Synthèse

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A.3. Les apports de l'optique non linéaire pour le développement de

A.3.3. Synthèse

Dans le cadre du développement d’émetteurs et de leur intégration dans des instruments pour la détection de gaz par mesure DiAL ou IP-DiAL, le NesCOPO est donc une brique technologique qui présente plusieurs intérêts notables. En effet, cette source présente de nombreux avantages pour une intégration dans un instrument LIDAR :

les seuils d’oscillations obtenus sont très bas permettant l'utilisation de laser de pompe de faible énergie et donc de faible encombrement et ainsi le développement de systèmes très compacts ;

l’émission est de grande pureté spectrale : une émission monofréquence est possible, permettant une bonne sélectivité entre espèces ;

l’émission est accordable sur une très large bande spectrale conduisant à la possibilité d'une détection multi-espèces avec un unique émetteur ;

des schémas d’accord en longueur d’onde spécifiques à l’utilisation de deux cavités optiques imbriquées sont possibles qui permettent d'envisager des stratégies de mesures variées selon les besoins associés au système de détection.

la possibilité d'utiliser les deux ondes signal et complémentaire pour réaliser des mesures lidar sur deux gammes spectrales simultanément.

Au cours de cette thèse, j'ai été amenée à mettre en œuvre cette brique technologique pour répondre aux besoins de deux familles applicatives à travers :

(1) Un premier instrument dédié au suivi de concentration de gaz pour des applications industrielles. L'utilisation du NesCOPO permet de disposer d'un émetteur compact et multi-espèces. Cet émetteur est intégré dans un instrument permettant d'effectuer des mesures IP-DiAL avec une portée de l’ordre de 100 m. La gamme spectrale accessible de cet instrument est comprise entre 3,3 et 3,7 µm. Elle permet de sonder de nombreux polluants industriels comme les COVs (l'acétone, le propylène ...), le dioxyde d'azote (NO2) et certains gaz à effet de serre comme le méthane ou la vapeur d'eau. Ces développements sont détaillés dan le chapitre B de ce manuscrit.

(2) Un second instrument dédié au suivi des concentrations de gaz à effet de serre, multi-espèces dont le but est de répondre aux besoins des applications spatiales. La possibilité de réaliser un instrument tri-espèces (CO2, CH4, H2O) autour de 2 µm, une des gammes de longueurs d'onde adaptées aux applications LIDAR depuis l'espace, à partir d’une seule architecture est démontrée. L'objectif de ce travail est de montrer le potentiel de l’architecture émetteur retenue pour cette application. Ces développements sont détaillés dans le chapitre C de ce manuscrit.

Il s’agit à présent, de décrire les développements instrumentaux menés au cours de cette thèse, pour le développement des deux instruments décrits ci-dessus.

Chapitre B : Développement d’un banc LIDAR moyenne portée (100 m) dans la gamme 3,3 – 3,7 µm

Objectif du chapitre :

Le développement et la caractérisation d’un instrument de mesure IP-DiAL multi-longueurs d’onde et multi-espèces sont décrits dans cette partie du manuscrit avec également la réalisation de mesure de spectre multi-espèces.

Ensuite, une analyse critique des performances de l'instrument est réalisée.

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Introduction

Comme nous l'avons vu, la détection d'espèces chimiques en faibles concentration dans l'atmosphère comme les gaz à effet de serre (H2O, CO2, CH4 ...) ou les polluants industriels comme les composés organiques volatiles (COVs) ou les NOx est un enjeu pour de nombreuses applications : certaines liées à la sécurité ou au contrôle environnemental et d'autres encore liées au contrôle des fuites ou à la détection de contamination par les usines.

Pour répondre à la problématique du suivi de concentration des gaz à effet de serre et des émissions de polluants industriels, plusieurs instruments sont opérationnels (cf. paragraphe le suivi des polluants industriels ; dans l'introduction générale). Cependant, ces instruments LIDARs présentent plusieurs inconvénients. Pour adresser plusieurs espèces, ces émetteurs sont généralement basés sur des systèmes complexes multi-émetteurs ou sur des émetteurs multi-injecteurs, rendant l'instrument LIDAR encombrant et complexe. Dans cette partie, nous nous proposons de développer un instrument LIDAR de mesure intégrée colonne compact, multi-longueurs d'onde et multi-espèces pouvant adresser les polluants et gaz à effet de serre. Les spécifications recherchées sont résumées dans le Tableau 5.

Méthode de mesure Mesure intégrée colonne (IP-DiAL)

Portée souhaitée > 100 m Tableau 5 : Spécifications de l'instrument LIDAR

Pour les développements instrumentaux présentés dans cette partie, la démarche entreprise pendant la thèse est la suivante :

 nous nous appuyons sur les essais LIDAR faits au cours de la thèse de B. Hardy sur le CO2 uniquement à partir d'un NesCOPO sur de courtes portées allant de 10 m à 30 m pour réaliser un instrument LIDAR IP-DiAL [Hardy - 2012] ;

 cependant, plusieurs axes d'approfondissement sont étudiés pour le développement de cet instrument au cours de la thèse :

 l'extension de la portée à une gamme supérieure c'est-à-dire atteindre des portées de l'ordre de la centaine de mètre tout en ayant un instrument transportable ;

 sonder une autre gamme spectrale comprise entre 3,3 et 3,8 µm permettant de sonder l'ensemble des espèces gazeuses listées dans le Tableau 5 présentant une section efficace d'absorption adaptée à la mesure lidar dans cette gamme spectrale ;

 la réalisation d'un instrument multi-espèces ;

 l'analyse approfondie des performances de mesure par l'analyse des bruits et de la sensibilité.

 pour finir, j'ai effectué de premières mesures LIDAR IP-DiAL multi-espèces sur le méthane et la vapeur d'eau atmosphériques.

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Afin de démontrer le potentiel de l'instrument LIDAR, nous choisissons de réaliser les mesures de concentration sur des espèces facilement adressables c'est-à-dire présentes naturellement dans l'atmosphère : le méthane et la vapeur d'eau. Pour cela, nous réalisons les mesures de concentration autour de 3,3 µm car l'épaisseur optique associée au méthane atmosphérique est adaptée à la mesure LIDAR sur des portées de quelques dizaines de mètres.

Ainsi, les travaux réalisés pour cet instrument LIDAR sont décrits ci-après :

 l’émetteur est décrit en partie B.1.2 et B.1.3 ;

 l'instrument est présenté en partie B.1.4 ;

 la réalisation de mesures sur le méthane et la vapeur d'eau atmosphérique pour une portée de 30 m est présentée en partie B.1.5;

 l'analyse des performances et la proposition de perspectives.

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B.1. Développement et caractérisation d’un instrument

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