Spectrométrie infrarouge et détection de gaz à l'aide de lasers à cascade quantique PDF Download
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Book Description
Ce travail de thèse, réalisé au sein du Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique (GSMA) de Reims et plus précisément dans l'équipe Spectroscopie Laser Infrarouge, est consacré à l'étude des possibilités offertes par les lasers à cascade quantique pour la détection de très faibles concentrations de gaz et pour la mesure de paramètres moléculaires. Cette thèse peut donc se diviser en trois parties : la première présente brièvement un bilan des sources infrarouges accessibles actuellement et des méthodes de détection de gaz avec ces sources ; l'intérêt des lasers à cascade quantique est souligné. La deuxième partie de cette thèse présente les méthodes de mesure de paramètres spectroscopiques avec des diodes laser ou des lasers à cascade quantique. J'ai appliqué ces méthodes à des mesures de paramètres spectroscopiques de composés d'intérêt atmosphériques : dioxyde de carbone et protoxyde d'azote. Ces mesures correspondent à des besoins réels pour l'analyse de mesures atmosphériques (dans le cas du N2O, pour les mesures de profils atmosphériques lors de campagne ballon de l'instrument SPIRALE du Laboratoire de Physique et Chimie de l' Environnement-LPCE, et dans le cas du CO2 pour vérifier des mesures LIDAR effectuées par le Laboratoire de Météorologie Dynamique-LMD de Palaiseau). Les lasers à cascade quantique ont également été utilisés pour réaliser des mesures à très haute sensibilité de gaz. Ils ont été couplés avec un détecteur photoacoustique développé au GSMA et l'optimisation de ce système a permis d'obtenir des limites de détection de l'ordre du ppb ou de la dizaine de ppb pour plusieurs composés atmosphériques : méthane, protoxyde d'azote, oxyde nitrique
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Ce travail de thèse, réalisé au sein du Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique (GSMA) de Reims et plus précisément dans l'équipe Spectroscopie Laser Infrarouge, est consacré à l'étude des possibilités offertes par les lasers à cascade quantique pour la détection de très faibles concentrations de gaz et pour la mesure de paramètres moléculaires. Cette thèse peut donc se diviser en trois parties : la première présente brièvement un bilan des sources infrarouges accessibles actuellement et des méthodes de détection de gaz avec ces sources ; l'intérêt des lasers à cascade quantique est souligné. La deuxième partie de cette thèse présente les méthodes de mesure de paramètres spectroscopiques avec des diodes laser ou des lasers à cascade quantique. J'ai appliqué ces méthodes à des mesures de paramètres spectroscopiques de composés d'intérêt atmosphériques : dioxyde de carbone et protoxyde d'azote. Ces mesures correspondent à des besoins réels pour l'analyse de mesures atmosphériques (dans le cas du N2O, pour les mesures de profils atmosphériques lors de campagne ballon de l'instrument SPIRALE du Laboratoire de Physique et Chimie de l' Environnement-LPCE, et dans le cas du CO2 pour vérifier des mesures LIDAR effectuées par le Laboratoire de Météorologie Dynamique-LMD de Palaiseau). Les lasers à cascade quantique ont également été utilisés pour réaliser des mesures à très haute sensibilité de gaz. Ils ont été couplés avec un détecteur photoacoustique développé au GSMA et l'optimisation de ce système a permis d'obtenir des limites de détection de l'ordre du ppb ou de la dizaine de ppb pour plusieurs composés atmosphériques : méthane, protoxyde d'azote, oxyde nitrique
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La détection de gaz est un domaine d'intérêt pour de nombreuses applications telles que la surveillance de la pollution atmosphérique, la détection d'explosifs, l'analyse des émissions respiratoire de patients, etc... La spectrométrie par lasers accordables permet la réalisation d'instruments compacts et bénéficiant de performances élevées (sélectivité, résolvance et résolution temporelle). Par ailleurs, l'utilisation de lasers à cascade quantique (QCL) permet d'accéder au moyen infrarouge (Mid-IR), où les raies d'absorption des molécules d'intérêt sont plus intenses, ce qui améliore la sensibilité des dispositifs. Les travaux de cette thèse ont porté sur le développement de dispositifs basés sur des QCL pour la détection de gaz. La première partie des travaux porte sur l'exploitation de nouvelles sources Mid-IR telles que les barrettes de QCL multiplexées et les barrettes de QCL cohérents. La seconde partie concerne le développement d'un dispositif intracavité sur lequel une technique de détection par mesure de la tension du laser a été validée. Cette technique possède l'avantage de ne pas nécessiter de détecteur optique et de fonctionner quelle que soit la longueur d'onde du laser.
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Depuis 1994, les lasers à cascade quantique se sont imposés comme la source laser à semiconducteur de choix dans le domaine du moyen et du lointain infrarouge. Comme la plupart des molécules chimiques possèdent des bandes d’absorption entre les niveaux de rotation-vibration qui se situent dans le moyen infrarouge, les lasers à cascade quantique sont particulièrement adaptés aux applications telles que la spectroscopie, la détection de gaz à l’état de traces ou l’imagerie médicale. Une des voies de recherche actives est aujourd’hui leur optimisation en vue de leur miniaturisation et de leur intégration dans des microsystèmes de détection. Ce travail de thèse présente l’étude et l’optimisation du confinement optique vertical dans des hétérostructures lasers à cascade quantique épitaxiées sans couche de confinement supérieure. Ces structures sont intéressantes puisqu’elles sont adaptées à la fois au guide à plasmons de surface et au guide avec un confinement par air. En menant une étude approfondie de la répartition du mode optique et du courant électrique, nous avons conçu des structures originales qui ouvrent notamment de nouvelles perspectives sur l’utilisation de ces lasers pour la détection de fluides. Nous avons également montré que l’observation par microscopie en champ proche est un outil précieux pour la caractérisation et la compréhension des lasers à cascade quantique. Finalement, nous posons les bases nécessaires à la réalisation de matrices de lasers monomodes, utilisant la technologie des cristaux photoniques
Author: Baldassare Di Bartolo Publisher: Springer Science & Business Media ISBN: 1402047894 Category : Science Languages : en Pages : 574
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This volume presents the Proceedings of "New Development in Optics and Related Fields," held in Italy in June, 2005. This meeting was organized by the International School of Atomic and Molecular Spectroscopy of the "Ettore Majorana" Center for Scientific Culture. The purpose of this Institute was to provide a comprehensive and coherent treatment of the new techniques and contemporary developments in optics and related fields.
Author: David Wilson Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 0
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This project was initially the continuation of a previous PhD students work. This changed slightly to incorporate the initial steps of development of a new system. However the main underlying focus was the absorption of infrared light by molecular gases using a still relatively new light source. This thesis will present the results of experimental work carried out during studies on the detection of gases and the nonlinear optical effects that arise from the absorption of light from a rapid frequency swept laser. A bench mounted two channel quantum cascade laser absorption spectrometer was used during experiments to observe and reduce nonlinear effects that arise from tuning the lasers during the absorption of light by several atmospherically important gases. These gases include the oxides of nitrogen (nitrous oxide, nitrogen dioxide and nitric oxide), methane and ammonia. The pulsed laser systems used as part of the spectrometer have also been put to use performing measurements on gaseous hydrocarbon combustion (methane and ethylene flames), to determine the feasibility of making measurements within the combustion zone of a jet engine and in conjunction with a continuous wave device during pump-probe experiments at the Chemistry Department of Oxford University. A portable four channel spectrometer was used at the beginning of the project to make measurements of the exhaust fumes of diesel powered vehicles. It will also cover the initial steps and tests performed in the early stages of development of a continuous wave quantum cascade laser based spectrometer for high speed detection of trace gases.
Author: Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava. Katedra požární ochrany a ochrany obyvatelstva Publisher: ISBN: 9788024822686 Category : Languages : cs Pages : 23
Author: Papa lat tabara Sow Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 146
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Ce travail de thèse porte sur le développement d'un spectromètre laser à cascade quantique (QCL) dans le moyen infrarouge pour des applications en spectroscopie et en métrologie des fréquences. Les principaux objectifs ont été tout d'abord de lever la forte contrainte que constitue le faible domaine spectral accessible au laser à CO2 mais également d'accroître la faible puissance laser disponible pour nos expériences de spectroscopie. Ce nouvel instrument intéresse directement les expériences développées au sein du groupe Métrologie Molécules et Tests Fondamentaux : la mise en évidence de non conservation de la parité dans les molécules chirales et la détermination de la constante de Boltzmann par spectroscopie laser. Au cours de ce travail de thèse, nous avons caractérisé le bruit d'intensité, le bruit de fréquence ainsi que la largeur de raie de la source QCL libre. Les résultats obtenus comparés à la littérature montrent une grande qualité spectrale de cette source laser. L'asservissement en phase de la source QCL sur un laser à CO2 ultra-stable a permis de démontrer le transfert des propriétés spectrales du laser à CO2 à la source QCL. Le spectromètre a ensuite été utilisé pour des expériences de spectroscopie en absorption linéaire des molécules NH3 et de la molécule de Méthyltrioxorhénium, molécules d'intérêt pour les projets de mesure de la constante de Boltzmann et de recherche d'un et de la non-conservation de la parité. Le potentiel de ce spectromètre a également été démontré dans des expériences de spectroscopie à très haute résolution, en absorption saturée.
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Permettre une détection fiable, sélective, rapide et à moindre coût du gaz méthane dans les lieux domestiques, tel est le but du projet AMELIE (Alerte au Méthane par Laser Infrarouge Explosimètre), né d'une étroite collaboration entre Gaz de France, la société EPREST et le Centre de Recherche en Automatique de Nancy. La sécurité des personnes et des biens exige une surveillance de leur environnement, en particulier vis-à-vis du danger d'explosion et requiert des instruments capables de détecter des concentrations de CH4 bien inférieures à la limite inférieure d'explosivité. La spectrométrie d'absorption infrarouge à diode laser associée à un traitement de signal adéquat apporte une solution à ce problème non seulement en terme de sensibilité mais aussi en terme de sélectivité, robustesse, stabilité dans le temps et rapidité de détection. Le travail présenté dans ce mémoire concerne l'étude et la réalisation d'un tel spectromètre d'absorption, capable de détecter une concentration de gaz méthane inférieure à 10000 ppm. [...]
Author: Lucile Richard Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Ce travail de thèse a permis le développement et la caractérisation d'instruments basés sur la technique "OF-CEAS" dans le moyen infrarouge pour la détection de traces dans différents mélanges en phase gazeuse. Le Laser à Cascades Inter-bandes (ICL) est la dernière innovation des lasers à semi-conducteurs dans cette zone spectrale. La compatibilité des ICL avec l'OF-CEAS ouvre la voie vers de nouvelles applications pour la réalisation d'instruments compacts et robustes avec un temps de réponse rapide tout en présentant une très bonne limite de détection.Une démonstration de la bonne sensibilité et stabilité des instruments OF-CEAS aété réalisé avec la mesure de continua d'absorption (de la vapeur d'eau et de l'azote). Mais également avec la détection d'une raie quadrupolaire de l'azote de très faible intensité (3x10-29 cm-1/(moléc cm-2). L'objectif principale de ces travaux consistait au développement d'un instrument dédié à la détection de monoxyde d'azote pour l'analyse du gaz exhalé. L'analyseur ainsi réalisé présente une sensibilité de 6x10-10 cm-1 en une acquisition de 180 ms. Sa limite de détection sur le NO est à l'état de l'art, avec à court terme (180 ms) un minimum de 50 ppt est atteint. Celui-ci parvient à un niveau sub-ppt (0.9 ppt) en 12 min d'intégration.
Author: Agnès Grossel
Author: Agnès Grossel
Author: Laurent Bizet
Author: Virginie Moreau
Author: Baldassare Di Bartolo
Author: David Wilson
Author: Jérôme Basset
Author: Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava. Katedra požární ochrany a ochrany obyvatelstva
Author: Papa lat tabara Sow
Author: Gérald Semont
Author: Lucile Richard