Etude et réalisation de dispositifs optiques à large couverture spectrale pour la détection multi-gaz à distance

• Main Author: Dobroc, Alexandre
• Language: FRE
• Published: Ecole Polytechnique X 2013
• Subjects: [PHYS:PHYS:PHYS_OPTICS] Physics/Physics/Optics; [PHYS:PHYS:PHYS_OPTICS] Physique/Physique/Optique; OPO; laser Supercontinuum; spectroscopie infrarouge
• Online Access: http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00959752; http://pastel.archives-ouvertes.fr/docs/00/95/97/52/PDF/manuscrit_these_Dobroc_Alexandre.pdf

Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit ont pour objectifs l'étude et la mise en oeuvre de nouvelles techniques actives de spectroscopie d'absorption infrarouge pour la détection multi-gaz à distance. Pour cette application, nous avons étudié le potentiel de deux sources laser innovantes : un Oscillateur Paramétrique Optique Doublement Résonnant (DROPO), émettant un rayonnement monochromatique accordable entre 3,3µm et 3,7µm et un laser fibré Supercontinuum, émettant un spectre continu s'étendant de 1µm jusquau-delà de 3,8µm. Après avoir modélisé les signaux ainsi que le bruit, nous avons calculé les performances théoriques d'estimation de concentration à l'aide des Bornes de Cramer-Rao (BCR). Puis, nous avons développé des estimateurs de concentrations multi-gaz adaptés aux caractéristiques des signaux DROPO et Supercontinuum. Ces estimateurs ont été appliqués à des signaux expérimentaux dans le but de valider le calcul des prévisions de performances. Dans le cas de la spectroscopie par DROPO, des mesures simultanées des concentrations en vapeur d'eau et en méthane, intégrées sur un trajet de 30m dans l'atmosphère ont été réalisées (après diffusion sur une cible non coopérative). Dans le cas de la spectroscopie Supercontinuum, nous avons réalisé un premier montage basé sur une source proche infrarouge et un analyseur de spectre commerciaux afin de valider le traitement du signal ainsi que la prédiction de performances. Nous avons réalisé des mesures simultanées de la quantité de méthane présente dans une cellule et la concentration atmosphérique en vapeur d'eau intégrée sur une distance de plus de 10m (par réflexion sur une cible coopérative). L'estimation est non biaisée et l'écart type calculé sur un grand nombre d'estimations est inférieur à 1, 5 fois les BCR. Pour les expériences de spectroscopie réalisées autour de 3,3µm, nous avons adapté, implémenté et calibré un spectrographe permettant d'acquérir en quelques secondes une centaine de spectres sur un domaine spectral de200nm, avec une résolution inférieure au nanomètre. Un estimateur du maximum de vraisemblance a fourni une estimation peu biaisée (3%) avec un écart type égal à 2, 5 fois la BCR. Nous avons ainsi montré expérimentalement la faisabilité de mesures rapides et précises par spectroscopie Supercontinuum infrarouge.