ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE

ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE
UNIVERSITÉ DU QUÉBEC
MÉMOIRE PRÉSENTÉ À
L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE
COMME EXIGENCE PARTIELLE
À L’OBTENTION DE LA
MAITRISE EN GÉNIE
CONCENTRATION PERSONNALISÉE
M. Ing
PAR
Daniel GAGNON
DÉTECTEUR MULTIBANDES LIBS À BASE DE RÉSEAUX HOLOGRAPHIQUES
ÉPAIS: CONCEPTION OPTOMÉCANIQUE ET GESTION DE L’INNOVATION
MONTRÉAL, LE 4 JUILLET 2012
©Tous droits réservés, Daniel Gagnon, 2012

PRÉSENTATION DU JURY
CE MÉMOIRE A ÉTÉ ÉVALUÉ
PAR UN JURY COMPOSÉ DE :
M. Henri Champliaud, directeur de mémoire
Département de génie mécanique à l’École de technologie supérieure
M. Marc Verhaegen, codirecteur de mémoire
Photon etc. inc.
M. Louis Lamarche, président du jury
Département de génie mécanique à l’École de technologie supérieure
M. Mikaël Gardoni, membre du jury
Département de génie de la production automatisée à l’École de technologie supérieure
IL A FAIT L’OBJET D’UNE SOUTENANCE DEVANT JURY ET PUBLIC
LE 4 JUILLET 2012
À L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE

REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier Henri Champliaud pour avoir accepté de me diriger dans le cadre de cette
maîtrise. Marc Verhaegen pour ton support et ton aide à la conception des réseaux de Bragg
en volume ainsi que pour ta codirection dans ce projet. Sébastien Blais-Ouellette pour ton
aide dans Zemax, ton support à la conception optique, et surtout, pour avoir cru en ce projet.
Simon Lessard avec qui c’est toujours un immense plaisir de travailler et qui a su sortir des
sentiers battus pour concevoir le circuit de détection et de contrôle. Patrick (Interpol)
Mutchmore pour tous tes petits programmes de mesure et d’analyse automatique, ainsi que
pour la programmation du FPGA et du microcontrôleur. Paul Bouchard pour les
expérimentations à l’IMI, ainsi que pour tes précieux conseils concernant le LIBS. Mohamad
Sabsabi pour avoir embarqué avec Photon dans ce projet. Finalement Andréanne, Louis-
Philippe, Émilie-Rose et Jean-Félix à qui je dédie ce mémoire. Mille fois merci pour votre
patience, votre compréhension et votre support qui a débuté au Baccalauréat en 2002, et qui
se termine enfin ici.

DÉTECTEUR MULTIBANDES LIBS À BASE DE RÉSEAUX HOLOGRAPHIQUES
ÉPAIS: CONCEPTION OPTOMÉCANIQUE ET GESTION DE L’INNOVATION
Daniel GAGNON
RÉSUMÉ
La détection du soufre par spectroscopie optique comporte certaines difficultés parce que ses
lignes d’émission atomique les plus intenses se situent dans l’ultraviolet sous vide, et sont
absorbées par les molécules d’oxygène présentes dans l’air. Il est présenté dans ce mémoire
un concept novateur pour la détection du soufre par Laser-Induced Breakdown Spectroscopy
en utilisant les lignes d’émission atomique situées dans le proche infrarouge. Le concept
propose l’utilisation de réseaux holographiques épais, aussi appelé réseaux de Bragg en
volume, pour la sélection spectrale de la lumière émise par le plasma. Il est ainsi revu et
illustré dans ce travail toute la conception optomécanique, la fabrication et les essais
expérimentaux d’un prototype de détecteur multibande LIBS dédié à la détection du soufre.
Le concept général du détecteur multibande LIBS ainsi que les résultats obtenus ont été
présentés lors de NASLIBS 2011 aux États-Unis et un article portant sur le sujet a été publié
dans une édition spéciale Laser-Induced Breakdown Spectroscopy du journal Applied Optics.
Pour transformer ce concept nouvellement breveté en succès commercial, la gestion de
l’innovation en cause a été faite dans ce mémoire en utilisant la thématique des alliances
appliqué au positionnement stratégique d’affaires structuré selon les trois axes Technologie –
Produit – Marché. La structure même du mémoire calque cette approche systémique
appliquée au paradigme de l’innovation ouverte. Des discussions avec un partenaire
d’alliance stratégique et tactique confondu sont en cours afin de déployer le détecteur
multibande LIBS au domaine minier.
Mots clés: Réseau de Bragg en volume, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS,
Conception Optique, Optomechanique, Gestion de l’Innovation, Alliance.

DÉTECTEUR MULTIBANDES LIBS À BASE DE RÉSEAUX HOLOGRAPHIQUES
ÉPAIS: CONCEPTION OPTOMÉCANIQUE ET GESTION DE L’INNOVATION
Daniel GAGNON
ABSTRACT
Detection of sulfur by optical emission spectroscopy generally presents difficulties because
the strongest lines are in the vacuum ultraviolet and therefore are readily absorbed by oxygen
molecules in air. A novel concept for a low cost and efficient system to detect sulfur using
near infrared lines by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy is proposed in this thesis. The
concept proposes to use customized thick holographic gratings, also referred as Volume
Bragg Grating, for spectral filtering of the plasma light, and built-in custom electronics that
amplify and integrate photodiodes output signals. In this work, the optomechanical design,
manufacturing and trials of a multiband sensor’s prototype is reviewed. Preliminary results
has been presented at NASLIBS 2011 and showed a limit of detection comparable to that of a
conventional high-end system. An article describing the concept and results has been
published in a special issue of the Applied Optics journal.
To turn this newly patented concept into commercial success, the management of the
innovation has been performed by proposing strategic and tactic alliances for
commercialisation purposes applied to strategic business positioning structured along the 3
axis Technology – Product – Market. Open innovation is here acting as the paradigm to
efficiently reach the market. Discussion relative to strategic and tactic alliance is actually
taking place for deployment of the LIBS multiband sensor in the mining industry.
Keywords: Volume Bragg Grating, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS,
Optical Design, Optomechanic, Innovation Management, Alliance.