Radiométrie cohérente et Lidar pour la surveillance atmosphérique dans le moyen-infrarouge – CORALI

Le système développé dans le cadre du projet repose sur des dispositifs optoélectroniques : détecteurs, modulateurs et lasers. Ces dispositifs sont des composants semi-conducteurs unipolaires. Le terme « unipolaire » fait référence au fait que ces éléments utilisent uniquement des électrons. La longueur d'onde de travail de ces dispositifs, qu'ils détectent la lumière (dans le cas des détecteurs) ou émettent de la lumière (dans le cas des lasers), est définie selon les lois de la mécanique quantique. L'architecture de métamatériaux utilisée dans ces composants permet de les faire fonctionner à température ambiante. Cette caractéristique est essentielle pour éviter le recours au refroidissement et contourner l'utilisation de cryostats, qui sont très encombrants et nécessitent un flux continu d'azote liquide.

Les dispositifs peuvent ainsi être intégrés avec des modules Peltier pour maintenir une température de fonctionnement stable tout en restant dans un environnement très compact.

Une autre particularité de notre LIDAR est qu'il utilise un modulateur externe pour moduler le faisceau laser en amplitude et en phase sans modifier le courant du laser. L'avantage de cette approche est d'obtenir une modulation de fréquence linéaire et très contrôlée, ce qui améliore les performances des mesures LIDAR.

LPENS:

Nous avons réalisé une première démonstration en laboratoire d'un LIDAR à 9 µm de longueur d'onde pour une mesure de distance sur quelques dizaines de centimètres et de vitesse. La distance de l'objet mesuré est limitée par l'espace disponible sur la table optique.

TRT:

TRT a réalisé une preuve de concept d’un système LiDAR modulé en fréquence (FMCW) basé sur des composants unipolaires. Plus précisément, la mesure s’appuie sur la détection cohérente d’un signal modulé en fréquence réfléchi par une cible distante. Cette détection cohérente a été réalisée selon deux méthodes distinctes : sur un détecteur externe (QCD/QWIP développés par le LPENS) ou directement à l’intérieur de la cavité laser (self-mixing). Grâce à une modulation large bande et linéaire de la fréquence d’un laser à cascade quantique (jusqu’à 8 GHz en 65 µs avec < 1% de nonlinearité), et à une détection cohérente efficace, une précision inférieure à 1 % de la distance absolue a été obtenue pour des cibles extérieures à des distances jusque 54 m.

ONERA:

L’ONERA a construit un banc optique servant de prototype à un spectroradiomètre laser à détection hétérodyne passive (cf. Fig7 et Fig8). Ce banc s’articule autour de deux éléments principaux :

- L’oscillateur local (local oscillator LO) qui est un QCL émettant dans l’infrarouge aux alentours de 8,72 µm. Ce laser est piloté par une alimentation en courant bas bruit et contrôle de température.

- Le faisceau dit de transmission atmosphérique : l’illumination solaire est remplacée au laboratoire par le rayonnement d’un corps noir, dont le faisceau est collimaté et traverse une cellule à gaz (Wavelength Reference) de 5 cm de longueur, ½ pouce de diamètre, remplie à 50 mbar de N2O (fournisseur AirLiquide). Cet ensemble simule l’absorption atmosphérique. Le remplissage est assuré par un bâti de pompage/remplissage. Le faisceau peut être modulé en intensité par un chopper mécanique. Le banc peut être utilisé dans plusieurs configurations selon des modifications mineures :

- Balayage linéaire de la ligne LO et modulation mécanique de l’intensité du faisceau de transmission atmosphérique : c’est le mode de fonctionnement principal du système décrit dans ce paragraphe.

- Balayage linéaire de la ligne LO et modulation électro-optique de la fréquence du QCL : la modulation mécanique est retirée et un GBF alimente l’entrée de modulation de l’alimentation du QCL avec un signal rampe et un signal sinus.

- Un mode à fréquence fixe si un détecteur large bande passante remplace le traitement analogique. Il faudra ajouter alors un oscilloscope à très grande bande passante (> 10 GHz).

Le travail initié dans le projet CORALI va se poursuivre selon deux axes :

Démonstrateur : Le LIDAR sera optimisé pour être intégré dans un dispositif optique compact, afin de le rendre transportable et permettre des mesures sur le terrain.

Ouverture vers d'autres thématiques (optique quantique) : Le savoir-faire développé dans le cadre du projet CORALI sera approfondi pour explorer de nouveaux axes de recherche. Tout le travail sur la stabilisation des lasers et le développement de détecteurs quantiques à haute responsivité ouvrira la voie à des mesures de quadrature du champ électrique pour détecter des sources de lumière non classiques.

III Perspectives pour la spectroscopie moléculaire d’ultra-haute précision

Au-delà de la détection atmosphérique, les développements proposés contribueront à faire progresser la spectroscopie moléculaire d’ultra-haute précision. Pour obtenir les mesures les plus précises dans le moyen infrarouge, la stabilisation et la traçabilité à un étalon de fréquence sont nécessaires. Le LPL utilise, notamment dans le cadre du projet CORALI, des QCL ultra-stables sub-Hz stabilisés sur un peigne de fréquences optiques, lui-même calibré sur les étalons de fréquence primaires du LTE, l’institut de métrologie temps-fréquence français via l’infrastructure REFIMEVE. Bien qu’un QCL DFB puissent couvrir une fenêtre spectrale d'environ 100 GHz, l’accordabilité est perdue une fois qu'il est stabilisé. Le LPL a développé une instrumentation complexe pour rendre le QCL sub-Hz accordable sur environ 1 GHz. Pour ces raisons, les mesures ultraprécises de fréquences rovibrationnelles ont jusqu'à présent été limitées à quelques espèces relativement simples. Dans le cadre du projet BIRD, nous allons surmonter ce problème en générant des bandes latérales avec les nouveaux MD dans des lasers MIR ultra-stables et en les exploitant comme des sources intenses, largement accordables, ultra-stables et précises.

Au cours du projet CORALI, le LPL a commencé à réfléchir au moyen d’intégrer dans ses chaînes d’asservissement les modulateurs de phase ou d’amplitude large bande de nouvelle génération, de manière à obtenir des QCLs de stabilité ultime, balayables sur une plage de fréquence inégalée, en ne prélevant que ~100 μW de puissance. Une alternative est d’asservir en phase un QCL esclave sur un QCL maître sub-Hz, en tirant profit des performances exceptionnelles des détecteurs ultra-rapides, très sensibles et fonctionnant à température ambiante développés dans le cadre de CORALI. Utilisés pour mesurer le battement entre les deux QCLs jusqu’à potentiellement 100 GHz, ils permettraient, en balayant la référence micro-onde d’une boucle à verrouillage de phase, de balayer le QCL sur toute sa plage de gain (~100 GHz typique), en ne réservant qu’une centaine de μW pour l’asservissement.

La région spectrale du moyen infrarouge (2-20µm) contient les transitions vibrationnelles des principaux gaz atmosphériques (H2O, N2O, CO2, NF3, CH4, O3...). Dans cette plage, il y a deux fenêtres de transparence atmosphérique à 3-5µm et 8-13µm, de sorte qu'un faisceau lumineux peut sonder l'atmosphère sur de très longues distances. De plus, le rayonnement dans l’infrarouge moyen est moins sensible aux turbulences atmosphériques qu'aux longueurs d'onde télécoms. Ceci est crucial pour avoir des mesures précises et très sensibles pour la surveillance environnementale, la spectrométrie et la mesure de la concentration des gaz à effet de serre (GES). L'objectif de notre proposition est de fournir des systèmes de détections sensible, précis et compacts dans l'infrarouge moyen implémentés dans des systèmes tel-que la radiométrie et le LIDAR. Ces systèmes seront basés sur des lasers à cascade quantique et sur les nouveaux détecteurs à puits quantiques fonctionnant à température ambiante développés récemment au LPENS.