Lidar 2µm à source hybride fibrée/solide pour la télédétection du CO2 atmosphérique

2µm Lidar with hybrid fibre/solid source for remote sensing of atmospheric CO2

• Auteur / Autrice : Julien Lahyani
• Direction : Jean-Michel Hartmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Laser et Plasma
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau, Essonne ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : François Balembois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Michel Hartmann, Georges Durry, Sandrine Galtier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Balembois, Georges Durry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télédétection

Dioxyde de carbone atmosphérique

Lidar

Mots clés libres

Lidar DIAL

CO2 atmosphérique

Fibre optique

Amplification hybride

DIAL Lidar

Atmospheric CO2

Optical fiber

Hybrid amplification

Résumé

Dans une perspective de réchauffement climatique global, il est essentiel de mieux comprendre et caractériser, à l’échelle planétaire, les cycles des principaux gaz à effet de serre et notamment du dioxyde de carbone (CO2). Jusqu’ici, l’observation du CO2 depuis l’espace a été réalisée avec des sondeurs passifs. Cependant, l’emploi d’un Lidar (radar laser) embarqué sur satellite pourrait permettre une couverture spatio-temporelle accrue ainsi qu’une réduction significative des biais de mesure. Cette thèse s’intéresse au développement d’un laser à 2.05µm, compatible avec la mesure du CO2 par absorption différentielle (DIAL), en vue d’une future mission spatiale.Pour répondre à la double contrainte robustesse/performance imposée par l’application spatiale, nous proposons une approche dite hybride, associant un laser entièrement fibré et un amplificateur cristallin. La partie « tout fibré », intrinsèquement compacte, robuste et exempte d’alignement optique, a les propriétés requises mais l’énergie extractible par impulsion est limitée par des effets non-linéaire dans les fibres optiques. L’amplification en espace libre consiste en un simple passage dans un cristal Ho:YLF, nettement plus simple de mise en œuvre et moins sensible à l’alignement que les lasers en cavité espace libre. Ainsi, la source laser hybride conserve une importante robustesse, tout en atteignant des énergies importantes, inaccessibles aux amplificateurs fibrés mono-fréquences à 2.05µm.A une fréquence de répétition de 1kHz, la source laser hybride fournit des impulsions de 9mJ, pour une durée de 187ns et une efficacité électro-optique de 2%, comparable avec les lasers d’autres missions lidar spatiales. Considérant ces résultats ainsi que les récentes avancées sur les détecteurs dans le proche infrarouge, une mission spatiale aux objectifs ambitieux pourrait voir le jour dans les années à venir.

In a perspective of global warming, it is essential to better understand and characterize, at the global scale, the cycles of the main greenhouse gases and in particular of carbon dioxide (CO2). Until now, passive sounders have been used for this purpose, but the use of space-borne Lidar (laser radar) could be a major step forward for the observation of CO2, allowing a better spatial and temporal coverage and a significant reduction in the measurements biases. This thesis focuses on the development of a 2.05µm laser, compatible with CO2 measurement by differential absorption (DIAL), for a future space mission.To meet the dual constraint of robustness/performance imposed by the space application, we propose a hybrid approach, combining an all-fiber laser and a bulk amplifier. The all-fiber part, intrinsically compact, robust and free of optical alignment, has the required properties but the extractable energy per pulse is limited by non-linear effects in the optical fibers. The free-space amplification consists of a simple pass through a Ho:YLF crystal, which is significantly simpler to implement and less sensitive to alignment than free-space laser cavity. Thus, the hybrid laser source keeps an important robustness, while reaching important energies, unattainable to single frequency fiber amplifiers at 2.05µm.At a repetition rate of 1kHz, the hybrid laser source provides 9mJ pulses, for a duration of 187ns and an electro-optical efficiency of 2%, comparable with other lasers for space lidar missions. Considering these results and the recent advances in near-infrared detectors, a space mission with ambitious objectives could be launched in the coming years.