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Univ. Paris-Saclay
23 mai 2015
Des fibres de chalcogénures dopées terres rares pour un capteur de CO2 tout-optique... et tout terrain
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Des fibres de chalcogénures dopées terres rares pour un capteur de CO2 tout-optique...   et tout terrain

Crédit photo : Jean-Louis Doualan CIMAP (UMR6252).

Le développement de l'instrumentation pour le contrôle des émissions, de la capture et du stockage du CO2 est un objectif technologique majeur, pour répondre aux enjeux posés par l'émission de ce gaz à effet de serre et aux évolutions climatiques associées. Utilisant leur savoir-faire développé ces dernières années, en matière de conception de fibre optique dopées terres rares et d'étude de leurs propriétés optiques, les chercheurs du CIMAP (Caen) et de l'ISCR (Rennes) ont conçu et développé un capteur tout optique de CO2, qu'ils ont breveté. Les récentes mesures sur le terrain montrent toutes les performances et la sensibilité du capteur tout optique réalisé.

 

 
Des fibres de chalcogénures dopées terres rares pour un capteur de CO2 tout-optique...   et tout terrain

Schéma de conversion d'un signal IR à 4.3 µm en un signal à 810 nm.

La détection de gaz à effet de serre tel que le CO2 ou de gaz toxiques tel que CO peut se faire optiquement, de façon efficace, en utilisant l’absorption de ces gaz dans l’infrarouge (IR) entre 3 et 5µm. L’équipe MIL du CIMAP, en partenariat avec l’équipe Verres et Céramiques de l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes, développe un capteur tout-optique dans le domaine IR, pour la détection de ce type de gaz.

Ce détecteur consiste en une source de fluorescence IR (autour de 4.35 µm) basée sur une fibre de chalcogénure* (Ga5Ge20Sb10S65), dopée par des ions de terres rares (dysprosium Dy3+, élément trivalent, couche électronique 4f) et pompée par une diode laser fibrée. Ce signal IR passe ensuite à travers la cellule contenant le gaz à mesurer. Au cours de ce passage, les longueurs d’onde correspondant aux énergies de vibration des liaisons de la molécule de gaz sont absorbées. Après passage à travers la cellule, le signal IR transmis ne peut être transporté sur de longues distances, du fait des pertes optiques importantes dans les fibres en chalcogénures. L’originalité de ce nouveau capteur, qui a fait l’objet d’un dépôt de brevet [1], réside dans la conversion, en fréquence, du signal IR transmis en un signal proche-IR ou visible ; ce qui permet de déporter le signal utile via des fibres en silice commerciales.

La conversion de fréquence (figure a), est basée sur un mécanisme d’absorption dans l’état excité. Elle est réalisée également dans des fibres de chalcogénures dopées par des ions de terres rares, ce qui permet d’obtenir un capteur tout-optique déporté, insensible aux perturbations électromagnétiques.

 

 

 
Schéma de principe du capteur de gaz tout optique.

 

Un tel capteur, fibré, d’une sensibilité de l’ordre du ppm, peut être déployé, par exemple, sous forme de réseaux de surveillance pour des mesures à distance sur des sites jugés dangereux ou inaccessibles pour l’homme. Le dispositif réalisé a été récemment testé avec succès sur les sites de Ste-Marguerite (Puy-de-Dôme) et de Forbach (Moselle).

 
Des fibres de chalcogénures dopées terres rares pour un capteur de CO2 tout-optique...   et tout terrain

Ce projet est lauréat du Prix POLLUTEC 2011 des Techniques Innovantes pour l'Environnement, organisé par l'ADEME.

Référence :

[1] Brevet : “Chemical species optical sensor operating in infrared”, n° Dépôt WO2011042628, date de dépôt 14/04/2011, par Patrice CAMY, Jean−Louis DOUALAN, Virginie NAZABAL.

* Chalcogénure : ion doublement négatif d'un élément de la colonne de l'oxygène (chalcogène) de la table de Mendeleïev.

 


Publications associées :

"Mid-IR luminescence of Dy3+ and Pr3+ doped Ga5Ge20Sb10S(Se)65 bulk glasses and fibers"
F. Charpentier, F. Starecki, J. L. Doualan, P. Jovari, P. Camy, J. Troles, S. Belin, B. Bureau, and V. Nazabal, Materials Letters 101 (2013) 21.

"Mid-IR optical sensor for CO2 detection based on fluorescence absorbance of Dy3+:Ga5Ge20Sb10S65 fibers”,
F. Starecki, F. Charpentier, J. L. Doualan, L. Quetel, K.Michel, R. Chahal, J. Troles, B. Bureau, A. Braud, P. Camy, V. Nazabal, Sensors and Actuators B: Chemical, 207 (2015) 518.

“Wavelength conversion in Er3+ doped chalcogenide fibers for optical gas sensors”,
A.L. Pelé, A. Braud, J.-L. Doualan, R. Chahal, V. Nazabal, C. Boussard-Plédel, B. Bureau, R. Moncorgé, P. Camy, Optics Express, 23 (2015) 4163.

 

Contacts : IRAMIS/CIMAP : Patrice Camy et Alain Braud, équipe MIL : "Matériaux Instrumentation Laser".

 


Collaboration :

 

Maj : 01/04/2016 (2499)

 

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