Enjeux des OPO infrarouges pour les applications de ...cmdo.cnrs.fr/IMG/pdf/Godard_OPO_IR_CMDO_ING_2012.pdf · • Identification de composés toxiques (NRBC), détection d’explosifs

Enjeux des OPO infrarouges pour les applications de détection et d'analyse de gazapplications de détection et d analyse de gaz

Antoine GodardAntoine GodardONERA/DMPH

Action Nationale de Formation, Les Enjeux de la Génération Non Linéaire Paramétrique dans les Domaines UV et IR : État de l’Art et Nouveaux Chalenges, 28 & 29 juin 2012, Grenoble

Plan

• Contexte applicatif• Spécificités du domaine infrarouge• Spécificités du domaine infrarouge• Applications et techniques de mesures

• Enjeux des OPO pour la détection et l’analyse de gaz• État de l’art• Problématiques détection locale / à distance

• Approches développées à l’Onera• Approches développées à l Onera • Principe de l’OPO à filtrage spectral par effet Vernier• Application aux mesures locales• Application aux mesure à distance• Application aux mesure à distance

• Perspectives et développements en cours• Montée en énergie (problématique des Lidars longue portée)g (p q g p )• Miniaturisation (toutes problématiques)• Montée en longueur d’onde (gamme 6-14 µm pour problématiques de défense et sécurité)

2

Plan





3

Spécificités de l’infrarouge pour la détection d’espèces chimiques

• Raies rovibrationnelles de nombreuses molécules présentes à l’état de traces dans l’atmosphèrep

4

Possibilité de détection à longue portée

• Présence de fenêtres infrarouges de transmission atmosphérique

Y. Cojan, Techniques de l’ingénieur (1995)

5

Nombreuses applications

• Applications industrielles• Diagnostic et optimisation des performances moteurs, suivi de

processus maintenance & sécurité (surveillance de site de stockage)processus, maintenance & sécurité (surveillance de site de stockage)

• Environnement • Détection de polluants atmosphériques (dioxyde de carbone, méthane…)

Analyse de la qualité de l’air intérieur (formaldéhyde)• Analyse de la qualité de l’air intérieur (formaldéhyde)

• Biomédical : analyse de l’air expiré (diagnostic précoce)• Défense & Sécurité

• Identification de composés toxiques (NRBC), détection d’explosifs • Détection de substances gazeuses spécifiques

6

Détection active dans l’infrarouge

• Absorption caractéristique des moléculesdans l’infrarouge

• Discrimination/Identification• Quantification

• Mesure active (laser) Cellule

• Contrôle de l’information ⇒ sélectivité• Éclairement localisé de la scène ⇒ détectivité

• Mesure locale • Niveau ppb souvent recherché• Absorption directe ou multi passage• Cavity ring down spectroscopy• Spectroscopie photoacoustique (cellule photoacoustique traditionnelle diapason à quartz…)

• Mesure à distance (10 m – 10 km)• Imagerie active multi-spectrale de gazImagerie active multi spectrale de gaz• Lidar à absorption différentielle (DIAL) Source

7

Receveur

Plan





8

Couverture spectrale des sources laser infrarouges

Er3+Yb3+Nd3+

Cr2+Ho3+Tm3+Er

Lasers à solide massifs et à fibre

QCLCO2

Fe2+Cr

Lasers CO2

Lasers à semi

OPO/GPODiodes laser

ICLLasers à semi-conducteursSources paramétriques

2 4 6 8 10 12

Longueur d'onde (µm)

paramétriques

è é f è à 3• Nombre très limité de filières technologiques au-delà de 3 µm : • OPO• Lasers semi-conducteurs

9

OPO : principes de base

ħωp

ħωc

ħωs• Conversion de la fréquence d’un laser de pompecomplémentaire

Conservation de l’énergieħωp = ħωs + ħωc

cristal NL χ(2)

pompe

signal

pompe dépeuplée

Accord de phasekp = ks + ki (+ kΛ)

génération paramétriquesignal

• Mise en cavité du cristal non linéaire → oscillateur• Amplification paramétrique à chaque passageAmplification paramétrique à chaque passage• Accès aux gammes spectrales non couvertes par les lasers• Ajustement des conditions d’accord de phase (température, orientation du cristal) → très

grande accordabilité en longueur d’ondeg g

PPLN

λ3,5 µm 4 µm 4,5 µm

10

λ, µ

Mesures à distance : pré carré des OPO

Technologie Lasers à cascade quantique Sources paramétriques

Régime continu ou quasi-continu (modulé) impulsionnel ou continu

Puissance ~ 2 W (λ > 4,5 µm)> 10 W (haute cadence)

moyenne 2 W (λ 4,5 µm)~ 1 W (λ > 8 µm, limitée par la pompe)

Énergie par impulsion ~ 100 nJ (régime nanoseconde)

~ 30 mJ (basse cadence)~ 10 mJ (λ > 8 µm)

Accordabilité~ 300 cm–1 (commercial, P ~ 10-100 mW)~ 500 cm–1 (laboratoire)

~ 900 cm–1 (commercial, P ~ 1 W)~ 2 500 cm–1 (laboratoire)

Pompage Electrique Laser

Détection à distance (LIDAR)

Fonctionnement impulsionnel et accordable requis

11

Sources paramétriques (seule solution existante pour λ > 3 µm)

Mesures locales : enjeux des OPO

• Concurrence frontale avec les lasers semi-conducteurs• Les OPO doivent se démarquer pour être compétitifsq p p

• Offrir une grande accordabilité → détection multi-gaz (émission d’une smart grid de longueurs d’onde pour s’affranchir des interférants)

• Niveau de puissance élevé → détectivité élevée sub-ppb (photoacoustique)• Rivaliser en termes de compacité et de coût : les lasers semi-conducteur à capacité

multi-gaz restent couteux et complexes (cavité étendue)

12

Université NeuchâtelC. K. N. Patel, Eur. Phys. J. Special Topics 153, p. 1-18 (2008)

État de l’art – OPO continus

• Naturellement dédiés aux mesures locales• Bonne maturité technologiques• Grande finesse spectrale• Généralement OPO simplement résonnant :

Incon énient se il éle é (qq W) s stème relati ement encombrants (laser de pompe)• Inconvénient : seuil élevé (qq W) → système relativement encombrants (laser de pompe)• Avantage : forte puissance moyenne → hautes détectivité (sub ppb démontré)

Université de Twente, Bristol, Radboud

13

Système Argos (Aculight Lockheed Martin)

État de l’art – OPO impulsionnels

• OPO simplement résonnant (SROPO)• Seule une onde résonne dans le cavité• Multimode régime nanoseconde → inadapté au besoin

Bande de gain paramétrique Δk ≈ 0

ω

cristal NL

• Multimode régime nanoseconde → inadapté au besoin

ωp/2

ωc

ωs

Émission multimodeωp/2

• Techniques usuellement mises en œuvre • Insertion de réseaux de diffraction, étalon → augmentation du seuil, encombrement• Insertion de VBG → accordabilité délicate• Injection par source monofréquence continue → accordabilité imposée par la source

d’injection, asservissement délicatKTH (SUE)

Université d’Otago (NZ)

14

Université Macquarie (AUS)

Exemples de système d’imagerie active multi-spectrale courte et moyenne portée à base d’OPO

Sandia National LaboratoriesUniversité St Andrews

15

Exemples de systèmes Lidar longue portée

Institut de technologie de Lund (SUE)

National Physical LaboratoryNational Physical Laboratory

16

Lidar embarqué sur satellite – Suivi des gaz à effet de serre

Espèce λ (µm)• Spécifications très sévères

• Émission d’au moins deux raies

Principales espèces

CO2 1,57 / 2,05

CH4 1,64 / 2,29

• Stabilité de fréquence de qq MHz• Pureté spectrale > 99,9 % dans 1 GHz• Bonne qualité de faisceau M2 < 2 • Énergie qq 10 mJ (détection directe)

H20 0,935 / 0,942

N2O 3,93

O2 0,764

• Énergie qq 10 mJ (détection directe)• Compact, robuste, faible

consommation, qualifié spatial…

2 ,

λ

λ1 (frequency locking)λ1 = 935.6845

H20

λONλOFF

λ2

λOFF

λ3 λ2λ3

λOFF

= 935.5611 = 935.9065

IP-DIAL 2-λ pour sonder la basse troposphère IP-DIAL multi-λ

DIAL multi-λ pour sonder différentes couches

17

la basse troposphère IP DIAL multi λ différentes couches atmosphériques (WALES)Writh et al Appl. Phys B, 96 (2009)

Plan





18

OPO doublement résonnant (DROPO)

Bande de gain paramétrique

Multimodeωp/2 ωp

ωs

M1 M3

DROPO à cavités dissociées2DROPO à cavité commune

ΔωsΔωc

ωsωc

ωp

0ωs

M1 M2s

ωc

ωp

ωsωc 0s

ωc

ωp

M2 M4

19

DROPO à filtrage spectral par effet Vernier

Bande de gain paramétrique

Suppression des modesvoisins

DROPO à cavités dissociées

ΔωsΔωc

voisins

ωs

M1 M3scs

ωc

ωp Nouveau principe de filtrage spectral dans les OPO impulsionnels

M2 M4

p

• Conditions pour une émission monofréquence• Cavités courtes → large intervalle entre modes• Cristal long → bande de gain paramétrique étroite• ΔL/L = quelques %

• Accord par variation des longueurs de cavité

20

• 4 brevets Onera

OPO doublement résonnant à cavités duales

Effet Vernier → une seule paire de modes signal et complémentaire est sélectionné dans la bande gain

Principe

Parametric gain curve

ωp

ωc

ωs

M2 M4

É i i f é

ωc ωsΔωc

Δωs

s

M1 M3

Scherrer et al JOSAB 17 (2000) 1716 Émission mono-fréquenceScherrer et al, JOSAB 17 (2000) 1716

OPO à cavités imbriquées Configuration actuelle : Nested Cavity OPO (NesCOPO)

M1M2 M3

M4ωp

ωc

Cavity OPO (NesCOPO)

ωcωp

M1M2

M3

Miroir doré

Période Λ

Drag et al, Opt. Lett. 27 (2002) 1238

ωs

PZT c PZT s+cΛ/4

θ

+d -d-dPosition

transverse du cristal

∆φM3 = π

21

ag e a , Op e ( 00 ) 38

Hardy et al, Opt. Lett. 36 (2011) 678PZT c PZT s+c ∀λ

Performances du NesCOPO

2 0 9 6 8 3 1 8 0

2 0 9 6 8 3 .2 0 0

GH

z)

sd: 6 MHz rms

• Stabilité à long terme (pas de

Stabilité en fréquence

2 0 9 6 8 3 .1 6 0

2 0 9 6 8 3 .1 8 0

requ

ency

(G

g (psauts de modes) pendant des heures sans boucle fermée

• Stabilité à court terme (6 MHz

2 8 2 9 3 02 0 9 6 8 3 .1 4 0

Fr

T im e (m in )Pureté spectrale10 MHz

(rms)

crystal housing-40

-20

dB]

-60

Inte

nsity

[d

203.0 203.5 204.0 204.5-80

Frequency (THz)

22

• Side-mode suppression ratio ~40 dB

Mise en œuvre du NesCOPO avec pompage µ-laser

en collaboration avec• Pompage par micro laser fibré (SLM, 6 µJ) • Seuil du NesCOPO ~1 µJ, émission monofréquence

Di itif déjà é li é d l 3 3 3 7 t 3 8 4 5• Dispositifs déjà réalisés dans les gammes 3,3-3,7 µm et 3,8-4,5 µm

23

Accord fin en fréquence

Bande de gain paramétriqueωi

ωp

M1M2 M3

ωsωiωsω⎛ ⎞

⎜ ⎟1 iLPZT i PZT s+i

δωω

δ⎛ ⎞

= − +⎜ ⎟⎝ ⎠

M31 is

si

i LL LL

204700

204650

204675

GH

z)

204600

204625

eque

ncy

(G

136 GHz

0 20 40 60 80204550

204575Fre

24

0 20 40 60 80Time (min)

Local sensing measurements

Gas cell absorption spectra of various green house gasesrecorded using a single NesCOPO device

NesCOPO

1.0n or

ie

1.0

rie

N2O 10 hPa CO2 10 hPa

0 5

1.00.0

0.5

Tran

smis

sion

ure

Théo

0 5

1.00.0

0.5

rans

mis

sion

sure

Théo

r

Reference

3895 3900 3905 3910 39150.0

0.5T

Longueur d'onde [nm]

Mes

u

4185 4190 4195 42000.0

0.5TrM

es

Longueur d'onde [nm]Gas

cel

l

1.0

orie

0 9

1.0

n ory

SO2 50 hPa CH4 20 hPa

0 9

1.0

0.9

rans

mis

sion

sure

Thé o

0.9

1.0

0.8

0.9

sure

Tran

smis

sion

The

IR detector

253975 3980 3985 3990 3995 4000

0.9TrM

es

Longueur d'onde [nm]3815 3820 3825 3830 3835

0.8MesT


Wavelength tuning by Vernier frequency sampling

Idler mirror PZT displacement onlyωs

ωi

PPLN

PZT i Idler mirror PZT displacement onlyωs

M1 M2 M3

Parametric gain bandwidth

Intensity

ΔωsΔωc

26


ωs

ωi

PPLN

PZT i Idler mirror PZT displacement + M3 PZT shiftPZTs+iωs

M1 M2 M3

P t i i b d idthParametric gain bandwidth

I t itIntensity

ΔωsΔωc

27


ωi

PPLN• Ajustable span (up to 10 cm‐1)

• Adjustable spectral resolution (upωs

i

M1 M2 M3

PZT i PZTs+i• Adjustable spectral resolution (up to 0.003 cm‐1)

• Generic design


Vernier frequency sampling by cavity length control **


Intensityy

28

ΔωsΔωc ** Hardy B. & al., Applied Physics B, 2012

Détection locale de méthane atmosphérique

• Spectroscopie photoacoustique• Concentration de méthane atmosphérique ~ 1,8 ppm • Sensibilité sub-ppm (améliorable au ppb)Sensibilité sub ppm (améliorable au ppb)

2384,8 2385,2 2385,6 2386,0

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Calculation using Hitran database, (500ppm CO2) Measurement

Idler frequency (cm-1)

SOURCERESONANTPA CELL

Reference Photodetector

CH4 atmosphérique

CONTROL ELECTRONICS

Reference Photodetector

0,9995

1,0000

on th

éoriq

ue

Théorie

10 0.8 Courbe expérimentale

e [u

.a.] Calcule Hitran

0,9985

0,9990

Tra

nsm

issi

o

Mélange CH4 + H2O Concentration et pression atmosphériques

N2O (100 hPa)

5 0.4

0.6

hoto

acou

stiq

u

(u. a

.)

3017 3018 3019 3020 3021

Nombre d'onde (cm-1)

Expérience

4022 4024 4026 4028 4030 40320 0.0

0.2S

igna

l ph


Mes

ure

PA Expérience

29

Longueur donde [nm]Nombre d’onde (cm-1)

Mesures locales : action de valorisation en cours

NesCOPO

• Transfert vers Blue Industry & Science

A li ti

cous

tique

• Applications :• Détection de gaz pour contrôle de la qualité de l’air dans les

bâtiments publics

lule

pho

toa

• Objectif :• Niveau de détectivité ppm/ ppb pour les principaux polluants

Détecteur IR

Cel

Détecteur IR(référence)

30

Détection courte distance : démonstration sur CO2

• Portée ~ 30 m (cible topographique)

Détection de CO2 atmosphérique à 4,2 µm

• Détection de fuite de gaz• Généralisable à d’autres substances (polluants, gaz à effet de serre, explosifs…)

Control electronicsReception optics

Non

Fuite de CO2

Control electronicsand

data acquisition

SignalMCT

µlaser pumped NesCOPOtransmitter Emission 3 8 4 3

Non collaborative

target

0 ,8

1,0

%)Reference

MCT

Emissionoptics

3.8 – 4,3 µm

0.6

0.8

1.0

(a.u

.)

0 ,6 Sans fu ite

ansm

issi

on (

2384 2386 2388 23900.0

0.2

0.4 Experiment Hitran calculationIn

tens

ity (

2388,0 2388,5 2389,0 2389,5

0,4 Fuite de CO 2

Tra

1

31

2384 2386 2388 2390

Wavenumber (cm-1)

Fréquence com plém entaire (cm -1)

Système OPO haute énergie pour Lidar CO2

• Architecture MOPA• OPO maître PPLN type II : faible largeur de raie proche de la

dégénérescence (2 05 µm)

40

50 M2~1,5dégénérescence (2,05 µm) • Amplificateurs : 1 PPLN type 0 + 4 KTP• 15 mJ signal seul, 6 ns, 30 Hz, déplétion de pompe de 50%

compatible mes re CO par Lidar

60

70

80

90 Profil signal • ⇒ compatible mesure CO2 par Lidar

20 30 40 50 60 70 80

100 (sortie ampli)

Type II ppLNDROPO ωs

ωpType II ppLNDROPO

DROPOPPLN type II ωs

ωp

4 stages KTP amplifier

O O

Type 0 ppLN preamplifier

DROPO Pump(1mJ)

ωi ωi

s

4 stages KTP amplifier

O O

Type 0 ppLN preamplifier

DROPO Pump(1mJ)

4 étages KTP amplificateur

yp

PPLN Type 0 preamplificateur

Pompe DROPO

(1mJ)

ωcωc

s

10ns delayedOPA pump10ns delayedPompe OPARetard de10 ns

32

OPA pump(92mJ)(92mJ)Retard de10 ns (92mJ)

Raybaut & al., Opt. Lett., 2009

Plan





33

Montée en énergie – plusieurs bancs Lidar en cours de développement

• Banc CO2 pour Lidar embarqué sur satellite• Suivi des gaz à effet de serre• Études au profit de l’ESA et du CNES• Études au profit de l ESA et du CNES• Architecture MOPA • > 25 mJ à 2050 nm• Fluctuations de fréquence < 3 MHz rms sur 30 s

• Banc DIAL CO2 + CH4 + H2O• Portée > 10 km (> 15mJ) • Trois espèces chimiquesp q

• Lidars pour surveillance de sites industriels• banc DIAL multi-espèces 3–3,8 µm portable (surveillance des sites

industriels), portée >10 km), p• Banc DIAL multi-espèces 3–3.8 µm compact, portée 100 m–1 km

λ2

λλ

λ1λ1λON

λOFFλ2

λλ

λ1λ1λON

λOFF

λON

λOFF

λON

λOFFλOFFλ3

λ2λ3

λOFF

λOFFλ3λ2

λ3

λOFF

34

LIDAR DIAL multi-λ et multi-espècesLIDAR DIAL multi-λ et multi-espèces

Miniaturisation

• Micro-assemblage et collage UV d’OPO• Banc de micro-assemblage mis au point (2010-2011)• Réalisation préliminaire : SROPO collé, pompé par laser ns couplé dans une fibreRéalisation préliminaire : SROPO collé, pompé par laser ns couplé dans une fibre• Prochaine étape : réalisation d’un NesCOPO « tout collé »

This work is supported by grants f R i Il d Ffrom Region Ile de France

35

Problématique des matériaux non linéaires IR

KTiOPO (KTP)

LiTaO3

LiNbO3

RbTiOAsO4 (RTA)

KTiOAsO4 (KTA)

KTiOPO4 (KTP)Oxydes

AgGaSe2

CdSe

ZnGeP2 (ZGP)

Semi-conducteurs

GaAs

AgGaS2

2

2 4 6 8 10 12

Les matériaux non linéaires standards (LiNbO KTP ) sont

2 4 6 8 10 12

Wavelength (µm)

• Les matériaux non linéaires standards (LiNbO3, KTP,…) sont inutilisables au dessus de 4,5 µm

• D’autres matériaux moins matures deviennent alors nécessaires pour

36

pλOPO > 4,5 µm → semi-conducteurs

Synthèse, croissance et recuit de ZGP à l’Onera

Financement : ANR Carnot et DGACollaboration ISL

Recuit• Amélioration de la

i iSynthèse• Rendement de croissance > 95 % • Pas de phase observable ZnP2

transmission• Processus en cours

d’optimisation • Encore des progrès à• Encore des progrès à

réaliser pour atteindre l’état de l’art

Croissance 0.6

0.8

1.0 sans recuit recuit 100h/600C recuit 200h/600C recuit 300h/600C mesures OPO

m-1)

• Nouvelle croissance à partir de germes orientés

• Obtention d’un cristal sans fracture de 100g 0.0

0.2

0.4

α (c

m

37

fracture de 100g2.0 2.5 3.0

λ (µm)

NesCOPO OP-GaAs pour la détection de substances dangereuses dans la gamme spectrale 6-14 µm• Fonctionnement actuellement limité à λ < 4,5 µm (absorption PPLN)• Projet ASTRID MUSTARD : association de trois technologies clés

• Configuration NesCOPO (Onera) → fonctionnement monofréquence acordable en• Configuration NesCOPO (Onera) → fonctionnement monofréquence acordable en régime impulsionnel nanoseconde

• Cristal non linéaire OP-GaAs (TRT) → accès à la gamme 6-14 µm• Microlaser de pompe fibré émettant à 2 µm (TRT + Teem Photonics)

ωcωp

M1M2

M3

µ Laser

ωs

PZT c PZT s+d -d +d

PPLT

+d -d +d

PPLTPPLN

OP-GaAsNesCOPO

µ-Laser

MIR

2 µm

38

OP-GaAs

Cristaux cylindrique : grande accordabilité

• Extension de l’accordabilité accessible avec un cristal NL• Particulièrement intéressant pour les matériaux faiblement• Particulièrement intéressant pour les matériaux faiblement

biréfringent tel que CdSe

161820

CdSeλp = 2,1 µmO

(µm

)10121416 p , µ

nde

OPO

CdSe468

10ue

urs

d'o

65 70 75 80 8524

Long

u

Angle θ (°)

39

Angle θ ( )

Bilan

L OPO i f t t à é d à d b• Les OPO infrarouge sont aptes à répondre à de nombreuses applications liées à la détection et l’analyse de gaz mais il reste encore du travail à accomplirp

• Détection locale : il faut se démarquer des lasers à semi-conducteurs• Capacité multi-gaz indispensable → accordabilitéCapacité multi gaz indispensable → accordabilité• Être compétitif en termes de coût et d’encombrement → miniaturisation, pompage diode

• Détection à distance : augmenter le TRLDétection à distance : augmenter le TRL• Fiabiliser les systèmes dans les gammes spectrales « faciles »• Atteindre la gamme > 6 µm (enjeux de sécurité et de défense) → études matériaux

40

Remerciements

• Permanents Onera J.-B. Dherbecourt, J. Petit, M. Lefebvre, J.-M. Melkonian, A. K. , , , ,Mohamed, M. Raybaut, E. Rosencher, T. Schmid

Doctorants• DoctorantsA. Desormeaux (2001-2005), A. Berrou (2005-2008), B. Hardy-Baranski (2008-2011), J. Barrientos-Barria (depuis 2011)

• PostdoctorantC D (2000 2002)C. Drag (2000-2002)

• ApprentiApprentiV. Faivre (2010-2011)

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Documents

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