Lasers à cascade quantiques émettant autour de 10 µm pour la détection à distance de composés gazeux – QUIGARDE

La détection à distance de composés gazeux fait partie des technologies innovantes que ce soit dans le domaine civil, pour les applications atmosphériques, ou dans le domaine de la défense, pour la détection de matières dangereuses. Il est à noter que ce dernier point fait l’objet d’une des priorités de la Politique et des Objectifs Scientifiques 2011-2012 de l’axe Photonique affichée par la DGA.
La détection hétérodyne infrarouge est une technique qui a été développée afin d’améliorer la sensibilité de détection dans ce domaine, en particulier dans la fenêtre spectrale 8-12 µm.
Les principaux atouts de la détection hétérodyne sont sa grande sélectivité spectrale et directionnelle. Par ailleurs, cette méthode permet d'obtenir une sensibilité limite de l'ordre de quelques ppm.m. Elle est ainsi applicable dans le domaine civil, aux molécules d’intérêt atmosphérique telles que l’ozone et le dioxyde de carbone, mais également dans le domaine militaire pour la détection de matières dangereuses.
La détection hétérodyne a longtemps été étroitement associée à l’usage de lasers à gaz et de détecteurs refroidis à la température de l’azote liquide. Historiquement, les principales applications ont été développées pour des études astrophysiques et atmosphériques. Seul un nombre très limité d’autres domaines applicatifs a pu être envisagé du fait de la complexité de mise en œuvre et de l’encombrement de ce type d’instruments. Les récents progrès technologiques dans le domaine des sources lasers à semi-conducteurs (tels que les lasers à cascade quantique (Quantum Cascade Lasers, QCL) qui couvrent maintenant une grande partie du spectre infrarouge) mais également des détecteurs (par l’augmentation de leur température de fonctionnement) permettent aujourd’hui d’envisager de nouveaux développements et de nouvelles applications de la méthode hétérodyne infrarouge pour la détection et l’identification à distance de molécules d’intérêt atmosphérique, tels que les polluants (technique maîtrisée par le partenaire 1 de ce projet).
Le GSMA, le III-V Lab et le LPL proposent, dans le cadre du présent projet, de démontrer en laboratoire les performances d’un spectromètre hétérodyne utilisant des sources QCL émettant autour de 10 µm. Les performances du spectromètre hétérodyne sont intrinsèquement liées aux performances du laser, et plus particulièrement aux niveaux des bruits de phase et d’amplitude. Ce projet aura donc également pour objectif d’optimiser les performances du spectromètre par un travail, en amont, sur l’amélioration des qualités spectrales des sources lasers utilisées comme oscillateur local dans ce nouveau dispositif.
Les performances des sources QCL commerciales ont rapidement progressées ces dernières années mais il reste difficile de travailler à l’optimisation de leurs caractéristiques sans une interaction très forte entre les étapes de conception/fabrication et de caractérisation/application.
Le présent projet a donc un triple objectif :
- La conception et fabrication de sources QCL autour de 10 µm par le III-V lab (partenaire 2 du projet) ;
- la caractérisation et l’optimisation de ces sources par le LPL (partenaire 3 du projet) en étroite collaboration avec le III-V lab ;
- l’intégration des sources optimisées dans un nouveau spectromètre hétérodyne par le GSMA (partenaire 1 du projet)