Backward OPO : source paramétrique sans cavité et application à la méthode lidar à absorption différentielle

Backward Optical Parametric Sources for future greenhouse gases sensing lidar

• Auteur / Autrice : Antoine Zheng
• Direction : Antoine Godard
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA/DPHY Physique, Instrumentation, Environnement, Espace
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Quasi-accord de phase

Spectrométrie

Optique non linéaire

Lidar

Laser

Lidar

Laser

Spectrometry

Quasi-phase matching

Nonlinear optics

Résumé

Un des défis actuels de la surveillance des émissions de gaz à effet de serre (CH4, CO2) concerne leur mesure depuis l'espace afin de suivre leur évolution dans le temps à l'échelle globale. Par ailleurs, la mesurerésolue en distance dans la direction verticale de la vapeur d'eau et de son isotope HDO présente également un intérêt pour la modélisation du climat et la prévision météorologique. Dans un tel contexte, il est essentiel de disposer d'instruments effectuant des mesures de manière résolue dans la colonne d'air. Le lidar à absorption différentielle (DiAL) est une technologie qui peut répondre à ces besoins applicatifs. La méthode DiAL repose sur la combinaison d'une source laser de forte puissance accordable en longueur d'onde et d'un système de réception (télescope) de grande sensibilité afin de sonder l'atmosphère le long de la ligne de visée. Pour cela, les sources paramétriques (OPO, OPA) présentent certains avantages tels queleur large accordabilité, permettant d'adresser les raies d'absorption des gaz d'intérêt. Depuis une dizaine d'années, l'équipe DPHY/SLM de l'ONERA développe ainsi des sources paramétriques et les intègre dans la perspective de campagnes de mesures DiAL, en lien avec les physiciens de l'atmosphère. Afin d'aller vers des sources plus robustes, stables, et par conséquent des instruments plus facilement déployables sur le terrain, une nouvelle approche de source OPO, dit backwardOPO, basée sur une technologie de cristaux non linéaire permettant une oscillation paramétrique sans cavité optique, semble très prometteuse.Le sujet de thèse porte ainsi sur l'étude d'une source paramétrique à OPO backward (BWOPO), selon deux aspects : i) un aspect classique de réalisation d'une source BWOPO énergétique et son intégration dans la perspective de réalisation de mesures DiAL, ii) un aspect plus prospectif lié à la caractérisation des propriétés quantiques des photons émis par une source BWOPO, afin d'initier une réflexion sur l'apport de ces sources pour de futurs capteurs quantiques. Cette thèse repose sur une collaboration avec l'Institut Royal de Technologiede Stockholm (KTH) pour la réalisation des cristaux non linéaires.

Differential absorption lidar (DIAL) instruments require coherent sources emitting specific infrared wavelengths. For climate studies, DIAL ground instruments could provide spatially resolved gas concentration data at the local scale in complementarity with existing sensor networks. Furthermore, future DIAL space missions could offer global data with unprecedented resolution and sensitivity. Parametric sources are well suited for DIAL instruments thanks to their tunability. However, to obtain the spectral purity and stability required, complex solutions implying multiple injection devices or complex parametric oscillator cavities have to be implemented, limiting the use of DIAL to laboratories. Thanks to its properties, backward phase matching (BWPM) has the potential to provide a real breakthrough in terms of instrument simplicity, source spectral purity and efficiency, and thus DIAL instrument sensitivity. The PhD study will aims at developing innovative parametric sources, based on BWPM in periodically poled nonlinear materials, for future lidar instruments, and implement the within existing DIAL instruments.