Source paramétrique infrarouge agile en longueur d'onde pour la détection à distance de substances chimiques

Wavelength-agile infrared parametric source for standoff detection of chemicals

• Auteur / Autrice : Quentin Berthomé
• Direction : Antoine Godard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 25/03/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Physique, Instrumentation, Environnement, Espace (DPHY)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Teem Photonics (Meylan)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Georges
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Camy, Olivier Musset, Christelle Kieleck, Basile Faure
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrice Camy, Olivier Musset

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lidar

Oscillateurs

Optique non linéaire

Lasers à infrarouges

Réseau de Bragg

Lasers accordables

Mots clés libres

Laser accordable

VBG

Infrarouge moyen et lointain

Optique non linéaire

OPO

Lidar

Tunable laser

VBG

Midwave and longwave infrared

Non-linear optics

OPO

Lidar

Résumé

La spectrométrie d’absorption lidar constitue une solution éprouvée pour la détection à distance d’espèces chimiques gazeuses. Pour cette application, la troisième bande de transparence de l’atmosphère (bande III), entre 8 et 12 µm, est idéale car elle contient des raies d’absorptions caractéristiques de nombreuses espèces notamment les gaz de combat et les gaz industriels toxiques. Toutefois, la réalisation d’une source cohérente impulsionnelle très largement accordable dans toute la bande 8 – 12 µm avec un spectre étroit est un défi qui n’a été que partiellement relevé. Ce travail de thèse propose de démontrer comment réaliser une telle source bande III en s’appuyant sur des travaux antérieurs. L’oscillateur maitre est un oscillateur paramétrique optique à cavités imbriquées (NesCOPO) avec un cristal d’OP-GaAs. Il est pompé par un laser Tm:YAP de pompe à 2 µm déclenché activement, et rendu accordable en longueur d’onde grâce à un réseau de Bragg en volume à pas transversalement variable. Un important effort de conception et de simulation est fourni pour garantir le fonctionnement monomode longitudinal du laser de pompe tout en maintenant sa cadence, sa puissance crête et son accordabilité. Enfin, grâce à cette source et à un dispositif de mesure en longueur d’onde par SFG entre la pompe et le signal adapté pour la mesure entre 8 et 12 µm, nous montrons expérimentalement que l’accord de la longueur d’onde de sortie d’un NesCOPO en faisant varier celle du laser de pompe est plus large et plus rapide que celui obtenu en faisant varier la température du cristal non linéaire du NesCOPO.

Lidar absorption spectrometry is a powerful solution for remote gas detection. For this purpose, longwave infrared between 8 and 12 µm is ideal as it covers characteristic absorption bands of many gases including chemical warfare agents and toxic industrial chemicals. However, the challenge of a pulsed narrow-spectrum broadly tunable in the 8 to 12 µm range has only be partially solved. This thesis aims to demonstrate how to make such a laser source basing on previous works. The master oscillator is a nested cavity optical parametric oscillator (NesCOPO) with an OP-GaAs crystal. It is pumped with an actively Q-switched 2 µm Tm:YAP laser which has been made wavelength tunable with a transversally chirped volume Bragg grating. Important design and simulation works are made to ensure single longitudinal mode operation of the pump laser while maintaining its repetition rate and peak power and wavelength tunability. Finally, with this laser and a wavelength measurement system using pump/signal SFG to perform measurements in the 8 to 12 µm range, we experimentally show that wavelength tunability of a NesCOPO is wider and faster through pump wavelength tunning than through NesCOPO non-linear crystal temperature tunning.