Développements de spectromètres ultrasensibles pour l'analyse de gaz par « optical feedback cavity enhanced absorption spectrocopy » dans le moyen infrarouge avec des lasers à cascades inter-bandes

High finesse optical cavity's developpement for gas analysis by « optical feedback cavity enhanced spectrocopy » in the mid-infrared with interband cascade lasers

• Auteur / Autrice : Lucile Richard
• Direction : Irène Courtillot, Daniele Romanini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Soutenance le 31/01/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Antoine Delon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valéry Catoire, Lionel Duvillaret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ludovic Biennier, Clément Lauzin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs de gaz

Lasers à semi-conducteur

Mots clés libres

Spectroscopie laser

Cavité optique résonante

Monoxyde d'azote

Détection de traces

Analyse du souffle

Laser spectrocopy

Resonant optical cavity

Nitric oxide

Trace detection

Breath analysis

Résumé

Ce travail de thèse a permis le développement et la caractérisation d'instruments basés sur la technique "OF-CEAS" dans le moyen infrarouge pour la détection de traces dans différents mélanges en phase gazeuse. Le Laser à Cascades Inter-bandes (ICL) est la dernière innovation des lasers à semi-conducteurs dans cette zone spectrale. La compatibilité des ICL avec l'OF-CEAS ouvre la voie vers de nouvelles applications pour la réalisation d'instruments compacts et robustes avec un temps de réponse rapide tout en présentant une très bonne limite de détection.Une démonstration de la bonne sensibilité et stabilité des instruments OF-CEAS aété réalisé avec la mesure de continua d'absorption (de la vapeur d'eau et de l'azote). Mais également avec la détection d'une raie quadrupolaire de l'azote de très faible intensité (3x10-29 cm-1/(moléc cm-2). L'objectif principale de ces travaux consistait au développement d'un instrument dédié à la détection de monoxyde d'azote pour l'analyse du gaz exhalé. L'analyseur ainsi réalisé présente une sensibilité de 6x10-10 cm-1 en une acquisition de 180 ms. Sa limite de détection sur le NO est à l'état de l'art, avec à court terme (180 ms) un minimum de 50 ppt est atteint. Celui-ci parvient à un niveau sub-ppt (0.9 ppt) en 12 min d'intégration.

This work of these has made it possible to develop and characterize the use of instruments on the "OF-CEAS" technique in the mid-infrared for traces' detection in different mixtures in the gas phase. Inter-band Cascade Laser (ICL) is the latest innovation in semiconductor lasers in this spectral region. Compatibility of ICL with OF-CEAS offers new applications for compact and robust instruments with fast response time and a low detection limit. A demonstration of the good sensitivity and stability of the OF-CEAS instruments was performed with continua absorption measurements (water vapor and nitrogen). But also with the detection of a very low intensity quadrupole line of nitrogen (3x10-29 cm-1/(moléc cm-2). The main objective of this work was to develop an instrument dedicated to nitrogen oxide detection for the analysis of exhaled breath. The analyzer is presented at the sensitivity of 6x10-10 cm-1 in an acquisition of 180 ms. Its limit of detection on NO is at the state of the art, with short term (180 ms) limit of 50 ppt. It reaches the sub-ppt level (0.9 ppt) with 12 min of integration.