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

Transductions optiques pour la détection photoacoustique et photothermique de traces de gaz 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.