Voici une offre de thèse financée, transmise par Virginie Zeninari (Reims)

Financement : ½ Allocation DGA + ½ Allocation Région Champagne-Ardenne
Envoyer rapidement CV détaillé et lettre de motivation à V. ZENINARI

La spectrométrie infrarouge permet l’étude des gaz, notamment des gaz atmosphériques. La spectrométrie par
lasers accordables permet la réalisation d’instruments compacts et bénéficiant de performances élevées
(sélectivité, résolvance et résolution temporelle élevées). L’utilisation de lasers cascade quantique permet
d’accéder au moyen infrarouge, où les raies d’absorption des molécules d’intérêt sont plus intenses, ce qui
améliore la sensibilité des dispositifs. L’équipe « Spectrométrie Laser et Applications » du GSMA (www.univ-reims.
fr/GSMA/SLA) développe depuis de nombreuses années des spectromètres laser infrarouge pour la
détection de gaz atmosphériques basés sur différentes techniques. Les senseurs de gaz développés ont permis de
développer la détection de gaz atmosphériques d’intérêt tels que l’ozone, le dioxyde de carbone, le méthane, le
protoxyde d’azote, les trois derniers étant de plus des gaz à effet de serre. Par ailleurs, les travaux développés ont
mené à la création de la start-up Aerovia (www.aerovia.fr) qui développe aujourd’hui des senseurs de gaz basés
sur les technologies issues de notre équipe. Pour aller plus loin dans les caractéristiques de ces dispositifs, il
existe des techniques dites « intracavité ». Ces techniques, bien connues dans le proche infrarouge, ont montré
tout leur intérêt. De par ses compétences en laser moyen infrarouge, l’équipe SLA du GSMA se propose, dans le
cadre de cette thèse, de développer ces techniques en utilisant des composants à cascade quantique afin
d’améliorer encore les caractéristiques des spectromètres précédemment développés, en particulier en terme de
limite de détection et de sensibilité des dispositifs.
La technique standard consiste à envoyer le rayonnement laser à l’intérieur d’une cellule contenant le gaz à
analyser. Pour augmenter la sensibilité, on utilise généralement des techniques multipassages permettant de
générer une longueur d’interaction entre le laser et le gaz jusqu’à une centaine de mètres. La technique dite
« intracavité » consiste à mettre la cellule contenant le gaz à analyser à l’intérieur de la cavité laser. Cette façon de
fonctionner change radicalement le fonctionnement du système. Quand le laser est allumé, il commence à osciller
simultanément sur de nombreux modes du résonateur. C’est seulement après plusieurs allers-retours dans la
cavité résonnante que le spectre optique de la lumière générée va se concentrer fortement sur la région spectrale
avec le gain le plus grand. Pendant cette évolution, les faibles absorptions de l’échantillon gazeux peuvent
imprimer leurs signatures sur le spectre car elles influencent celui-ci durant de nombreux allers-retours. La mesure
du spectre se fait un certain temps après l’allumage du laser. Ce temps doit être suffisamment long pour permettre
aux caractéristiques spectrales de se développer mais également suffisamment court pour éviter un trop fort
rétrécissement du spectre total, à cause de sa largeur de gain finie. Avec un montage optimisé avec soin, la
spectroscopie d’absorption intracavité permet des longueurs de parcours effectives de plusieurs dizaines de
kilomètres et avec la même très haute résolution spectrale que les techniques laser standards. Si l’on compare
avec les centaines de mètres accessibles avec une technique multi-passages traditionnelle, on constate que l’on
obtient un gain potentiel de 2 à 3 ordres de grandeur sur la limite de sensibilité des dispositifs, permettant
d’accéder très facilement aux isotopes de molécules d’intérêt atmosphérique ou aux molécules de gaz dangereux
se trouvant en infime concentration dans l’atmosphère.
La première étape du travail de thèse consistera en la prise en main d’un dispositif précédemment développé qui
avait permis de développer une source laser moyen infrarouge largement accordable à base de laser à cascade
quantique monté en cavité étendue. Dans ce type de système, le « laser » n’est plus uniquement la partie « QCL »
(pour Quantum Cascade Laser, laser à cascade quantique) mais est constitué par la face arrière du composant à
cascade quantique et le réseau de diffraction placé dans l’air. Dans un deuxième temps, le doctorant développera
un système de cuve qui pourra être inséré dans le dispositif précédemment réalisé, entre la lentille et le réseau de
diffraction, c’est à dire à l’intérieur de la cavité laser étendue. Par ailleurs, un travail de simulation des résultats à
obtenir sera développé afin d’anticiper les caractéristiques du dispositif. Enfin, dans un troisième temps, on
s’attachera à démontrer l’amélioration de la détection de gaz par l’utilisation de ce dispositif. Les caractéristiques
du senseur seront mesurées à la fois en terme de limite de détection sur de très faibles concentrations de gaz,
mais également en terme de rapidité. Différentes puces lasers déjà en notre possession seront testées. Les gaz à
détecter seront typiquement des gaz d’intérêt atmosphériques tels que le méthane (vers 8 μm), mais également
des molécules telles que l’acétone dont le spectre d’absorption est similaire à des molécules toxiques et qui
permettent de valider la détection de ces composés qui sont d’intérêt pour la direction générale de l’armement
(DGA, co-financeur de ce travail).