Développement de dispositifs de Cavity Ring Down Spectroscopy rapide pour la caractérisation d'écoulements transitoires et inhomogènes

Development of high speed Cavity Ring Down Spectroscopy devices for the characterization of transient and inhomogeneous flows

• Auteur / Autrice : Isabelle Debecker
• Direction : Daniele Romanini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés libres

Spectroscopie d'absorption

Cavité haute finesse

Balayage rapide du laser

Balayage de modes de cavité

Résumé

Le développement de nouveaux outils de diagnostic optique est nécessaire pour analyser de manière plus rapide et plus sensible les écoulements réactifs transitoires. La Cavity Ring Down Spectroscopy en régime continu (cw-CRDS) présente un fort potentiel pour répondre à ces attentes. Les dispositifs actuels sont toutefois assez complexes et offrent des cadences d'acquisition limitées. L'objectif de cette étude est de développer une cw-CRDS plus rapide et plus simple, adaptée à la métrologie des écoulements transitoires produits dans des installations de type soufflerie ou chambre de combustion. Le schéma de cw-CRDS proposé repose sur l'injection de la cavité au cours d'un balayage rapide et continu de la fréquence du laser, sans extinction optique et sans moyenne des signaux. Après avoir modélisé les événements de Ring Down obtenus par passage en résonance du laser, la technique est validée expérimentalement en enregistrant des profils de raie d'absorption du dioxygène autour de 766. 7 nm en moins de 2 ms. Les résultats de l'implantation de la CRDS rapide en soufflerie hypersonique sont également présentés. Ensuite, nous étudions une nouvelle approche destinée à augmenter la résolution spectrale du dispositif. La méthode repose sur l'utilisation d'un balayage simultané du laser et de la cavité. Les gains en résolution accessibles sont évalués théoriquement puis expérimentalement. Finalement, nous explorons la faisabilité de mesures locales par cw-CRDS rapide, en vue de la caractérisation de milieux inhomogènes.

The development of new optical sensing tools is needed to perform faster and more sensitive analysis of transient reactive flows. Continuous wave Cavity Ring Down Spectroscopy (cw-CRDS) offers a great potential to fulfil these requirements. The current devices exhibit high sensitivity, in spite of a relative complexity and limited acquisition rates. The aim of this study is thus to develop a faster and simpler cw-CRDS scheme, in order to use the technique for the metrology of transient flows produced in research or industrial installations (wind tunnels, combustion systems, exhaust ducts). The cw-CRDS design which is proposed is based on the cavity injection during a rapid and continuous tuning of the laser frequency, without any optical switch or averaging procedures of the signals. After simulating the Ring Down events that are obtained during a pass of the laser through resonance, our strategy is validated by recording experimental O2 absorption line profiles near 766. 7 nm. A 1. 1 10-9-cm-1-Hz-1/2 detection limit is obtained. The results of the integration of fast cw-CRDS in hypersonic wind tunnels are also shown. Then, we present a new approach to increase the spectral resolution of fast cw-CRDS and obtain well-defined absorption line profiles at low pressure. The method employs a simultaneous sweep of the laser and the cavity. The obtainable gains are evaluated theoretically and experimentally. Finally, we explore the potential application of fast cw-CRDS to make local measurements and characterize inhomogeneous media.