seront exploités, tels que les miroirs à boucle non linéaire ou les interférences non linéaires entre les modes d'une fibre fortement multimode. Les sources à double peigne de fréquence seront d'abord développées dans le proche infrarouge (1.55 µm et 2 µm) puis converties dans le moyen infrarouge (2 à 5 µm) où l'absorption des gaz est beaucoup plus forte, augmentant ainsi considérablement la sensibilité du spectromètre. Notre ambition est de concevoir un spectromètre cumulant des qualités de haute précision, mobilité, et facilité d'utilisation, qui en feront un produit unique en son genre, facile à installer dans des centres de recherche, en médecine en particulier, pour effectuer des essais cliniques d'analyse de l'air expiré. Les autres domaines d'application incluent l'environnement (détection de polluants) ou l'agroalimentaire (comportement des plantes).

  • Titre traduit

    Coherent dual-combs for gas sensing


  • Résumé

    Dual-comb spectroscopy (DCS) is well recognized as an innovative analytical technique for rapidly identifying molecular species with high resolution, high signal-to-noise ratio, wide spectral coverage, and fast acquisition rate. It has been successfully applied to precision metrology, remote monitoring of greenhouse gases and coherent Raman scattering. This powerful spectroscopic tool can be implemented under different schemes, but most require complex phase-locking systems, which greatly limit outside laboratory applications. Various methods have been proposed to reduce the complexity of dual-comb spectrometers, the common idea is to generate the two combs from the same laser source so as to ensure intrinsic mutual coherence between them without active stabilization. We thus find coherent dual-comb sources without optical cavity based on the electro-optic modulation of a single continuous wave laser or single-cavity mode-locked fiber lasers where the two combs are generated in opposite directions or with orthogonal polarizations. In the case of free-running single-cavity lasers, different mode-locking mechanisms have been widely exploited, such as the nonlinear polarization rotation, the semiconductor saturable absorber mirrors(SESAMs), the carbon nanotube saturable absorbers, or also the nonlinear loop mirrors (NOLMs). Another original mode-locking mechanism based on nonlinear multimodal interferences(NLMMIs)has recently been proposed. Most coherent dual-comb sources have been operated in the erbium or thulium near-infrared (NIR) bands of 1.55 μm and 2 μm, respectively. However, an operation at higher wavelengths in the mid-infrared(MIR) domain is possible via wavelength conversion based on four-wave mixing (FWM) processes in nonlinear Kerr media(such as optical fibers and semiconductor coupled waveguides)or by difference frequency generation (DFG) in quadratic PPLN-like crystals. We have already achieved significant results in this multifaceted field, particularly on electro-optic DCS. Our objective is to continue research in this field in particular by targeting applications, such as the measurement of the isotopic ratio 13C/12C for the analysis of exhaled air and the measurements of CO2 concentration for the environmental and agronomic sectors. Another objective is to contribute to new innovations in this promising field by exploiting our expertise on NOLM-based systems and nonlinear effects in multimode fibers. In summary the aim of the doctoral thesis is to develop coherent dual-comb sources for gas sensing, based on electro-optic modulators and on fiber cavities exploiting two types of mode-locking with either NOLM or multimode fibers(NLMMI).This rapidly developing multidisciplinary project is technically and scientifically challenging.