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Thèse : Nouvelle génération de lidars atmosphériques par combinaison cohérente d'amplificateurs laser à semiconducteurs ((H/F)

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Informations générales

Référence : UMR8501-PATGEO0-013
Lieu de travail : PALAISEAU
Date de publication : lundi 14 septembre 2020
Nom du responsable scientifique : Gaëlle LUCAS-LECLIN
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 2 novembre 2020
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Enjeux :
Les enjeux environnementaux nécessitent des besoins de surveillance accrus de l'atmosphère pour connaître la répartition des aérosols, la proportion de différents gaz… En particulier, 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). Seuls des lidars aéroportés peuvent fournir des mesures suffisamment résolues spatialement et temporellement pour étudier ces phénomènes. Les lasers à cristaux pompés par flash utilisés dans ces lidars 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 constituent 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.

Déroulement prévisionnel de la thèse :
Dans le cadre de cette thèse, nous proposons d'étudier des amplificateurs à semiconducteur 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.
Dans un premier temps, nous évaluerons de manière détaillée le fonctionnement dynamique de ces amplificateurs en régime impulsionnel (puissance, phase, profil spatial,…) sur un montage de caractérisation dédié.
Puis nous chercherons à concevoir et développer un dispositif expérimental de combinaison cohérente à partir de ces composants dans une architecture d'interféromètre Mach-Zehnder. La stabilisation de la phase relative des faisceaux amplifiés devra être réalisée activement, avec des algorithmes et dispositifs électroniques optimisés pour le régime impulsionnel. 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, le module laser de combinaison cohérente sera intégré dans le système lidar, les performances du dispositif complet seront comparées à celles des instruments actuellement disponibles, et les différentes sources d'incertitudes seront quantifiées. Cela permettra une première estimation du gain en résolution et sensibilité de l'instrument final.
À l'issue de ces travaux, le lidar intégrant le module de combinaison cohérente pourra être mis à la disposition de la communauté scientifique ; il contribuera au renouvellement de la flotte française en équipements de télédétection performants pour sonder la troposphère, et permettre l'étude et la compréhension de phénomènes convectifs complexes. D'autre part, les travaux menés sur la combinaison cohérente d'amplificateurs à semiconducteur pourront ouvrir de nouvelles perspectives d'applications dans des gammes spectrales et des régimes temporels différents.


Références :
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)

Contexte de travail

Le groupe Lasers du Laboratoire Charles Fabry (https://www.lcf.institutoptique.fr/groupes-de-recherche/lasers) comprend une quinzaine de scientifiques (doctorant.e.s, ingénieur.e.s, chercheurs/euses et enseignant.e.s). Le groupe étudie la physique des lasers et leurs applications. En particulier, il travaille depuis plusieurs années autour de la combinaison cohérente de lasers et d'amplificateurs, en collaboration avec des partenaires industriels et académiques européens spécialisés dans la conception, la réalisation et la modélisation de tels composants.
Ce travail est mené dans le cadre d'une collaboration avec le Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (CEA, Saclay, https://www.lsce.ipsl.fr/), 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.

Le financement de la thèse a été obtenu dans le cadre de l'appel à projet 80Prime 2020 qui soutient des projets émergents interdisciplinaires.

Plus d'informations sur la thématique de recherche : https://www.lcf.institutoptique.fr/groupes-de-recherche/lasers/thematiques/lasers-semiconducteur/cbc

Contraintes et risques

Pas de risque particulier, mise en place des procédures de sécurité laser, possibilité d'expériences en vol dans le cadre du Service des avions français instrumentés pour la recherche en environnement (SAFIRE).

Informations complémentaires

Offre destinée aux candidats titulaires d'un diplôme d'ingénieur ou d'un master 2 recherche à dominante photonique, avec une forte composante expérimentale.

Les critères recherchés sont :
– Expérience en instrumentation optique
- Connaissances solides en lasers
– Autonomie et motivation

Pour candidater :
déposer un CV, une lettre de motivation,les relevés détaillés des résultats obtenus en M1 et M2, et une lettre de recommandation

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