Source paramétrique très rapidement accordable en bande III, pour la détection LIDAR de molécules à spectre large

Pour les applications de surveillance de l’atmosphère, la sécurité ou la défense, l'unité Sources Laser et Métrologie (SLM) du Département Physique Instrumentation Environnement Espace (DPHY) de l’Onera, développe des instruments LIDAR permettant de détecter des espèces chimiques à distance. Ces LIDAR utilisent le fait que les gaz absorbent la lumière à des longueurs d’ondes précises (correspondant à des modes de vibration moléculaire). La mesure de la quantité de lumière absorbée par le gaz, à la longueur d’onde ON, permet de remonter à son identité et à sa concentration. Une mesure de référence faite à une deuxième longueur d’onde OFF, non absorbée par le gaz, est indispensable pour corriger la mesure des pertes optiques dues à d’autres facteurs.
Ces LIDAR nécessitent de développer des sources laser avec les caractéristiques suivantes : impulsions nanoseconde, puissance crête > 1 kW, longueur d’onde située entre 8 et 12 µm, spectre optique < 0.5 nm. De plus, la longueur d’onde doit pouvoir être basculée entre les longueurs d’ondes ON et OFF, parfois distantes de 500 nm, rapidement (idéalement en 10 ms) et sans que le faisceau ne bouge. Le développement d’une telle source et sa mise en œuvre dans un instrument nécessitent de lever plusieurs verrous technologiques et justifient donc un travail de doctorat.
La thèse proposée s'appuiera sur trois thèses antérieures portant sur la réalisation d'oscillateurs paramétriques optiques (OPO) émettant dans la gamme 8-12 µm. Bien qu’ayant abouti à un transfert technologique vers un industriel et à des essais sur le terrain, ces oscillateurs étaient limités soit en puissance crête, soit en rapidité de bascule en longueur d’onde ON/OFF.
Pour débloquer ces verrous technologiques, nous proposons d’amplifier le rayonnement issu de ces OPO dans un amplificateur (OPA), pompé par un laser à 2 µm basé sur l’ion thulium. En effet, ces lasers peuvent émettre une puissance crête > 10 kW, ce qui permettra d’augmenter la portée du LIDAR et même permettre la résolution en distance. De plus, certains de ces lasers sont rendus très rapidement accordables par un déflecteur acousto-optique intra-cavité, ce qui permettra de répondre au besoin de bascule ON/OFF.
En parallèle de ces développements laser, des mesures avec le LIDAR actuel pourront être faites afin de mieux apprécier le cahier des charges de la future source laser.
Ces développements représenteront une avancée significative par rapport à l'état de l'art international et donneront lieu à plusieurs publications dans des revues à comité de lecture.
Collaborations envisagées : TeemPhotonics (Grenoble), Thales R&T (Palaiseau)