C.2. Potentiel de la solution technologique retenue pour
C.2.7. Démonstration du potentiel tri-espèces de l'émetteur
Afin de démontrer le potentiel de l'émetteur pour le suivi de gaz atmosphérique en vue d'une utilisation pour des mesures DiAL, des mesures de transmission en cellule pour le méthane et le dioxyde de carbone ont été réalisées.
La Figure 84(a) représente le schéma de principe de la mesure de transmission en cellule pour le dioxyde de carbone. A l'aide d'une lame en CaF2, quelques µJ de l'onde signal sont prélevées et injectées dans une fibre monomode (SMF28). Cette fibre est dirigée vers un coupleur 25/75 à 2 µm. Une des deux sorties du coupleur est envoyée vers une cellule de gaz fibrée et l'absorption est mesurée à l'aide d'une photodiode en InGaAs. C'est une cellule commerciale multi-passage fibrée de 80 cm de long contenant d'après les spécifications 100 % de CO2 à une pression de 200 torr (Figure 84(b)). La seconde sortie du coupleur est directement connectée à une photodiode en InGaAs fournissant un signal de référence. Ce dernier permet de corriger tir à tir la mesure de transmission des fluctuations en intensité de l'émetteur. Dans le cas de la mesure de transmission de la cellule de méthane, le principe est identique excepté que d’une part, on prélève quelques µJ sur l'onde complémentaire autour de 2,21 µm et d’autre part on utilise une cellule non fibrée de 10 cm de long remplie à 100 % en CH4 à pression atmosphérique.
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Le balayage spectral de la raie d'absorption est réalisé par un accord en fréquence par saut de mode en ajustant la position longitudinale des deux cales PZT comme cela a été présenté dans le paragraphe A.3.2. De la même manière que dans la partie C.2.3, la longueur d'onde est mesurée à l'aide du mesureur de longueur d'onde WSU 10 High Finesse après doublage de la longueur d'onde signal pour le CO2 ou de la longueur d'onde complémentaire pour le CH4.
(a)
(b)
Figure 84 : Schéma de principe de la mesure de transmission en cellule pour le dioxyde de carbone (a) et cellule de gaz fibrée multi-passages (80cm) de chez Wavelength
References (b)
La transmission au travers de la cellule correspond à l'énergie moyenne des voies de référence et de mesure moyennée sur 16 tirs. Les résultats expérimentaux obtenus pour les mesures de transmission du dioxyde de carbone et du méthane sont présentés sur les Figure 85(a) et Figure 85(b) respectivement. Dans le cas du méthane, la transmission théorique représentée en trait plein noir est calculée à partir des données spectroscopiques de la base de données HITRAN et des spécifications des cellules utilisées. La mesure expérimentale de la transmission du méthane est cohérente avec le modèle.
Par contre, si la transmission théorique pour le CO2 est calculée à partir des spécifications de la cellule, alors en comparant le modèle et les données expérimentales, une différence de transmission de 15 % est observée au sommet de la raie d'absorption. Cet écart de transmission peut s'expliquer par un vieillissement de la cellule. En effet, une hausse de la pression dans la cellule conduit ainsi à une dilution du dioxyde de carbone par l’air atmosphérique. Pour tester cette hypothèse, la transmission de la cellule a été calculée pour une quantité de CO2 diluée à 80 % dans une cellule d'une pression de 250 Torr. Ce nouveau modèle ainsi que les données expérimentales pour la mesure de transmission du dioxyde de carbone sont représentés en Figure 85(a). Les résultats expérimentaux obtenus sont cohérents avec cette quantité et cette pression de gaz dans la cellule.
En réalisant un accord en fréquence par simple translation des miroirs de cavité à température constante du cristal non linéaire du NesCOPO décrit dans la partie A.3.2, il est possible de couvrir spectralement sur l'onde signal jusqu'à 60 GHz permettant de décrire totalement la raie d'absorption R30 du CO2 à 2050,97 nm comme illustré sur la Figure 85(a).
La plage spectrale de l'émetteur disponible permet de mesurer le sommet ou les ailes des différentes raies d'absorption. Cette agilité en fréquence nous permet donc de choisir la ou les longueur(s) d'onde appropriée(s) au suivi des gaz à effet de serre dans le cadre d'une mesure spatiale et dans le cadre d'une mesure DiAL au sol.
InGaAs
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Figure 85 : Transmissions simulée (ligne pleine) et mesurée (points) de la cellule de gaz fibrée contenant du CO2 (Mélange CO2 80% et N2 20% à 250 Torr) (a) et de la cellule
massive contenant du méthane (100 % CH4 à pression atmosphérique) (b).
Par contre, il n'a pas été possible de réaliser une mesure de la transmission de la vapeur d'eau en cellule. En effet, à concentration atmosphérique, la faible section efficace d'absorption de la vapeur d'eau à 2056 nm conduit à une absorption de l'ordre de 3 % correspondant au bruit de mesure présent sur la ligne de base.
Dans le cadre des applications spatiales, les performances obtenues en termes de niveau d'énergie, de qualité spectrale et spatiale sont particulièrement intéressantes en comparaison des spécifications émetteur demandées [Ehret - 2008]. Une démonstration du potentiel tri-espèces de l'émetteur a été réalisé en cellule sur les deux principaux gaz à effet de serre. Les caractéristiques de cet émetteur sont suffisantes pour implémenter l’émetteur dans un instrument DiAL pour la mesure de concentration en gaz à effet de serre (CO2, CH4
et H2O) depuis le sol ou aéroporté. En vue de son utilisation dans un instrument LIDAR, des outils de simulation ont été développés afin d'estimer les performances de cet instrument.
Ces outils sont présentés dans le paragraphe suivant.
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