Development of infrared sources and quartz resonators for photoacoustic spectroscopy
Développements de sources infrarouges et de résonateurs en quartz pour la spectroscopie photoacoustique
Résumé
Infrared photoacoustic spectrometry QEPAS is one of the most sensitive technique for trace gas sensing. The goal of the thesis is to improve the two key elements of the instrument : the mechanical resonator and the coherent infrared light source.
First, the use of resonators as an acoustic waves sensor is investigated, allowing to better understand their behavior. Our modeling include a new analytical formula of their quality factor,
predicting the amount of losses they experience when immersed within a gaz. The models are used to design and fabricate new custom resonators, leading to enhanced performances.
Second, two infrared sources named QCL and OPO are optimized for the photoacoustic application.
The optimal pump pulse for an OPO is derived to efficiently distribute the available pump energy in time, hence maximizing the yield of infrared light. A simulation software has also been created for OPOs, able to quickly predict the spectrum of any type of OPO.
La spectrométrie photoacoustique QEPAS constitue l’une des méthodes les plus sensibles pour la détection de gaz à l’état de traces. Ses performances sont étroitement liées à celles de sa source de lumière infrarouge cohérente et de son résonateur mécanique qui détecte les ondes acoustiques. La thèse a pour objectif de développer ces deux briques élémentaires.
Dans un premier temps, les performances des résonateurs mécaniques sont modélisées, permettant de mieux comprendre leur comportement. Une formule analytique originale de leur facteur de qualité y est incorporée, permettant de prédire avec précision les pertes qu’ils subissent
lorsqu’ils résonnent dans un gaz. Grâce à ces modèles, de nouveaux résonateurs optimisés sont conçus et réalisés, aboutissant à des performances améliorées.
Dans un second temps, les sources cohérentes infrarouges QCL et OPO sont améliorées pour la photoacoustique.
L’impulsion de pompe optimale pour un OPO est présentée pour distribuer au mieux l’énergie de pompe disponible dans le temps, et ainsi maximiser le rendement de rayonnement infrarouge disponible. Un logiciel de simulation numérique original des OPOs est également créé, et permet de simuler rapidement le spectre d’émission d’un OPO quelconque.