Thèse soutenue

Capteur QEPAS compacts à diodes laser pour applications environnementales

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Auteur / Autrice : Elena Kniazeva
Direction : Aurore VicetVincenzo Spagnolo
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Électronique
Date : Soutenance le 13/12/2023
Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....) en cotutelle avec Università degli Studi di Bari Aldo Moro (Bari, Italie)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
Jury : Président / Présidente : Roberto Li Voti
Examinateurs / Examinatrices : Marco Genovese, Guilhem Almuneau, Anna Maria Coclite
Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Gauthier-Lafaye, Weidong Chen

Résumé

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Le monde moderne s'appuie fortement sur les données collectées par une myriade de capteurs, les technologies de détection de gaz jouant un rôle central dans de nombreuses applications critiques, allant de la surveillance environnementale à la sûreté, à la sécurité, à l'exploration pétrolière et gazière et à l'analyse biomédicale. Ces technologies sont chargées de détecter divers gaz, sur un large spectre de concentrations, tout en offrant des capacités in situ en temps réel, une identification et une quantification précises des gaz.Le marché en plein essor des capteurs de gaz propose diverses solutions classées en méthodes non optiques et optiques. La première comprend la chromatographie, la spectroscopie des semi-conducteurs et la spectroscopie électrochimique, tandis que la seconde englobe des techniques d'absorption directe telles que la spectroscopie à diode accordable et des méthodes indirectes telles que la spectroscopie photoacoustique améliorée par quartz (QEPAS). La spectroscopie photoacoustique améliorée par quartz (QEPAS) fonctionne sur le principe de la spectroscopie d'absorption indirecte via l'effet photoacoustique. Dans cette technique, un diapason à quartz (QTF) sert de transducteur, convertissant les ondes acoustiques en signaux électriques. La source de lumière, généralement un laser émettant à une longueur d'onde spécifique, est absorbée par l'échantillon de gaz. Les molécules excitées subissent des processus non radiatifs, provoquant un échauffement localisé et une augmentation correspondante de la pression dans le gaz. Si l'intensité de la source lumineuse est modulée, il en résulte une génération périodique d'énergie thermique et l'émergence d'une onde de pression, c'est-à-dire une onde sonore, avec la même fréquence de modulation. Le quartz, étant piézoélectrique, génère des charges électriques proportionnelles à l'intensité de l'onde sonore lorsque celle-ci induit une vibration antisymétrique dans le plan QTF. Le QTF est souvent couplé à un micro-résonateur, tel qu'un résonateur à tuyaux d'orgue à un ou deux tubes, pour sonder l'onde sonore.La source laser est un élément essentiel de la configuration QEPAS, déterminant la molécule de gaz ciblée en fonction de sa longueur d'onde émise. Les principales propriétés de la source laser incluent la puissance (directement proportionnelle au signal QEPAS), la largeur de la ligne laser et l'accordabilité. Les lasers à diode sont privilégiés pour leur compacité et leur capacité à régler la longueur d'onde d'émission en faisant varier la température et le courant. Les lasers à diodes à rétroaction distribuée (DFB-LD) sont particulièrement utiles pour la détection de gaz en raison de l'introduction d'un élément périodique (réseau) dans la structure permettant un fonctionnement monomode. Ce réseau forme un réseau d'interférence unidimensionnel (diffusion de Bragg) qui fournit un retour optique au laser. Les DFB-LD sont connus pour leur grande stabilité de longueur d'onde et leur largeur de raie étroite, ce qui les rend adaptés à un fonctionnement monomode propre. Leur lumière laser correspond précisément aux raies d’absorption des gaz, avec des largeurs de raies d’oscillation plus étroites que les raies d’absorption.L'objectif principal de ce travail est de concevoir et de réaliser des sources personnalisées pour QEPAS, en particulier des diodes laser DFB à base de GaSb avec le réseau positionné au sommet de la crête laser, émettant à 2,4 µm. Pour améliorer le couplage entre le mode laser et le réseau, l'objectif était de réduire l'épaisseur des couches de structure laser, y compris la gaine supérieure et les couches de contact supérieures.En résumé, cette thèse s'est concentrée sur le développement de capteurs QEPAS compacts et sensibles pour la détection de gaz toxiques et sur le développement de nouvelles diodes laser DFB personnalisées pour de telles applications.