Nouveaux Développements en Interférométrie Photothermique et Lasers à Cascade Quantique à Grande Longueur d'Onde pour la Détection de Gaz

Novel Developments in Photothermal Interferometry and Long-Wavelength Quantum Cascade Lasers for Gas Sensing

• Auteur / Autrice : Davide Pinto
• Direction : Alexeï Baranov, Bernhard Lendl
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 25/06/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....) en cotutelle avec Technische Universität Wien
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Information, Structures, Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Faist
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ulrike Willer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs de gaz

Spectroscopie optothermique

Mots clés libres

Spectroscopie photothermique

Détection de gaz

Laser à cascade quantique

Photothermal Spectroscopy

Gas sensing

Quantum Cascade Lasers

Résumé

La détection des gaz à très faibles concentrations est indispensable dans divers domaines, de l'industrie à la biologie. L'amélioration continue des capteurs de gaz est essentielle pour répondre aux diverses exigences des applications. Les capteurs optiques se distinguent par leur précision et la réaction rapide. Parmi ceux-ci, les capteurs laser offrent une sensibilité et une sélectivité sans précédent. Au cours de ces dernières décennies, la technologie du laser à cascade quantique (QCL) a démontré des progrès significatifs, très attractifs pour la spectroscopie.Cette thèse présente les avancées sur la spectroscopie photo-thermique et des sources QCL. La première partie du travail est consacrée à l'interférométrie photo-thermique, une méthode dans laquelle les effets thermiques, photoinduits dans l'échantillon par la source d'excitation, sont détectés avec une lecture interférométrique d'un laser sonde. Cette approche offre une possibilité d’utiliser de faibles volumes de détection et une sensibilité élevée, proportionnelle à la puissance de la source d'excitation. Un élément clé de cette technique est un interféromètre Fabry-Pérot (FPI), qui offre une compacité, en raison de l'espacement étroit des miroirs, et une sensibilité élevée. Pour les scénarios réels, deux conditions fondamentales doivent être remplies: un recouvrement spatial des faisceaux de la sonde et d'excitation, entre les miroirs du FPI, et l'ajustement de la fréquence du laser de la sonde à la frange interférométrique. Une diode laser (DL) a été choisie comme sonde, en raison de son accordabilité efficace par le courant et de son faible cout.Un modèle pour les propriétés de transduction d'un DL couplé au FPI en présence d'excitation de l'échantillon a été développé. Le modèle concordait avec les résultats expérimentaux, obtenus sur la détection de l'oxyde nitrique. Un nouveau schéma de normalisation et une nouvelle méthode de verrouillage ont été mis au point pour une lecture stable du signal, compensant les dérives du système en auto-référenciant la mesure à la qualité de la cavité FP. Des limites de détection de quelques ppm ont été atteintes, conduisant à des absorptions équivalentes de bruit normalisées de l'ordre de -10-6 W cm-1 Hz-1/2.La deuxième partie du manuscrit est consacrée à la technologie QCL à grande longueur d'onde (LW), basée sur le système de matériaux InAs/AlSb. La gamme spectrale choisie (λ > 10 μm) joue un rôle central dans la détection des composés organiques visés car ils présentent de fortes absorptions entre 12,5 et 15 μm. Des QCL effilés émettant autours de 14 μm ont été fabriqués à cet effet. Le guide d'onde effilé vise à améliorer la puissance optique disponible en augmentant le volume actif tout en conservant le régime d’émission monomode spatial, une caractéristique des lasers étroites. Des lasers à ruban evasé avec des angles compris entre 0° et 3° ont été fabriqués et étudiés. Une augmentation de la puissance optique a été obtenue par rapport au dispositif à ruban étroit, jusqu'à un facteur 3 pour le plus grand angle. Le profil du faisceau a été étudiée pour évaluer son facteur de qualité. Dans la plupart des cas, un faisceau limité par la diffraction a été observé. Des revêtements diélectriques minces ont été également déposés sur les facettes des lasers pour améliorer la puissance optique découplée. Les applications spectroscopiques nécessitent généralement un fonctionnement monomode spectrale, ce qui a été démontré pour tous les dispositifs par la fabrication de réseaux de diffraction dans la couche de confinement optique supérieur des lasers. Une suppression des modes latéraux supérieur à 20 dB a été atteint, à la fois en mode pulsé et en mode continu. Enfin, le potentiel des QCL à grande longueur d'onde pour des applications spectroscopiques a été exploré dans le cadre de l'absorption classique, en combinaison avec une cellule multi-passage pour la détection du benzène, de l'acétylène et du dioxyde de carbone.

The monitoring of gaseous compounds in trace concentrations is crucial across various fields, from industry to biology. Continuous improvement of gas sensors is essential to meet diverse application requirements. Optical sensors stand out for their fast and accurate results. Among these, laser-based sensors offer unprecedented sensitivity and selectivity. Over the past few decades, quantum cascade laser (QCL) technology has demonstrated significant progress that can be exploited in spectroscopy.This thesis presents advancements in both photothermal spectroscopy and QCL sources. The first part of the work is devoted to photothermal interferometry, an indirect method in which thermal effects, photoinduced in the sample by the excitation source, are detected with an interferometric readout of a probe laser. This approach enables small sensing volumes and high sensitivity which scales with optical power of the excitation source. This work makes use of the Fabry-Pérot Interferometer (FPI), since it offers compactness, due to the close mirror spacing, and high sensitivity. For real-case scenarios, two fundamental requirements must be fulfilled: spatial overlapping of the probe and excitation beams, between the mirrors of the FPI, and frequency tuning of the probe laser to the interferometric fringe. A diode laser (DL) source has been chosen as probe, for its cost-effectiveness, swift current tuning capabilities, and mature technology in the telecom region.A model for the transduction properties of a DL coupled with the FPI in presence of sample excitation was derived. The model agreed with the experimental results, tested on the case of nitric oxide detection. A novel normalization scheme and locking method were developed for a stable signal readout, compensating for system’s drifts by self-referencing the measurement to the cavity quality. Detection limits of few parts-per-million were achieved, leading to normalized noise equivalent absorptions on the order -10-6 W cm-1 Hz-1/2.The second part of this manuscript is focused on the long-wavelength (LW) QCL technology, based on the InAs/AlSb material system. The LW regime (λ > 10 μm) plays a pivotal role for the detection of targeted organic compounds since they exhibit strong absorptions between 12.5 – 15 μm. Tapered QCLs emitting near 14 µm were fabricated for this purpose. The tapered waveguide aims at improving the available optical power by enhancing the active volume in the resonant cavity. Tapered lasers with angles between 0° and 3° were fabricated and compared in terms of optical and electrical properties. A scaling of the optical power was observed with respect to the ridge device, up to a factor of 3 for the largest taper. Far-field intensity distribution was investigated to assess the beam quality factor. In most cases, a diffraction-limited beam was observed. Thin dielectric coatings were also deposited on the laser facets to improve the outcoupled optical power. Spectroscopic applications usually require single-frequency operation, which was demonstrated for all the tapered devices by fabrication of Bragg gratings in the upper cladding. Side-mode suppression ratio above 20 dB, in both pulsed and continuous wave operation, has been achieved. Finally, the potential of long-wavelength QCLs for spectroscopic applications was explored in the context of classical absorption, in combination with a multi-pass cell for the detection of benzene, acetylene and carbon dioxide.