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Lidar 2 micromètres à source hybride fibré/solide pour la télédétection du CO2 atmosphérique

Description

Dans une perspective de réchauffement climatique global, il est essentiel de mieux comprendre et caractériser, à l’échelle planétaire, les cycles des principaux gaz à effet de serre, notamment le dioxyde de carbone. L’emploi d’un Lidar (radar laser) embarqué sur satellite pourrait répondre aux besoins scientifiques d’observation du CO2 atmosphérique depuis l’espace. Le principe consiste à comparer l’intensité des signaux rétrodiffusés par la surface terrestre (ou océanique) à deux longueurs d’ondes très proches, l’une étant partiellement absorbée par le CO2 et l’autre ne l’étant pas, afin d’en déduire la concentration totale de CO2 rencontrée le long du trajet optique (technique IPDA : Integrated-Path Differential Absorption).

Dans le cadre de la construction d’une future mission « Lidar spatial », différentes actions sont actuellement menées par les agences spatiales (NASA, ESA, JAXA, CNES) pour le développement de nouvelles sources lasers dans le proche IR (1.5-2 µm). Une source laser pulsée, monomode, de forte puissance, compacte, transportable, de bonne efficacité électro-optique, insensible aux vibrations est nécessaire. Les sources laser « tout fibré » ont les propriétés requises mais l’énergie extractible par impulsion est limitée par les effets non-linéaires dans les fibres optiques. Les sources lasers « tout solide » permettent quant à elles d’atteindre de grandes énergies par impulsion mais présentent des architectures plus complexes.

L’usage d’une architecture hybride fibré/solide pourrait permettre de cumuler les avantages de ces deux technologies et de parvenir à une solution performante et robuste. L’ONERA a récemment développé une nouvelle source laser fibrée de très haute puissance crête à 2µm, une longueur d’onde particulièrement bien adaptée à la détection du CO2 depuis l’espace. A cette même longueur d’onde, le LMD a pu récemment mettre en évidence un fort potentiel d’amplification en simple-passage dans des cristaux dopés Holmium.

 

Le sujet proposé consiste donc à mettre en place une source laser hybride à 2µm, constituée d’un laser fibré et d’un amplificateur solide Holmium, au sein d’une architecture lidar, puis à réaliser des mesures Lidar de CO2 en détection directe ou cohérente. Les travaux de thèse consisteront en (1) la prise en main et caractérisation du laser fibré, (2) la réalisation de mesures lidar sur CO2 à l’aide de la source fibrée seule, (3) l’étude et la mise en place de l’amplification dans un cristal d’Holmium, et (4) la réalisation de nouvelles mesures Lidar après amplification.

Les mesures de CO2 pourront être réalisées par balayage spectroscopique, ou par absorption différentielle (DIAL/IPDA). La technologie fibrée permettra aussi de jouer sur les caractéristiques temporelles, ou spectrales, des impulsions émises, offrant des degrés de liberté supplémentaires pour la conception du lidar et pour la maximisation des performances de mesure.

L’étudiant sera au cœur de deux équipes de recherche en développement LIDAR et interaction « laser-atmosphère » : l’ONERA (localisation principale), et le LMD (périodes d’expérimentation), à Palaiseau. Il bénéficiera de l’expertise des équipes dans les développements laser et lidar à 2 µm, acquise au cours de projets passés (DROSOFIL, COWI) et en cours (ESA–PHLAC : source laser pulsée à 2 µm ; H2020–HOLDON : lidar DIAL CO2 utilisant des détecteurs APD MCT très faible bruit à 2 µm).

Profil

Master ou Ingénieur Optique, Physique, Laser

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : ONERA\DOTA & LMD (Ecole Polytechnique)
Directeur(rice) de thèse/recherche : Jean-Michel Hartmann
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : jean-michel.hartmann@lmd.polytechnique.fr
Responsable Cnes de l'offre : FAURE Benoît

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 31 mars 2018.

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