Compact diode-based QEPAS sensors for UAVs
Capteur QEPAS compacts à diodes laser pour applications environnementales
Résumé
The modern world heavily relies on data collected by a myriad of sensors, with gas sensing technologies playing a pivotal role in numerous critical applications, spanning environmental monitoring, safety, security, oil and gas exploration, and biomedical analysis. These technologies are tasked with the detection of various gases, across a broad concentration spectrum, while providing real-time, in-situ capabilities, precise gas identification, and quantification.The burgeoning market for gas sensors offers diverse solutions categorized into non-optical and optical methods. The former includes chromatography, semiconductor, and electrochemical spectroscopy, while the latter encompasses direct absorption techniques like tunable diode spectroscopy and indirect methods such as Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy (QEPAS). Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy (QEPAS) operates on the principle of indirect absorption spectroscopy through the photoacoustic effect. In this technique, a quartz tuning fork (QTF) serves as the transducer, converting acoustic waves into electrical signals. The light source, typically a laser emitting at a specific wavelength, is absorbed by the gas sample. The excited molecules undergo non-radiative processes, causing localized heating and a corresponding pressure increase in the gas. If the light source intensity is modulated, it results in periodic thermal energy generation and the emergence of a pressure wave, i.e., a sound wave, with the same modulation frequency. Quartz, being piezoelectric, generates electrical charges proportional to the sound wave's intensity when the sound wave induces an antisymmetric prong vibration in the QTF plane. The QTF is often coupled with a micro-resonator, such as an organ pipe resonator with one or two tubes, to probe the sound wave.The laser source is a critical component of the QEPAS setup, determining the targeted gas molecule based on its emitted wavelength. Key laser source properties include power (directly proportional to QEPAS signal), laser line width, and tunability. Diode lasers are favored for their compactness and the ability to tune the emission wavelength by varying temperature and current. Distributed Feedback Diode Lasers (DFB-LDs) are particularly valuable for gas sensing due to the introduction of periodic element (grating ) into the structure allowing to have single-mode operation. These grating forms a one-dimensional interference grating (Bragg scattering) that provides optical feedback for the laser. DFB-LDs are known for their high wavelength stability and narrow linewidth, making them suitable for clean single-mode operation. Their laser light precisely matches gas absorption lines, with oscillation linewidths narrower than the absorption lines.The primary objective of this work is to design and realize custom sources for QEPAS, specifically GaSb-based DFB laser diodes with the grating positioned atop the laser ridge, emitting at 2.4 µm. To enhance the coupling between the lasing mode and the grating, the goal was to reduce the thickness of the laser structure layers, including the upper cladding and top contact layers.In summary, this thesis was focused on development compact and sensitive QEPAS sensors for toxic gas detection and the development of novel custom DFB laser diodes for such applications.
Le monde moderne s'appuie fortement sur les données collectées par une myriade de capteurs, les technologies de détection de gaz jouant un rôle central dans de nombreuses applications critiques, allant de la surveillance environnementale à la sûreté, à la sécurité, à l'exploration pétrolière et gazière et à l'analyse biomédicale. Ces technologies sont chargées de détecter divers gaz, sur un large spectre de concentrations, tout en offrant des capacités in situ en temps réel, une identification et une quantification précises des gaz.Le marché en plein essor des capteurs de gaz propose diverses solutions classées en méthodes non optiques et optiques. La première comprend la chromatographie, la spectroscopie des semi-conducteurs et la spectroscopie électrochimique, tandis que la seconde englobe des techniques d'absorption directe telles que la spectroscopie à diode accordable et des méthodes indirectes telles que la spectroscopie photoacoustique améliorée par quartz (QEPAS). La spectroscopie photoacoustique améliorée par quartz (QEPAS) fonctionne sur le principe de la spectroscopie d'absorption indirecte via l'effet photoacoustique. Dans cette technique, un diapason à quartz (QTF) sert de transducteur, convertissant les ondes acoustiques en signaux électriques. La source de lumière, généralement un laser émettant à une longueur d'onde spécifique, est absorbée par l'échantillon de gaz. Les molécules excitées subissent des processus non radiatifs, provoquant un échauffement localisé et une augmentation correspondante de la pression dans le gaz. Si l'intensité de la source lumineuse est modulée, il en résulte une génération périodique d'énergie thermique et l'émergence d'une onde de pression, c'est-à-dire une onde sonore, avec la même fréquence de modulation. Le quartz, étant piézoélectrique, génère des charges électriques proportionnelles à l'intensité de l'onde sonore lorsque celle-ci induit une vibration antisymétrique dans le plan QTF. Le QTF est souvent couplé à un micro-résonateur, tel qu'un résonateur à tuyaux d'orgue à un ou deux tubes, pour sonder l'onde sonore.La source laser est un élément essentiel de la configuration QEPAS, déterminant la molécule de gaz ciblée en fonction de sa longueur d'onde émise. Les principales propriétés de la source laser incluent la puissance (directement proportionnelle au signal QEPAS), la largeur de la ligne laser et l'accordabilité. Les lasers à diode sont privilégiés pour leur compacité et leur capacité à régler la longueur d'onde d'émission en faisant varier la température et le courant. Les lasers à diodes à rétroaction distribuée (DFB-LD) sont particulièrement utiles pour la détection de gaz en raison de l'introduction d'un élément périodique (réseau) dans la structure permettant un fonctionnement monomode. Ce réseau forme un réseau d'interférence unidimensionnel (diffusion de Bragg) qui fournit un retour optique au laser. Les DFB-LD sont connus pour leur grande stabilité de longueur d'onde et leur largeur de raie étroite, ce qui les rend adaptés à un fonctionnement monomode propre. Leur lumière laser correspond précisément aux raies d’absorption des gaz, avec des largeurs de raies d’oscillation plus étroites que les raies d’absorption.L'objectif principal de ce travail est de concevoir et de réaliser des sources personnalisées pour QEPAS, en particulier des diodes laser DFB à base de GaSb avec le réseau positionné au sommet de la crête laser, émettant à 2,4 µm. Pour améliorer le couplage entre le mode laser et le réseau, l'objectif était de réduire l'épaisseur des couches de structure laser, y compris la gaine supérieure et les couches de contact supérieures.En résumé, cette thèse s'est concentrée sur le développement de capteurs QEPAS compacts et sensibles pour la détection de gaz toxiques et sur le développement de nouvelles diodes laser DFB personnalisées pour de telles applications.
Domaines
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