Capteur tout optique infrarouge pour gaz dangereux – OPTIGAS

L’originalité de notre démarche est de développer une méthode tout-optique en bande III permettant une analyse in situ (à distance), en temps réel, et directe pour une surveillance en continu dans une gamme étendue de concentrations comprises entre 1 ppm et 100 %. Cette gamme de détection sera possible notamment à l’aide d’une cellule de détection de longueur variable s’adaptant à la gamme de concentration visée, mais également en exploitant la variété de longueurs d’ondes que peuvent fournir les émissions des ions de terres rares pour une mesure différentielle. Par ailleurs, nous souhaitons démontrer avec ce projet la conversion en fréquence du moyen-IR (MIR) vers le proche- IR ou visible permettant de dissocier physiquement le détecteur et l’électronique de la tête optique positionnée dans la zone sensible à analyser. Le principe de ce capteur tout-optique sera tout d’abord validé en bande II avant d’être transposé en bande III, pour la détection en particulier de gaz toxiques à distance. Pour ce faire, différents types de matériaux IR actifs seront synthétisés au sein du consortium. Des fibres de sulfures et séléniures dopées avec différents ions terres-rares seront fabriquées dans un premier temps pour une détection en bande II. Plus important encore, le développement ambitieux de matériaux actifs pour la bande III constituera une étape cruciale de ce projet. Ces matériaux seront utilisés respectivement en tant qu’émetteur IR et en tant que convertisseur de fréquence pour convertir un rayonnement moyen-IR en un rayonnement proche IR ou visible. L’originalité du capteur proposé tient donc au procédé de conversion du signal IR en un signal visible ou proche IR qui permet de déporter le signal utile via des fibres en silice et d’obtenir ainsi un capteur «tout optique» en bande III déporté, insensible aux perturbations électromagnétiques et utilisable pour des mesures à distance sur des sites jugés dangereux ou inaccessibles pour l’homme.

Résultats majeurs du projet à mi-parcours :

- Réalisation d’un capteur tout-optique en Bande II (à 4,3µm pour le CO2) : (Tâche 2)
Pour la première fois, nous avons confirmé l’idée du capteur tout optique présenté dans le projet ANR OPTIGAS en fabriquant un prototype tout-optique de capteur en bande II à 4.3µm qui a été validé par des mesures de gaz calibrés.

- Fibres à base de verres de séléniure de grande qualité :( tâche 1)
La substitution du sulfure au sélénium en proportion contrôlée nous a permis d’améliorer l’incorporation des terres rares et la qualité du fibrage de façon très substantielle nous permettant d’atteindre des concentrations plus importantes en terres rares et un confort en terme de résistance à la cristallisation des fibres.

- Fibre émettant autour de 7.8µm : (Tâche 3.1)
Pour la première fois, le consortium OPTIGAS a synthétisé et caractérisé une fibre de chalcogénure dopée terres rares émettant autour de 7.8µm. Un tel résultat ouvre la voie vers la détection de gaz en bande III.

Les résultats prometteurs obtenus dans la Tâche 2 en bande II serviront directement à la tâche 3 (Bande III) pour identifier les caractéristiques clés à la fois de la source IR, du convertisseur et du capteur dans son ensemble. La tâche 3 porte en effet sur la caractérisation de la source IR et de la conversion de fréquence en bande III (8- 10µm). Une partie des caractérisations de l’effet de conversion de fréquence en bande III se fera à l’ONERA en tirant profit des différentes sources IR et de l’expertise concernant les dispositifs optiques IR dont dispose l’ONERA.
La quatrième et dernière tâche interviendra lors de la dernière année du projet et aura pour but de démontrer le principe du capteur tout-optique en Bande III .

1. “Dy3+ doped GeGaSbS fluorescent fiber at 4.4 µm for optical gas sensing: Comparison of simulation and experiment” A.L. Pelé, A. Braud, J.L. Doualan, F. Starecki, V. Nazabal, R. Chahal, C. Boussard-Plédel, B. Bureau, R. Moncorgé, P. Camy, Optical Materials, Vol.61, (2016), p.37
2. Tb3+ doped Ga5Ge20Sb10Se(65-x)Tex (x = 0-37.5) chalcogenide glasses and fibers for MWIR emission, N. Abdellaoui, F. Starecki, C. Boussard-Pledel, J-L. Doualan, Y. Shpotyuk, A. Braud, E. Baudet, P. Nemec, F. Cheviré, B. Bureau, P. Camy, V. Nazabal, Optical Material Express soumis .
3. Carbon monoxide, dioxide and methane sensing using Pr3+ doped Ga5Ge20Sb10Se65 fibers, F. Starecki, J. Ari1,, C. Boussard-Plédel, B. Bureau, Y. Ledemi, Y. Messaddeq and V. Nazabal, soumis, Sensors and actuators B

5 Conférences invitées:
1. “Photon conversion in the mid-infrared for gas sensing”, A. Braud et al. DPC, Paris (2016),
2. “Rare-earth doped chalcogenide glasses for mid-IR luminescence”, V. Nazabal, et al., PRE 2016, Greenville USA, (2016).
3. “Rare-earth doped materials for IR gas sensing and IR to visible conversion” A. Braud et al., ICALSTM, India (2016).
4. “Chalcogenide glass waveguides for infrared light sources and sensors”, J.L. Adam et al., XI Brazilian Symposium on Glass and Related Materials, Brazil, (2017).
5. J. Armougom, Q. Clément, J.-M. Melkonian, J.-B. Dherbecourt, M. Raybaut, A. Grisard, E. Lallier B. Gérard, B. Faure, G. Souhaité, A. Godard, « Single-frequency tunable long-wave infrared OP-GaAs OPO for gas sensing, » SPIE Photonics West 2017, (San Francisco, USA, 28 juin–2 février 2017), papier 10088-33 .

Brevet:
N° 1659603, Verres de chalcogénures (spécifiques aux dopages terres rares) Virginie NAZABAL, Julien ARI, Florent STARECKI, Catherine BOUSSARDPLEDEL

La détection de gaz toxiques est de première importance pour la sécurité de sites sensibles et de lieux publics. La détection de ces gaz peut se faire optiquement de façon efficace en utilisant leurs bandes d’absorption dans l’infrarouge (IR) moyen (3-5µm) comme par exemple à 3,4µm (modes vibrationnelles de liaisons CH), et de façon encore plus sélective, dans l’IR plus lointain (8-12µm), où l’on peut détecter par exemple le gaz sarin à 9,8µm. Le projet OPTIGAS a pour but de développer un capteur tout-optique fibré dans la fenêtre spectral 8-12µm. Le principe de ce capteur est très versatile et peut être adapté à différentes sortes de gaz ayant des signatures spectroscopiques dans les fenêtres de transparence atmosphérique (bandes II et III). L’originalité de notre démarche est de développer une méthode tout-optique en bande III permettant une analyse in situ (à distance), en temps réel, et directe pour une surveillance en continu dans une gamme étendue de concentrations comprises entre 1 ppm et 100 %. Cette gamme de détection sera possible notamment à l’aide d’une cellule de détection de longueur variable s’adaptant à la gamme de concentration visée, mais également en exploitant la variété de longueurs d’ondes que peuvent fournir les émissions des ions de terres rares pour une mesure différentielle. Par ailleurs, nous souhaitons démontrer avec ce projet la conversion en fréquence du moyen-IR (MIR) vers le proche- IR ou visible permettant de dissocier physiquement le détecteur et l’électronique de la tête optique positionnée dans la zone sensible à analyser. Ce capteur tout optique permettra ainsi une analyse déportée sans quasiment rencontrer de limitation de distance entre la zone de détection et la zone d’analyse des données. Le principe de ce capteur tout-optique, qui possède à la fois une grande sensibilité et une large gamme de détection, sera tout d’abord validé en bande II avant d’être transposé en bande III, pour la détection en particulier de gaz toxiques à distance. Pour ce faire, différents types de matériaux IR actifs seront synthétisés au sein du consortium. Des fibres de sulfures et séléniures dopées avec différents ions terres-rares seront fabriquées dans un premier temps pour une détection en bande II. Plus important encore, le développement ambitieux de matériaux actifs pour la bande III constituera une étape cruciale de ce projet. Ainsi, des fibres à base de verres de tellurures dopés avec des terres rares seront fabriquées ainsi que des cristaux de chlorures et bromure s dopés terres rares. Ces matériaux seront utilisés respectivement en tant qu’émetteur IR et en tant que convertisseur de fréquence pour convertir un rayonnement moyen-IR en un rayonnement proche IR ou visible. L’originalité du capteur proposé tient donc au procédé de conversion du signal IR en un signal visible ou proche IR qui permet de déporter le signal utile via des fibres en silice et d’obtenir ainsi un capteur «tout optique» en bande III déporté, insensible aux perturbations électromagnétiques et utilisable pour des mesures à distance sur des sites jugés dangereux ou inaccessibles pour l’homme.