Optical transduction methods for the photoacoustic and photothermal detection of trace gas

Les cavités Fabry - Perot constituent une alternative optique de transduction pour la détection résonante de traces de gaz, par la méthode photoacoustique et photothermique. Le principe de la mesure exploite le décalage de la résonance de la cavité optique, induit par des perturbations pouvant être d'origine acoustique ou thermique. Deux approches ont été étudiées, puis les systèmes de transduction ont été fabriqués, caractérisés et finalement implémentés dans des capteurs pour la détection de traces de gaz.La première approche est basée sur une cavité Fabry - Perot de faible finesse, placée en bout de fibre et interrogée par une diode laser bas - coût à 1,55 µm. Le second miroir de la cavité est une poutre résonante mécaniquement, conçue pour la mesure de faibles signaux acoustiques. Dans un premier temps, un modèle à éléments réduits a été mis en place afin de prédire le comportement couplé de la structure mécanique, du fluide environnant, et de son interaction avec la source d'excitation lumineuse dans le capteur. Ce modèle a été comparé avec succès à des résolutions effectuées par la méthode des éléments finis et à des résultats expérimentaux de caractérisation. La limite de détection à la fréquence de résonance du système est de l'ordre de 2 μPa/√Hz. Finalement, le système de transduction a été intégré dans un capteur photoacoustique, calibré sur une raie d'absorption du NO, dont la limite de détection est inférieure à 10 ppb.La seconde approche, plus novatrice, consiste en une cavité Fabry - Perot à saut de phase, fabriquée sur une fibre optique et de grand facteur de qualité, stabilisé par la méthode de verrouillage optique de Pound – Drever – Hall. La méthode de verrouillage optique employée rend le guide optique extrêmement sensible aux décalages du pic de résonance, qui dépendent ici essentiellement des perturbations d'origine thermiques. Après une implémentation du modèle à éléments réduits, adapté à ce nouveau problème, le guide optique est monté dans un capteur photothermique et testé pour la détection de CO2 atmosphérique. La limite de détection, estimée par extrapolation, est ici de l'ordre du ppm.This thesis focuses on the study of Fabry - Perot cavities, used as optical transduction alternatives for the resonant detection of gas traces, by the photoacoustic and photothermal method. The principle of measurement is based on the shift of the optical cavity resonance, induced by acoustic or thermal perturbations. Two approaches have been studied, then the transduction systems were fabricated and characterized, and finally implemented in sensors for trace gas detection.The first approach is based on a Fabry - Perot cavity of low finesse assembled at a fiber tip and interrogated by a low - cost laser diode emitting at 1.55 µm. The second mirror of the cavity is a mechanically resonant cantilever beam, suitable for the measurement of weak acoustic signals. In a first step, a reduced element model was set up to predict the coupled behavior of the mechanical structure, the surrounding fluid, and its interaction with the excitation light source in the sensor. The model has been successfully compared with resolutions performed by the finite element methods and experimental characterization results. The limit of detection at the resonance frequency of the system, is of the order of 2 μPa/√Hz. Finally, the transduction system was integrated in a photoacoustic sensor and calibrated on a NO absorption line, leading to a detection limit lower than 10 ppb.The second approach, more innovative, consists of a phase shifted Fabry - Perot cavity, fabricated on an optical fiber and of very high quality factor, stabilized by a Pound-Drever-Hall optical locking technique. The implemented optical locking permits to be extremely sensitive to optical resonance shifts, which depends here mainly on thermal perturbations. After an implementation of the reduced element model, adapted to this new problem, the optical guide is mounted in a photothermal sensor and tested for the detection of atmospheric CO2. The limit of detection, estimated by extrapolation, is here in the order of one ppm