Détection hétérodyne de molécules d'intérêt atmosphérique à l'aide de lasers à cascade quantique

par Marie-hélène Mammez

Projet de thèse en Sciences - STS

Sous la direction de Bertrand Parvitte et de Virginie Zeninari.

Thèses en préparation à Reims , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences, technologies, santé (Reims, Marne) , en partenariat avec (GSMA) Groupe de Spectroscopie Moléculaire et Atmosphérique (laboratoire) et de Equipe Spectroscopie et dynamique des systèmes moléculaires d'intérêt atmosphérique - GSMA (equipe de recherche) depuis le 12-10-2012 .


  • Résumé

    La détection hétérodyne infrarouge est une technique qui a été développée principalement pour améliorer la détectivité des détecteurs infrarouges, en particulier dans la fenêtre 8-12 µm. Cette technique a longtemps été étroitement associée à l'usage de lasers à gaz et de détecteurs refroidis. Les domaines d'applications ont été principalement les études astrophysiques et atmosphériques. Peu d'autres applications ont pu être envisagées du fait de la complexité de mise en œuvre et de l'encombrement de ce type d'instruments. Les progrès récents dans le domaine des lasers à semi-conducteurs (QCL qui couvrent une grande partie du spectre infrarouge) et des détecteurs (augmentation de la température de fonctionnement) permettent d'envisager de nouveaux développements et de nouvelles applications pour la détection hétérodyne infrarouge, par exemple pour la détection et l'identification à distance de molécules d'intérêt atmosphérique, e.g. les polluants. Les principaux atouts de la détection hétérodyne concernent la sélectivité spectrale et directionnelle de l'instrument. Par ailleurs, cette méthode permet d'obtenir une sensibilité limite de l'ordre de quelques ppm.m. Elle est applicable, dans le domaine civil, aux molécules d'intérêt atmosphérique telles que l'ozone et le dioxyde de carbone, et pour le domaine militaire, à la détection de matières dangereuses. Le travail du doctorant sera décomposé en deux phases principales : 1/ Réalisation d'un spectromètre hétérodyne avec un laser à cascade quantique émettant autour de 10 µm ; 2/ Application à des molécules d'intérêt atmosphérique telles que ozone et dioxyde de carbone ; En fonction de la progression des deux étapes précédentes, plusieurs voies de travail pourront être étudiées : - Réalisation d'un spectromètre transportable / miniaturisable ; - Application à d'autres molécules d'intérêt atmosphérique telles que le méthane ; - Application à des polluants atmosphériques avec une source largement accordable ; - Développement d'un radiomètre pour mesure de l'émission de composés.

  • Titre traduit

    Atmospheric interest molecules heterodyne sensing with Quantum Cascade Laser


  • Résumé

    Infrared heterodyne sensing was developed to enhance the detectivity of infrared detectors, particularly in the 8-12 µm range. For a long time, this technique was closely associated with the use of gas lasers and cooled detectors. Application domains were mainly astrophysical and atmospheric studies. Few other applications had been considered due to the complexity of implementation and the size of instruments. Recent advances in the field of semiconductor lasers (QCL covering a wide part of the infrared spectrum) and detectors (operating temperature increase) enable to consider new developments and new applications for infrared heterodyne sensing. For example the detection and remote identification of atmospheric interest molecules, e.g. pollutants. The main advantages of the heterodyne sensing technique relate to the spectral and directional selectivity of the instrument. Moreover, this method provides a limit of sensitivity of a few ppm.m. This method is applicable in civil field to atmospheric interest molecules such as ozone and carbon dioxide, and in military field to detect hazardous materials. The student work will be divided into two main phases: 1/ Realization of a heterodyne spectrometer with a quantum cascade laser emitting around 10 µm; 2/ Application to atmospheric interest molecules such as ozone and carbon dioxide; Depending on the two previous steps progress, several working channels may be considered: - Implementation of a transportable / miniaturized spectrometer; - Application to other atmospheric interest molecules such as methane; - Application to air pollutants with a widely tunable source; - Development of a radiometer for compounds emission measurement.