LCQ à grande longueur d'onde pour la détection de BTEX et de Propane par QEPAS

Long Wavelength QCLs for BTEX and Propane detection through QEPAS

• Auteur / Autrice : Kumar Kinjalk
• Direction : Alexeï Baranov, Angelo Sampaolo
• 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
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marco Genovese, Anna Maria Coclite
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guilhem Almuneau, Marco Andrea marangoni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie

Détecteurs de gaz

Lasers à cascade quantique

Mots clés libres

Lasers à cascade quantique

Qepas

Détection de gaz

Btex

InAs/AlSb LCQ

Spectroscopie

Quantum Cascade Lasers

Qepas

Trace Gas Sensing

Btex

InAs/AlSb QCLs

Spectrosocpy

Résumé

La détection sensible et sélective des BTEX et du propane présente un grand intérêt pour les applications environnementales, biomédicales et pétrochimiques. Cependant, la détection de ces composés est compliquée à cause des interférences potentielles, soit entre eux, soit avec d'autres composés. Ce problème peut être résolu par la spectroscopie laser à de grandes longueurs d'onde (13-15 µm), où ils présentent des caractéristiques d'absorption très discriminantes. Pourtant, cette gamme spectrale est pratiquement inexplorée en raison du manque de sources appropriées. Cette thèse vise à combler cette lacune en développant des LCQ émettant à des grandes longueurs d'onde élevées et en exploitant le QEPAS pour une détection ultra-sensible et sélective.Un nouveau design est proposé pour améliorer les performances des LCQ à base d'InAs de grande longueurs d'onde. Cette conception nous a permis de démontrer une densité de courant de seuil record de 0,6 kA/cm2 à 300 K. En outre, une nouvelle technique d'isolation utilisant le SOG est également proposée pour améliorer les problèmes de stabilité du dispositif provoqués par l'altération des propriétés de l'isolation de la résine photosensible (généralement utilisée pour les QCL à base d'InAs) à des températures élevées. Par la suite, des QCL DFB monomodes avec un SMSR > 20 dB et une puissance de sortie optique de l'ordre du mW ont été développé, ciblant les lignes d'absorption de ces gaz. En utilisant ces lasers, un système de détection basé sur le QEPAS a été développé, calibré et caractérisé pour la détection du toluène, du benzène et du propane. Des limites de détection exceptionnellement basses de 113 ppb, 3 ppb et 3 ppm sont atteintes dans une matrice d'azote pur sur un temps d'intégration de 10 secondes. Le système conserve sa sélectivité et sa robustesse, même dans des mélanges de gaz complexes. Enfin, une QCL de 13,71 µm est couplée avec succès à un HCW, où les conditions optimales de couplage, la qualité du faisceau et la perte sont explorées. L'étude confirme la transmission efficace d'une telle longueur d'onde à travers le HCW avec une perte minimale et une qualité de faisceau spatial améliorée.

Sensitive and selective sensing of BTEX and Propane is of great interest for environmental, biomedical, and petrochemical applications. However, detecting these compounds poses unique challenges due to potential interferences, either among themselves or from other compounds. This issue can be resolved by using laser spectroscopy in the long-wavelength mid-infrared spectral region (13-15 µm), where they exhibit highly discriminating absorption features. Yet, this wavelength range is almost unexplored due to the lack of suitable sources. This thesis aims to bridge this gap by developing high-performing long-wavelength QCLs and leveraging QEPAS for ultra-sensitive and selective detection.A novel design is proposed to improve the performance of long-wavelength InAs-based QCLs, which allowed us to demonstrate a record-breaking low threshold current density of 0.6 kA/cm2 at 300 K. Additionally, a novel insulation technique using SOG is also proposed to improve device stability issues provoked by the alteration of properties of photoresist insulation (typically used for InAs-based QCLs) at elevated temperatures. Subsequently, single-frequency DFB QCLs with SMSR > 20 dB and optical output power in the mW range operating in the continuous wave regime are developed, targeting the absorption lines of these gasses. Using these DFBs, a sensing system based on QEPAS is developed, calibrated, and characterized for Toluene, Benzene, and Propane detection. Exceptionally low detection limits of 113 ppb, 3 ppb, and 3 ppm are achieved in a pure nitrogen matrix over a 10-second integration time. The system maintains selectivity and robustness, even in complex gas mixtures. Finally, a 13.71 µm QCL is successfully coupled with a HCW, where optimal coupling conditions, beam quality, and loss are explored. The study confirms the efficient transmission of such wavelength through HCW with minimal loss and improved spatial beam quality.