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Publication du programme PAUSE – ANR Ukraine pour l’accueil de scientifiques ukrainiens et ukrainiennes dans des laboratoires français
ASTRID - Accompagnement Spécifique de Travaux de Recherches et d'Innovation Défense

Source optique accordable pompée par microlaser utilisant la conversion paramétrique dans GaAs pour la détection à distance de substances chimiques dangereuses et d’explosifs – MUSTARD

Les nouvelles technologies laser infrarouge pour contrer la menace chimique

La détection à distance de substances chimiques dangereuses et d’explosifs est une problématique critique pour faire face à des menaces intentionnelles ou accidentelles. Le projet MUSTARD vise au développement de nouvelles technologies laser permettant de répondre à ce besoin actuellement très mal couvert.

Développement d’une source laser permettant la détection à distance de gaz dangereux

La détection et l’identification à distance, rapide et fiable, de substances dangereuses ou d’explosifs représentent un enjeu de défense et de sécurité de première importance. Dans un tel contexte, les méthodes optiques offrent des atouts décisifs du fait de leurs capacités à détecter à distance et de manière sélective les espèces interdites ou toxiques dans l’environnement ambiant. Cette sélectivité est rendue possible par l’existence, dans l’infrarouge moyen, de spectres d’absorption caractéristiques pour chacune de ces espèces. Ces raies d’absorption peuvent être sondées en utilisant le rayonnement émis par un laser. Pour pouvoir réaliser ces mesures à distance, les méthodes les plus prometteuses sont celles basées sur la spectroscopie d’absorption différentielle du signal rétrodiffusé (Lidar à absorption différentielle et imagerie active multi-spectrale de gaz). <br />En pratique, la bonne mise en œuvre de ces méthodes nécessite de disposer d’une source laser compacte, largement accordable dans la gamme spectrale 6-14 µm, avec une faible largeur de raie (< 0,05 cm–1), pour pouvoir identifier les gaz en présence d’interférents. De plus, pour pourvoir réaliser la mesure à une distance > 100 m, cette source doit fonctionner en régime impulsionnel (ns) avec une puissance crête suffisante (> 100 W). Or, de telles spécifications sont inaccessibles au moyen des technologies laser actuellement disponibles. <br />Le projet MUSTARD a pour objectif de développer une source laser capable de satisfaire aux spécifications requises et de réaliser la démonstration de ses capacités. <br />

La source optique MUSTARD est basée sur une architecture originale : un oscillateur paramétrique optique (OPO) à base de cristal non linéaire d’OP-GaAs pompé à 2 µm par un microlaser. Ce dispositif associe, pour la première fois, trois technologies clés. À savoir, (1) la configuration OPO brevetée et développée par l’Onera (NesCOPO) permettant un fonctionnement monofréquence en régime impulsionnel nanoseconde, (2) le cristal non linéaire d’OP-GaAs développé par TRT permettant un accès à la gamme 6-14 µm, (3) un microlaser de pompe fibré émettant à 2 µm conçu et réalisé par TRT et Teem Photonics.
L’association originale de ces trois technologies clés conduira à la réalisation d’une source laser impulsionnelle, de faible largeur de raie, accordable dans l’infrarouge moyen qui représentera une avancée significative par rapport à l’état de l’art international et ouvrira la voie vers le développement de systèmes ayant de réelles capacités de détection à distance. Ces capacités seront démontrées, en laboratoire, dans le cadre d’une expérience préliminaire de détection de fuites de gaz.

Le projet ayant démarré depuis moins de six mois, les activités concernent encore les tâches de définition et de design. Les premières réalisations techniques sont prévues dans les prochains mois.

Ce projet ouvre la voie vers le développement de systèmes de détection d’espèces chimiques dangereuses à moyenne distance. En parallèle, une perspective immédiate au projet pourrait être de mener d’autres développements technologiques en vue d’augmenter le niveau d’énergie et ainsi pouvoir réaliser des mesures à plus longues portées.

Le démarrage du projet MUSTARD est trop récent pour avoir déjà conduit à une publication.

La détection à distance, rapide et fiable, de substances dangereuses ou d’explosifs à l’état de traces représente un enjeu de première importance pour les applications de défense et de sécurité face à des menaces intentionnelles ou accidentelles.

Dans un tel contexte, les méthodes optiques offrent des atouts décisifs du fait de leurs capacités à détecter (1) à distance ou, du moins, sans contact, (2) de manière sélective les espèces interdites ou toxiques dans l’environnement ambiant. Cette sélectivité est rendue possible par l’existence, dans l’infrarouge moyen, de spectres d’absorption caractéristiques pour chacune de ces espèces, en particulier dans la zone dite « d’empreintes digitales » située entre 6 et 14 µm.

Les capacités de détection et d’identification à distance, ne nécessitant pas la collecte et le transport d’échantillons, sont les plus recherchées, mais représentent aussi de grands défis technologiques. Les méthodes les plus prometteuses pour répondre à ces exigences, tout en garantissant une interaction très faible (non-contaminante, non-destructive, etc.) avec la substance à analyser, sont celles basées sur la spectroscopie d’absorption différentielle du signal rétrodiffusé (Lidar à absorption différentielle et imagerie active multi-spectrale de gaz) qui exigent de disposer de sources laser polyvalentes et largement accordables.

Puisque la quantité de lumière rétrodiffusée décroit inversement avec le carré de la distance, les besoins opérationnels en termes d’énergie et de puissance laser dépendent fortement de la distance de détection requise. Ainsi, dans les situations opérationnelles fréquentes où la distance de sécurité est typiquement de ~ 100 m ou plus, il devient nécessaire d’avoir recours à des lasers impulsionnels, tels que les lasers en régime déclenché, pour atteindre les puissances crêtes requises (> 100 W).

Disposer de sources laser impulsionnelles, compactes, robustes, à faible largeur de raie (< 0.05 cm–1) et accordables dans la gamme spectrale 6–14 µm est donc fortement souhaitable pour la détection à distance de substances chimiques dangereuses et d’explosifs. Toutefois, aucun des systèmes existants, y compris les lasers CO2 et les lasers à cascade quantique, ne répond de manière satisfaisante à l’ensemble de ces exigences.

Le projet MUSTARD (Microlaser pUmped tunable optical Source based on parameTric conversion in GaAs for Remote Detection of hazardous chemicals and explosives) a pour objectif de développer une source optique capable de satisfaire aux spécifications requises. La source optique MUSTARD sera composée d’un oscillateur paramétrique optique (OPO) fonctionnant suivant la configuration NesCOPO brevetée et développée par l’ONERA/DMPH. Pour accéder à la gamme 6–14 µm, l’OPO utilisera un cristal non linéaire d’OP-GaAs développé par TRT. L’OPO sera pompé par un microlaser fibré émettant à 2 µm qui sera conçu et réalisé au cours du projet par TRT et Teem Photonics. L’association originale de ces trois technologies clés conduira à la réalisation d’une source laser impulsionnelle, de faible largeur de raie, accordable dans l’infrarouge moyen qui représentera une avancée significative par rapport à l’état de l’art international et ouvrira la voie vers le développement de systèmes ayant de réelles capacités de détection à distance. Ces capacités seront démontrées, en laboratoire, dans le cadre d’une expérience préliminaire de détection de fuites de gaz.

Le consortium du projet MUSTARD est composé d’un laboratoire public (Onera), d’une grande entreprise (Thales) et d’une PME (Teem Photonics). Ce projet permettra ainsi, à la fois, de renforcer l’excellence scientifique des laboratoires de recherche, d’assurer une meilleure diffusion des technologies vers l’industrie et d’accroitre la compétitivité de ces deux sociétés françaises sur des marchés à fort potentiel de croissance, conduisant ainsi à la création potentielle de nouveaux emplois.

Coordinateur du projet

Monsieur Antoine GODARD (OFFICE NATIONAL D'ETUDES ET DE RECHERCHES AEROSPATIALES - ONERA CENTRE DE PALAISEAU) – Antoine.Godard@onera.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ONERA/DMPH OFFICE NATIONAL D'ETUDES ET DE RECHERCHES AEROSPATIALES - ONERA CENTRE DE PALAISEAU
TRT THALES RESEARCH & TECHNOLOGY
Teem Photonics Teem Photonics

Aide de l'ANR 291 315 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2012 - 30 Mois

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