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[THESE avec FINANCEMENT] Nouvelle génération de lidars atmosphériques par combinaison cohérente d'amplificateurs à semiconducteurs

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  • Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau)
  • Laboratoire Charles Fabry, Lasers

Nouvelle génération de lidars atmosphériques par combinaison cohérente d'amplificateurs à semiconducteur

Nous proposons de mettre au point un lidar à absorption différentielle aéroporté de nouvelle génération pour la mesure du profil de concentration de la vapeur d'eau dans la troposphère, basé sur une technologie à diodes laser assurant robustesse et fiabilité sur le long terme. Afin d'atteindre le niveau d'énergie requis tout en maintenant un faisceau adapté à l’étroit champ de vue du lidar, la source laser consistera en la superposition cohérente des faisceaux issus de plusieurs amplificateurs à semiconducteur en régime impulsionnel.

Objectifs

Nous proposons de démontrer le potentiel de la combinaison cohérente d'amplificateurs à semiconducteur pour de nouvelles applications, en particulier les lidars, en étendant les gammes de fonctionnement des dispositifs actuels (spectre, régime temporel), en collaboration avec le Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (CEA, Saclay). Les performances du lidar développé seront comparées à celles des instruments pré-existants. A terme, le lidar intégrant le module de combinaison cohérente sera mis à la disposition de la communauté scientifique, et contribuera au renouvellement de la flotte française en équipements de télédétection performants pour sonder la basse et moyenne troposphère.

Présentation détaillée du projet doctoral

L’augmentation de la concentration en vapeur d’eau dans la troposphère constitue l’un des effets les plus significatifs du changement climatique. Elle se manifeste à des échelles de temps courtes (lors d’évènements extrêmes tels que des cyclones, les épisodes cévenols, …) ou longues (augmentation de l’humidité à basse altitude dans l’Arctique conditionnant le début précoce de la fonte des glaces). Les mesures de l’humidité troposphérique réalisées par les capteurs satellites présentent un échantillonnage temporel insuffisant et une résolution spatiale médiocre dans les couches où sont initiées les phénomènes convectifs. Seuls des lidars aéroportés peuvent fournir des mesures suffisamment résolues spatialement et temporellement. Les lasers à cristaux pompés par flash utilisés dans les lidars utilisés jusqu'à aujourd'hui sont obsolètes, et nécessitent d'être remplacés par des sources plus robustes et fiables, nécessitant une maintenance minimale.  Dans ce contexte, les diodes laser pourraient constituer une solution bien adaptée, du fait de leur efficacité électrique-optique, leur compacité et leur robustesse. Toutefois, la puissance crête extraite des composants disponibles aujourd'hui reste insuffisante pour les besoins des lidars atmosphériques. C'est pourquoi nous proposons d’étudier une nouvelle architecture de combinaison cohérente d'amplificateurs à semiconducteur en régime impulsionnel et d'évaluer le potentiel de cette configuration pour les lidars à mesure d'absorption différentielle (DIAL). 

La combinaison cohérente consiste en la superposition, par interférences constructives, des faisceaux issus de plusieurs sources laser en phase. Cette technique permet d'augmenter la puissance laser disponible sans dégrader les autres propriétés des faisceaux, en particulier leur spectre et leur profil spatial. Dans le domaine des lasers à semiconducteur, cela présente un intérêt tout particulier pour dépasser les limites des composants individuels.

Dans le cadre de cette thèse, nous proposons de développer un lidar à absorption différentielle (DIAL) dédié à la mesure de la vapeur d'eau atmosphérique.  Dans ce but, nous proposons d’étudier des amplificateurs à section évasée, qui délivrent des puissances élevées dans des faisceaux proches de la limite de diffraction. Les amplificateurs seront injectés par une même source stabilisée spectralement et commutable rapidement entre deux longueurs d'onde autour d'une transition de la vapeur d'eau. Nous évaluerons de manière détaillée le fonctionnement dynamique de ces amplificateurs en régime impulsionnel (puissance, phase, profil spatial,…). Nous chercherons à concevoir et développer un dispositif expérimental de combinaison cohérente à partir de ces composants dans une architecture d'interféromètre Mach-Zehnder. Nous étudierons les performances du dispositif réalisé en relation avec les besoins spécifiques des lidars atmosphériques aéoroportés (énergie par impulsion, qualité spatiale et spectrale, stabilité de l'émission...) en prenant en compte les contraintes d'encombrement, de consommation électrique et de stabilité mécanique inhérentes à de tels dispositifs. Finalement les performances du lidar seront comparées à celles des instruments actuellement disponibles.

Laboratoires impliqués

Le Laboratoire Charles Fabry travaille sur le sujet de la combinaison cohérente de diodes laser depuis plusieurs années, au travers de collaborations avec des industriels et des laboratoires européens spécialisés dans la conception, et la réalisation et la modélisation de ces composants (→plus d'informations sur cette thématique). Le Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement est un acteur majeur de la recherche fondamentale en météorologie et dans l'étude du climat, et est particulièrement reconnu pour ses développements instrumentaux de lidars légers capables de fonctionner sur le terrain (→plus d'informations).

Le financement de la thèse est assuré par le CNRS dans le cadre de l'appel à projet 80Prime 2020 qui soutient des projets émergents interdisciplinaires. 

Plus d'informations sur ce sujet :

T.Y. Fan, IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron. 11(3), 56 (2005)
P. Albrodt et al, Optics Express 27(20), pp 27891-27901 (2019)
S. Spuler et al., Atmos. Meas. Tech., 8, 1073–1087 (2015)

Contact & candidature

Pour ce sujet, nous recherchons un.e candidat.e ayant une solide formation en optique expérimentale et en instrumentation laser. Il s'agit d'un travail présentant une très forte composante expérimentale (conception, développement, caractérisation) .

Envoyer un CV + lettre de motivation + relevés de notes M1-M2 à Gaëlle LUCAS-LECLIN (gaelle.lucas-leclin@institutoptique.fr)

Date limite de candidature :

15 Septembre 2020

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