Spectrométrie Laser et Applications

Introduction

SLA0

La thématique "Spectrométrie Laser et Applications" s'intéresse à la spectrométrie très haute résolution par technique laser dans le domaine infrarouge et à ses applications en détection de gaz.
Dans cette région, la plupart des molécules gazeuses, en particulier les molécules d’intérêt atmosphérique, ont une signature due à leur spectre de rotation-vibration. Les bandes fondamentales les plus intenses se situent dans l’infrarouge moyen (3-12 µm) et les bandes harmoniques moins intenses dans l’infrarouge proche.

La spectroscopie classique utilise une source blanche de rayonnement et un analyseur spectral optique. La spectrométrie laser leur substitue une source monochromatique accordable en longueur d’onde. L’infrarouge proche peut être couvert par des diodes de type télécom fonctionnant à température ambiante. L’infrarouge moyen n'a longtemps été accessible continûment que par des lasers de type sels de plomb peu fiables. Depuis quelques années, le moyen infrarouge est accessible grâce à des lasers de nouvelle génération : les lasers à cascade quantique (QCL) ainsi que par des sources de type OPO ou peignes de fréquence.

Techniques développées

- la spectrométrie laser directe : cette technique basée directement sur la loi de Beer-Lambert est utilisée de deux façons différentes. En laboratoire, on mesure à très haute résolution les paramètres spectroscopiques de molécules d'intérêt atmosphérique. Dans l'atmosphère, connaissant les paramètres des gaz, on en mesure les concentrations.
- la spectrométrie laser hétérodyne : cette technique développée historiquement avec des lasers non accordables à CO2 a ensuite été développée avec des diodes lasers à sels de plomb. La technique prend toute sa dimension grâce aux lasers à cascade quantique. Il s'agit de mesurer à distance à partir du sol les concentrations de composés atmosphériques.
- la spectrométrie laser photoacoustique : le détecteur ultra-sensible développé au laboratoire a été associé avec des diodes lasers puissantes émettant dans le proche infrarouge et avec des lasers peu puissants émettant dans le moyen infrarouge. Là encore, la technique prend toute sa dimension grâce aux lasers à cascade quantique puissants et émettant dans le moyen infrarouge. Il s'agit d'une détection très sensible et mesurant in situ les concentrations de gaz au niveau du sol.

Activités récentes et en cours

Les résultats obtenus avec les différentes techniques étant très prometteurs, les recherches menées depuis quelques années consistent majoritairement en deux voies de travail :

1/ Développement et utilisation de sources lasers de dernière génération :

- Mise en cavité externe de sources QCL afin d'élargir leur zone d'émission : Financement REI DGA "SELECTIF" (2009-2011), Programme européen Euripides "ACOUSTICNOSE" (2010-2012), Thèse de D. Mammez (Allocation DGA-Région, 2010-2013),

- Barrettes de QCL : ANR ECOTECH "MIRIADE" (2012-2015) et ANR ASTRID "COCASE" (2012-2014) en collaboration avec III-V lab

- Sources de type OPO de forte puissance : Projet InterReg SAFESIDE (2017-2020) et Thèse de F. Defossez (2017-2020) en collaboration avec Multitel et Université de Mons (Belgique)

- Sources peignes de fréquence dans l'infrarouge moyen : ANR PRC "MIRSiCOMB" (2018-2021) en collaboration avec INL de Lyon et CEA-LETI de Grenoble

2/ Applications à la détection de gaz par différentes techniques :

- Mesures de paramètres spectroscopiques de molécules d'intérêt atmosphérique : Projet CNES MERLIN (2012-2019)

- Simulation, développement et industrialisation des senseurs photoacoustiques précédemment réalisés : start-up AEROVIA (www.aerovia.fr), Thèse de C. Risser (CIFRE Aerovia, 2012-2015) et Thèse de C. Mohamed Ibrahim (2018-2020)

- Miniaturisation des senseurs photoacoustiques : ANR ECOTECH "MIRIADE" (2012-2015) et Thèse de J. Rouxel (Alloc. CEA, 2012-2015)

- Développement d’un senseur hétérodyne avec des QCL : ANR ASTRID "QUIGARDE" (2013-2016) et Thèse de M.-H. Mammez (Allocation DGA-CNRS, 2012-2016).

- Détection de gaz intra-cavité : Thèse de L. Bizet (Allocation DGA-Région, 2015-2019)

- Réalisation d'un éthylomètre laser : ANR PRCE "ETHYLAS" (2018-2021) en collaboration avec MirSense (www.mirsense.com)

- Collaboration Equipe Effervescence pour applications oenologiques : Thèse de M. Mulier (2006-2009), Thèse de A.-L. Moriaux (2015-2018)