Etude et réalisation d'un spectromètre intégré à transformée de Fourier (SWIFTS)

par Jérôme Ferrand

Thèse de doctorat en Astrophysique et milieux dilués

Sous la direction de Etienne Le Coarer.

Soutenue en 2010

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'astrophysique de Grenoble (1979-2010) (laboratoire) .

Le président du jury était Christian Perrier.

Le jury était composé de Alain Chelli, Emmanuel Sein.

Les rapporteurs étaient Stephen Thurman Ridgway, Nicolas Guérineau.

mots clés

• Spectrométrie de Fourier
• Spectromètre intégré
• Optique intégrée
• Détection évanescente
• Swifts
• Fourier spectrometry
• Integrated spectrometer
• Integrated optics
• Evanescent detection
• Swifts
• Fourier, Spectroscopie par transformée de -- Instruments
• Optique intégrée
• Spectromètres

Résumé

En 1859 les physicien et chimiste allemands G. Kirchhoff et R. Bunsen ont découvert que chaque élément chimique dispose d'une signature spectrale unique. Suite à cela, la spectrométrie s'est imposée comme un outil d'analyse majeur y compris en astrophysique (notamment grâce à l'italien A. Secchi). Ainsi la plus grande partie des informations dont nous disposons sur les objets astrophysiques proviennent de l'analyse spectrale ; la découverte des premières planètes extra-solaires est même due à celle-ci. Depuis ses débuts, cette technique a trouvé de nombreuses applications dans des domaines aussi variés que la médecine, la détection de gaz ou encore l'étude des polluants. Dans cette thèse nous nous proposons d'étudier et de développer un nouveau type de spectromètres nommés SWIFTS (pour Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) basés sur la détection d'une onde stationnaire obtenue à l'intérieur d'un guide optique. Pour ce faire, nous utilisons une technique originale dite de " détection évanescente ". Dans cette thèse nous étudions et modélisons les performances d'un tel spectromètre notamment en utilisant une méthode matricielle et une méthode de décomposition dans le domaine de Fourier. Les premiers prototypes ont été réalisés dans les bandes I et R du système photométrique de Johnson, ces bandes ayant été choisies pour la facilité d'obtention de détecteurs et guides optiques efficaces. Étant donné les technologies disponibles, ces prototypes ne peuvent atteindre l'efficacité théorique maximale d'un SWIFTS (environ 73%) ; néanmoins elles nous ont permis de mesurer des résolutions de l'ordre du cm-1 sur un large domaine spectral (650 nm à 900 nm).

Titre traduit

Study and realization of an integrated Fourier transform spectrometer (SWIFTS)

Résumé

In 1859 the German physicist and chemist G. Kirchhoff and R. Bunsen discovered that each chemical element has a unique spectral signature. Subsequently, spectroscopy has emerged as a major tool for analysis including in astrophysics (notably thanks to the Italian A. Secchi). So most part of our information about astrophysical objects comes from spectral analysis, the discovery of the first planets outside the solar system is even due to it. Since its inception, this technique has found many applications in fields as diverse as medicine, gas detection or study of pollutants. In this thesis we propose to study and develop a new type of spectrometer named SWIFTS (for Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) based on the detection of a standing wave obtained within an optical waveguide. In order to achieve this we use a new technique called " evanescent detection ". In this thesis we study and model the performance of such a spectrometer using a matrix method and a method of decomposition in the Fourier domain. The first prototypes were made in the bands I and R of the Johnson photometric system, these bands have been selected for ease of obtaining efficient detectors and waveguides. Given the available technologies these prototypes cannot reach the maximum theoretical efficiency of a SWIFTS (about 73%), whereas they allowed us to measure resolutions of about a cm-1 over a wide spectral range (650 nm 900 nm).