Sources paramétriques infrarouge monofréquence pour la détection des gaz à effet de serre par LIDAR à absorption différentielle

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1 Sources paramétriques infrarouge monofréquence pour la détection des gaz à effet de serre par LIDAR à absorption différentielle Jessica Barrientos Barria, Jean-Baptiste Dherbecourt, Myriam Raybaut, Antoine Godard, Jean-Michel Melkonian, Michel Lefebvre ONERA, the French Aerospace Lab, BP 80100, Palaiseau JNCO juin, Cherbourg 12/06/ Session 8 Me.2

2 Sommaire I Contexte scientifique et Etat de l art II Rappels sur l Optique Non Linéaire III Principe de l OPO doublement résonant à cavités imbriquées Architecture et Performances IV Résultats expérimentaux 1) Bancs LIDAR courte portée à contenu intégré 2) Banc LIDAR longue portée V Conclusions et perspectives 2

3 Transmission Contexte Raies d absorption de différentes molécules dans le proche et moyen IR H 2 O CH 4 CO 2 N 2 O COV NO CO SO 2 HCl H 2 CO H 2 O CH 4 C 2 H 2 H 2 O 2 HCH 3 C HF HOCl OH Longueur d onde (µm) «Molecular fingerprint region» N 2 O CO 2 NH 3 C 2 H 6 NO 2 O 3 O 2 ClO HBR HCN HI OCS PH 3 Signature spectrale des molécules via leurs raies d absorption 6 14 µm : Applications Défense et Sécurité µm : Applications civiles

4 Contexte instrumental Transmission Mesures actives locales ou à distance Longueur d'onde (µm) 4,212 4,21 4,208 1,0 0,8 0,6 0, Nombre d'onde (cm 1 ) Les besoins Raies d absorption du CO 2 à pression atmosphérique Source fine spectralement (~ 100 MHz), largement accordable dans l IR Puissance crête ou moyenne élevée selon la technique utilisée Compacte et stable en fréquence (qq 10 MHz) Impulsionnelle (résolution spatiale [ns]) Principe de la mesure LIDAR multi-λ l 1 l 2 l 3 loff Gaz Emission de plusieurs longueurs d onde situées dans la raie d absorption d une espèce λ 1,2,3 = λ on et une longueur d onde λ off en dehors de toute absorption. Développement et utilisation de sources non linéaires pour la spectroscopie d absorption IR 4

5 Etat de l Art LIDAR gaz IR Lidar DIAL MWIR Gaz : quelques exemples de développements récents NASA : 2µm laser (CO 2 ) DLR : 1.57/1.64 µm OPO (CO 2 / CH 4 ) IPSL : 2µm laser (CO 2 ) INERIS : Camion LIDAR UV, Visible, IR (3, 3.5µm) COVs CH 4 + N0 2, 0 3, SO 2 OPO multi-λ NPL : Truck Lidar UV, Visible, IR (2-4µm): CH 4, C 2 H 4, C 2 H 6, benzene, CO, HCL, N 2 O, SO 2 20 mj, DFG entre laser colorant ( nm) et Nd:YAG (1.06µm) LTH : Truck Lidar UV, IR (2-4µm): SO 2 (UV), hydrocarbures 20 mj, OPO, mélange paramétrique Ineris npl.co.uk Lth.se 5

6 Rappels d optique non linéaire Utilisation de la conversion de fréquence d une pompe à 1,064µm vers l IR moyen Pompe ω p Complémentaire ω c χ (2) Pompe résiduelle Signal ω s Cristal non linéaire conservation de l énergie ω p = ω s + ω c ; Accord/désaccord de phase k p - k s - k c Coefficient non linéaire effectif d eff Efficacité & Bande passante de la conversion sens du transfert de l énergie : fonction de la phase relative = p - s - c ω p ω s ω s ω c ω p ω c 6

7 L oscillateur paramétrique optique nanoseconde Contenu spectral d un OPO simplement résonant nanoseconde naturellement multi-modes ql = 2L Bande de gain de l OPO Gain Ex : PPLN 5mm, 3.3µ, Bande de gain ~ 1 THz, ISL ~ 15GHz ω Techniques usuelles pour émission monofréquence (Inspirées des lasers) Insertion de pertes (étalons, réseaux (massifs, VBG) Utilisation d un laser d injection Seuils élevés, ou bande spectrale de fonctionnement réduite

8 Approche originale Onera : le NesCOPO Nested Cavity doubly resonant OPO (NesCOPO)* Bande de gain paramétrique Hardy et al, Opt. Lett. 36 (2011) ωi ωs Design de cavité optique original mettant en œuvre une spécificité des OPO : l émission simultanée de deux ondes Mono-fréquence Pas d insertion de pertes mais modulation du gain seuil bas Dissociation des cavités signal et complémentaire : filtrage spectral émission monofréquence sur toute la plage d accord atteignable avec le cristal non linéaire ω c ω s B. Hardy, et al., Opt. Let. B, 36 (1), (2011) Lefebvre et al., EP , France (Brevet) Conférences invitées : MICS 2009, CLEO US 2011

9 Performances du NesCOPO Monofréquence Seuil d oscillation bas (< 2 µj) => pompage par microlaser possible Source compacte Emission monofréquence (SMSR > 30dB) Accordabilité jusqu à 500 nm pour une seule source (Multi pistes + Température) Sources fonctionnant de 1.5 µm à 4.5 µm Hardy et al Opt Lett 2011

10 Vernier frequency sampling : détection multiespèces Principe du Vernier frequency sampling M2 T (%) λon4 λon3 λoff M1 M3 λon2 λon1 λ Génération de séquences de fréquences dont le span et la résolution sont ajustables ω s ω i Hardy et al, Appl Phys B 2012 ω i

11 DiAL en contenu intégré multi-longueur d onde à courte portée Banc courte 4.2µm Mono-espèce Gamme spectrale : µm SO 2 CO 2 N 2 O 1,0 Fuite de Gaz 1.0 Source ns haute cadence Energie < µj par impulsion Instrument compact Mesure du CO 2 atmosphérique (< 20 s) Transmission (%) 11 0,8 0,6 Sans fuite 0,4 Fuite de CO ,0 2388,5 2389,0 2389,5 Fréquence complémentaire (cm -1 ) Intensity (a.u.) Experiment Hitran calculation Wavenumber (cm -1 ) Hardy et al, Appl Phys B 2012

12 DiAL en contenu intégré multi-longueur d onde à courte portée Banc courte 3.3µm Multi-espèces Gamme spectrale : µm Source ns haute cadence (4 khz) Energie ~ 100 nj par impulsion Instrument compact et robuste CO 2 N 2 O H 2 O CH 4 Surveillance de sites industriels Mesure du CH 4 et de H 2 O atmosphériques Vapeur d eau de 20 à 40 % Méthane ~ 2 ppm 12

13 Spécifications du LIDAR spatial Espèces d intérêt Espèces l (µm) CO / 2.05 CH / 2.29 H 2 O / N 2 O 3.93 O Spécifications très sévères Émission simultanée de 2 raies ou + Stabilité de fréquence < 2 MHz (< % de la largeur de raie) Pureté spectrale > 99,9 % dans 1 GHz Bonne qualité de faisceau M 2 < 2 Énergie > 10 mj (détection directe) Compact, robuste, faible consommation, qualifié spatial Génération de 2 impulsions avec un OPO à 1.57µm A. Amediek et al., Applied Physics B (2008) 2 injecteurs sont nécessaires Génération de 2 impulsions avec laser Ho:Tm:YLF à 2µm J. YU et al., NASA (2011) 3 injecteurs sont nécessaires 13

14 DiAL multi-longueur d onde longue portée Détection du CO 2, CH 4 et H 2 O atmosphériques autour de 2µm NesCOPO PPLN type II Raybaut et al, Opt Lett pompe 100 mj λ/2 500 µj OPA PPLN type 0 Signal 2.05 µm 4 mj 4 KTPs λ/2 Idler 2.21µm Lame de filtrage E signal ~15 mj Rayon à 1/e² (µm) points expérimentaux M 2 horizontal : 1.03 M 2 vertical : 1.05 M 2 < position du couteau (mm) Ligne à retard Stabilité en fréquence ~ 3MHz Description de la raie R30 du CO 2 Réalisé avec le support de l ESA 14

15 Principe de la génération de longueurs d onde pulse à pulse ω p Bande de gain paramétrique M1 PZT c M2 l ON1 ω c ω s PZT s+c fixe ωs 0 ω p /2 M3 l ON2 fréquence de l'onde signal (THz) Mesure Etude au Wavemeter de la stabilité à court sur terme 10s Fréquence de l'onde signal (THz) 146, , , , , , , ,096 4 GHz 33 ms 146, , Temps (s) Temps (ms) Stabilité équivalente à celle de l OPO < 4MHz rms sur 10s ωi l ON1 l ON2 ω p 15 ω p /2 Réalisé avec le support du CNES

16 Conclusions & Perspectives Développement de sources optiques pour le LIDAR L architecture NesCOPO permet de générer des séquences de fréquences arbitraires adaptées au DiAL multi-λ/ multi-espèces Démonstration expérimentale de mesure DiAL courte portée en contenu intégré mono & multi-espèces avec une source compacte. L architecture NesCOPO/OPA permet une montée en énergie et peut être utilisée pour diverses espèces gazeuses. Développements futurs Améliorer la robustesse de nos sources pour une meilleure stabilité spectrale Développement d un instrument DiAL moyenne portée compact et multiespèces. Extension de la gamme spectrale vers le 8 12 µm

17 17 Merci de votre attention