Thèse Filtres sur Guides d'Onde pour la Mesure de Gaz H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : EEATS - Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal Laboratoire de recherche : Institut de Planetologie et d'Astrophysique de Grenoble Direction de la thèse : Guillermo MARTIN ORCID 0000000265315615 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-31T23:59:59 Lors de sa traversée de l'atmosphère, la lumière du soleil est absorbée à certaines longueurs d'onde par les gaz présents. Chaque gaz ayant une signature spectrale qui lui est propre, la mesure du spectre de la lumière fournit donc une information sur la composition atmosphérique. C'est ainsi qu'en observant le sol depuis l'air ou l'espace, on peut par exemple estimer la concentration des gaz à effet de serre comme le CO2 ou le CH4. Les spectromètres utilisés pour cela fournissent des spectres contenant quelques centaines voire milliers de longueurs d'onde, et ces spectres sont ensuite analysés pour y détecter et quantifier la signature spectrale des gaz recherchés. Cela en fait des instruments performants, mais souvent volumineux. Une autre approche consiste à faire cette analyse de manière optique, en remplaçant le spectromètre par des filtres spectraux reproduisant la signature des gaz recherchés. Cela permet de limiter fortement le nombre de points de mesures nécessaires, et d'avoir des instruments beaucoup plus compacts, donc d'une part plus faciles à stabiliser mécaniquement ou thermiquement, et d'autres part plus facilement embarquables sur des petits porteurs comme les drones ou les mini-satellites.
Pour les nombreux gaz ayant une signature spectrale quasi-périodique, ce « filtre optique adapté » peut être un interféromètre de Fabry-Perot, dont l'intervalle spectral libre correspond à la périodicité des raies d'absorption du gaz. C'est cette voie que suivent l'Onera et l'UGA depuis plusieurs années, en développant les caméras Nanocarb dédiées à la mesure de CO2 et CH4. Dans ces caméras, le filtre de Fabry-Perot est une lame de silicium traitée, placée devant l'objectif, mais ce dispositif souffre de quelques limitations, en particulier le traitement multicouches des surfaces de la lame est difficile à réaliser, et la divergence du faisceau dans la lame décale le profil spectral par rapport au gabarit souhaité.
Ces limitations pourraient être dépassées grâce à l'optique guidée : le faisceau n'étant plus divergent, on élimine les variations spectrales d'un point à l'autre du champ, et les distances d'interaction avec la lumière étant plus longues, on dispose de plus de degrés de liberté pour réaliser un filtre approchant au mieux la signature du gaz.
L'objectif de cette thèse est donc d'étudier des filtres de Fabry Perot inscrits dans des guides d'onde et adaptés à la détection de signatures de gaz. La thèse comportera 3 volets principaux :
- un volet « simulation/modélisation » de la lumière dans des guides d'onde monomodes ou multimodes, afin de trouver les paramètres pertinents pour reproduire le profil spectral voulu ;
- un volet « expérimentation », consistant à réaliser et mesurer des échantillons, et à comparer les résultats à ceux prédits par les outils de simulation ;
- un volet « modèle de performances », afin d'établir la sensibilité du système complet (objectif d'imagerie, couplage, guide d'onde et détection) au gaz recherché.
Ces travaux se feront en collaboration entre l'Onera à Palaiseau, le Lab. Hubert-Curien à St Etienne et l'Ipag à Grenoble. Cette thèse adresse des thématiques technologiques, scientifiques et en traitement du signal, liées à la spectrométrie intégrée on-chip dans le proche IR, avec comme application la surveillance de l'environnement et des émissions de gaz à effet de serre.

Le spectromètre miniature SWIFTS (Stationary-Wave Integrated Fourier-Transform Spectrometer) et l'imageur hyperspectral compact ImSPOC (Imaging SPectrometer On Chip), sont deux innovations de l'IPAG (+ONERA pour ImSPOC), développées grâce au concours de laboratoires technologiques tels que le LTM et CROMA.

Le concept SWIFTS utilise un guide d'onde inscrit dans une puce, terminé en son extrémité par un miroir afin de générer une onde stationnaire porteuse de l'information spectrale. Un réseau d'antennes couplé à un détecteur permet de mesurer cette interférence lumineuse au contact de la puce. Le développement se poursuit à l'IPAG et à CROMA afin 1) d'étendre le concept au proche et moyen infra-rouge, 2) rendre les guides actifs (modulation active de la phase), pour augmenter l'étendue spectrale et 3) augmenter la capacité de collection (étendue optique) avec le multiplexage spatial. Des projets de valorisation, ainsi que la rédaction d'une Déclaration d'Invention sont en cours, pour aller vers des premiers prototypes validés hors laboratoire.

ImSPOC est un imageur hyperspectral compact récemment inventé, en parti issue de l'héritage SWIFTS, basé sur le couplage d'une matrice de micro-interféromètres de Fabry-Pérot de faible réflectivité avec une matrice de micro-lentilles. Cette association permet de moduler en intensité chaque imagette formée sur le détecteur, et donc d'enregistrer en une acquisition toute l'information spectro-spatiale de la scène sur le domaine de longueur d'onde considéré. Plusieurs collaborations avec les laboratoires de l'OSUG cherchent à mettre en oeuvre ce concept dans le domaine de l'environnement, pour des instruments de terrain ou drone. Par ailleurs, le concept fait l'objet d'un programme H2020, SCARBO, dans le but de développer une charge utile pour le suivi des émissions humaines de GES depuis l'espace. L'instrument NanoCarb, adaptation de ImSPOC dans ce cadre, a bénéficié d'une collaboration avec le LTM pour adapter les techniques de la micro-électronique à la réalisation de micro-interféromètres en Silicium, permettant la réalisation d'un prototype de vol testé lors d'une campagne de mesures aéroportées en Octobre 2020. NanoCarb repose en outre sur un principe de mesure peu commun, où l'on vient corréler une signature spectroscopique particulière grâce à une technique d'échantillonnage de l'information ciblée et parcellaire dans l'espace de Fourier.

Le développement de ces deux technologies arrive à un point double de convergence, cadre de la thèse proposée :
1) Convergence applicative autour de la thématique de la mesure de gaz à effet de serre, thématique scientifique et sociétale incontournable actuellement, et qui s'insère très bien dans le périmètre de l'OSUG, avec des applications de terrain portées par ISTerre et l'IGE. Les deux concepts sont en outre complémentaires : ImSPOC/NanoCarb permet la mesure de signatures spectrales résolues spatialement et contextualisées sur une scène -mais intégrées sur la ligne de visée-, SWIFTS est développé pour une mesure in situ haute précision type IRGA (Infra-Red Gas Analyzer) associé à une cavité ou en visée solaire -résolue verticalement dans ce cas-. La mise en oeuvre conjointe des concepts peut permettre par exemple de discriminer émissions anthropogéniques et émissions naturelles, ou encore de réduire l'impact des aérosols sur une mesure hyperspectrale NanoCarb.
2) Convergence méthodologique et du principe de mesure : nous souhaitons porter le principe de mesure de signatures spectrales de NanoCarb au concept SWIFTS, permettant une optimisation de la sensibilité, du rapport signal à bruit, de la complexité instrumentale et de la masse. L'approche nécessite en outre un approfondissement pour le dimensionnement des deux instruments et l'exploitation des données.

NanoCarb et SWIFTS sont des instruments de rupture dans leur domaine vis-à-vis de l'état de l'art, compte tenu de leur stratégie d'échantillonnage de l'information rendue possible par leur concept. Cette approche permet d'obtenir des instruments qui sacrifient très peu leurs performances pour une compacité très compétitive, pour peu que soient levés les verrous technologiques et méthodologiques concernant leur dimensionnement et le traitement des données.

Etudier des filtres de Fabry Perot inscrits dans des guides d'onde et adaptés à la détection de signatures de gaz

Étudiant(e) sortant d'une formation type M2 de Physique Recherche & Innovation, Physique Générale, Optique, Optoélectronique, Ecole d'Ingénieur ayant de solide base en optique et optique guidée (Sup Optique, Phelma, ...)
Étudiant(e) à profil plutôt expérimental, caractérisation optique, montage de bancs optiques, avec des connaissances en programmation (Python, Matlab ...) et éventuellement des connaissances sur les logiciels de simulation en photonique.

Avoir, si possible, une expérience dans la caractérisation de guides d'onde (propagation) sur lesquelles nous avons réalisé des nano-antennes (diffraction). Avoir des compétences en traitement des données, reconstruction du spectre par Transformée de Fourier inverse, méthodes d'inversion (Matrices Pseudo-Inverses), minimisation (moindres carrés) serait un plus.