Capteurs lasers infrarouges de prochaine génération pour les mesures environnementales – NexCILAS

Depuis quelques dizaines d’années, les sciences et technologies ont eu à faire face à un challenge de taille : assurer une croissance économique générale tout en réduisant par ailleurs les conséquences négatives de cette croissance liées en partie au réchauffement climatique et à ces effets sur l’environnement et la santé des hommes. Des systèmes de mesures en temps réel, fiables, bas coûts et capables de mesurer les variations de la composition chimique de l’atmosphère de façon reproductible sur de longues durées nécessitent l’implémentation de techniques robustes, sensibles, sélectives et précises pour mesurer les concentrations de traces de gaz.
Nous nous proposons dans ce projet de développer un capteur optique de méthane (CH4) basé sur la technique de spectroscopie par diodes lasers accordables (SDLA). Pour cela nous faisons appel à deux technologies innovantes. La première vise à employer des lasers moyen-infrarouges de nouvelle génération à base d’antimoniures, émettant entre 3 et 4 µm. Ces lasers seront des lasers à contre réaction répartie (ou DFB pour distributed feedback) à puits quantiques ou à cascade quantique. La seconde technologie innovante est la technique de mesure elle même : la détection photoacoustique à quartz (QEPAS pour Quartz Enhanced Photoacoustic Spectroscopy). Nous proposons d’augmenter la sensibilité du capteur de deux ordres de grandeur par rapport au dispositif QEPAS classique en utilisant une cavité de haute finesse pour renforcer le signal photoacoustique (technique nommée OPBC : Optical Build-up Cavity). Nous envisageons aussi de développer un capteur « laser-QEPAS » tout-intégré et de réaliser ainsi un capteur optique de toute nouvelle génération. .
Les progrès réalisés sur ce capteur de méthane ouvriront la voie à des capteurs de même type adaptés à la mesure d’autres gaz à effets de serre, comme le N2O, mais aussi d’autres espèces chimiques présentes dans l’atmosphère dans cette gamme de longueurs d’ondes, telles que H2CO, C2H2, C2H6 et HCl.
Le capteur réalisé sera très compact et modulable. Ses performances seront évaluées lors de campagnes de mesures sur le terrain : mesure d’émission de CH4 de décharges publiques (en collaboration avec l’ADEME), de parcelles agricoles (avec l’INRA) et dans des macrocosmes de tests (avec l’écotron du CNRS).
Les retombées de ces travaux seront directes dans les domaines de l’industrie, de l’agronomie ou de la médecine. Sa modularité le rend en effet adaptable aux mesures d’autres espèces gazeuses par un simple changement de la source laser employée.
Comme le prédit une enquête parue dans Optics and Photonics News de l’Optical Society of America, le marché des composants et systèmes photoniques et optoelectroniques dans le moyen infrarouge devrait tripler dans les cinq prochaines années. Ce projet contribuera à l’essor de ces applications.