Développements de sources infrarouges et de résonateurs en quartz pour la spectroscopie photoacoustique

Development of infrared sources and quartz resonators for photoacoustic spectroscopy

• Auteur / Autrice : Guillaume Aoust
• Direction : Michel Lefebvre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, optoélectronique, microondes
• Date : Soutenance le 13/10/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département de Mesures Physiques - Palaiseau - ONERA - The French Aerospace Lab - ONERA - The French Aerospace Lab / Palaiseau
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Jury : Président / Présidente : François Hache
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Lefebvre, Aurore Vicet, Federico Capasso
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claude Fabre, Isabelle Dufour Dabadie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à cascade quantique

Oscillateurs

Spectroscopie optoacoustique

Mots clés libres

Spectroscopie

Photoacoustique

Résonateurs mécaniques

Oscillateurs Paramétrique Optiques

Lasers à Cascade Quantique

Facteur de qualité

Spectroscopy

Photoacoustic

Mechanical resonators

Optical Parametric Oscillators

Quantum Cascade Lasers

Résumé

La spectrométrie photoacoustique QEPAS constitue l’une des méthodes les plussensibles pour la détection de gaz à l’état de traces. Ses performances sont étroitement liées àcelles de sa source de lumière infrarouge cohérente et de son résonateur mécanique qui détecteles ondes acoustiques. La thèse a pour objectif de développer ces deux briques élémentaires.Dans un premier temps, les performances des résonateurs mécaniques sont modélisées, permettantde mieux comprendre leur comportement. Une formule analytique originale de leurfacteur de qualité y est incorporée, permettant de prédire avec précision les pertes qu’ils subissentlorsqu’ils résonnent dans un gaz. Grâce à ces modèles, de nouveaux résonateurs optimiséssont conçus et réalisés, aboutissant à des performances améliorées. Dans un secondtemps, les sources cohérentes infrarouges QCL et OPO sont améliorées pour la photoacoustique.L’impulsion de pompe optimale pour un OPO est présentée pour distribuer au mieuxl’énergie de pompe disponible dans le temps, et ainsi maximiser le rendement de rayonnementinfrarouge disponible. Un logiciel de simulation numérique original des OPOs est égalementcréé, et permet de simuler rapidement le spectre d’émission d’un OPO quelconque.

Infrared photoacoustic spectrometry QEPAS is one of the most sensitive techniquefor trace gas sensing. The goal of the thesis is to improve the two key elements of the instrument: the mechanical resonator and the coherent infrared light source.First, the use of resonators as an acoustic waves sensor is investigated, allowing to better understandtheir behavior. Our modeling include a new analytical formula of their quality factor,predicting the amount of losses they experience when immersed within a gaz. The models areused to design and fabricate new custom resonators, leading to enhanced performances. Second,two infrared sources named QCL and OPO are optimized for the photoacoustic application.The optimal pump pulse for an OPO is derived to efficiently distribute the available pumpenergy in time, hence maximizing the yield of infrared light. A simulation software has alsobeen created for OPOs, able to quickly predict the spectrum of any type of OPO.