Virginie Nazabal - SCR, Rennes

Luminescence et chalcogénures, du fondamental aux applications potentielles
V. Nazabal
Chargée de Recherche CNRS Equipe Verres & Céramiques Institut Sciences Chimiques de Rennes (ISCR)
Université de Rennes 1
Programme Atelier « Terres Rares » - Nice, 10 & 11 septembre 2012
Particularités des verres de chalcogénures
 Large fenêtre de transmission (visible-moyen IR)
 Valeur élevée de l’indice de réfraction (n > 2)
 Non-linéarité optique
 Faible énergie de phonons
 Obtention de verre / mise en forme aisée (fibre, couche mince …)
 Phénomènes induits optiquement ou thermiquement (cristallisation,
photodissolution, photoblanchiment …)
Verres de chalcogénures : transmission optique
Silice
Fluorures
Sulfures
Séléniures
Tellurures
longueur d’onde (µm)
Gaps optiques allant de 1 à 3 eV :
2-3 eV sulfures, 1-2 eV séléniures
0,8-1,5 eV tellurures
Coupure multiphonons :
10-12 µm pour les verres sulfures
15-17 µm pour les verres séléniures
20-25 µm pour les verres à base de tellure
Particularités des verres de chalcogénures
 Large fenêtre de transmission (visible-moyen IR)
 Valeur élevée de l’indice de réfraction (n > 2)
 Non-linéarité optique
 Faible énergie de phonon
 Obtention de verre / mise en forme aisée (fibre, couche mince …)
 Phénomènes induits optiquement ou thermiquement (cristallisation,
photodissolution, photoblanchiment …)
Particularités des verres de chalcogénures
 Large fenêtre de transmission (visible-moyen IR)
 Valeur élevée de l’indice de réfraction (n > 2)
 Non-linéarité optique
 Faible énergie de phonon
 Obtention de verre / mise en forme aisée (fibre, couche mince …)
 Phénomènes induits optiquement ou thermiquement (cristallisation,
photodissolution, photoblanchiment …)
Particularités des verres de chalcogénures
 Large fenêtre de transmission (visible-moyen IR)
 Valeur élevée de l’indice de réfraction (n > 2)
 Non-linéarité optique
 Faible énergie de phonon
 Obtention de verre / mise en forme aisée (fibre, couche mince …)
 Phénomènes induits optiquement ou thermiquement (cristallisation,
photodissolution, photoblanchiment …)
Verres de chalcogénures : propriétés non-linéaires









(1)
( 2)
( 3)
P( ,...)   0  E ( )   E ( ) E ( )   E ( ) E ( ) E ( )  ...
Exemple d’application:
Conversion de fréquence
Electrooptique modulateurs…
(2) = 8 pm/V for Ge25Sb10S65 (2SG)
Génération de second harmonique GSH
Verres de chalcogénures : propriétés non-linéaires









(1)
( 2)
( 3)
P( ,...)   0  E ( )   E ( ) E ( )   E ( ) E ( ) E ( )  ...
Exemple d’application:
Commutation/Modulation
Conversion de fréquence…
 Effet Kerr : n = n0+n2I
 n2 (>100 fois la silice)
Verres de chalcogénures : propriétés non-linéaires









(1)
( 2)
( 3)
P( ,...)   0  E ( )   E ( ) E ( )   E ( ) E ( ) E ( )  ...
Photolithographie
+ RIE
  2n2 Aeff
PLD
Pulvérisation
Evaporation
Figure de mérite non linéaire
Petite aire effective Forte Intégration Particularités des verres de chalcogénures
 Large fenêtre de transmission (visible-moyen IR)
 Valeur élevée de l’indice de réfraction (n > 2)
 Non-linéarité optique
 Faible énergie de phonons
 Obtention de verre / mise en forme aisée (fibre, couche mince …)
 Phénomènes induits optiquement ou thermiquement (cristallisation,
photodissolution, photoblanchiment …)
Particularités des verres de chalcogénures
 Large fenêtre de transmission (visible-moyen IR)
 Valeur élevée de l’indice de réfraction (n > 2)
 Non-linéarité optique
 Faible énergie de phonons
 Obtention de verre / mise en forme aisée (fibre, couche mince …)
 Phénomènes induits optiquement ou thermiquement (cristallisation,
photodissolution, photoblanchiment …)
Verres chalcogénures : Energie de phonons
• Verres bidimensionnels
(présence d’éléments V)
Faible énergie de phonons :
3.0
As40Se60
2.7
As60Se40
(~ 300-450
sulfures
(~ 150-300 cm-1) séléniures
(~ 100-160 cm-1) tellurures
[AsS3/2]
• Verres tridimensionnels
(présence d’éléments IV )
Intensité (u.arb.)
2.4
cm-1)
2.1
1.8
1.5
1.2
0.9
0.6
0.3
150
S
Se
0.0
120
160 200 240 280
-1
nombre d'onde (cm )
Intensité (u.a)
100
S
Ge
As4Se4
As4Se3
Se
50
As
Verre à base de Ge : réseau de Td [GeS(Se)4]
0
100
200
300
400-1
nombre d'onde (cm )
500
Particularités des verres de chalcogénures
 Large fenêtre de transmission (visible-moyen IR)
 Valeur élevée de l’indice de réfraction (n > 2)
 Non-linéarité optique
 Faible énergie de phonons
 Phénomènes induits optiquement ou thermiquement (cristallisation,
photodissolution, photoblanchiment …)
Obtention de verre / mise en forme aisée (fibre, couche mince …)
Particularités des verres de chalcogénures
 Large fenêtre de transmission (visible-moyen IR)
 Valeur élevée de l’indice de réfraction (n > 2)
 Non-linéarité optique
 Faible énergie de phonons
 Phénomènes induits optiquement ou thermiquement (cristallisation,
photodissolution, photoblanchiment …)
Obtention de verre / mise en forme aisée (fibre, couche mince …)
Verres de chalcogénures : Photosensibilité
Photosensibilité
- inscription de guides d’ondes optiques canalisés
- réseaux de micro-lentilles
- réflecteurs de Bragg …
8 m
5 µm
Inscription de lignes par irradiation en volume et à la surface
(laser femtoseconde à 800nm)
bEggleton,
B. J. et al. (2011)."Chalcogenide
photonics." Nature Photonics 5(3): 141
Particularités des verres de chalcogénures
 Large fenêtre de transmission (visible-moyen IR)
 Valeur élevée de l’indice de réfraction (n > 2)
 Non-linéarité optique
 Faible énergie de phonons
 Phénomènes induits optiquement ou thermiquement (cristallisation,
photodissolution, photoblanchiment …)
Obtention de verre / mise en forme aisée (fibre, couche mince …)
Particularités des verres de chalcogénures
 Large fenêtre de transmission (visible-moyen IR)
 Valeur élevée de l’indice de réfraction (n > 2)
 Non-linéarité optique
 Faible énergie de phonons
 Phénomènes induits optiquement ou thermiquement (cristallisation,
photodissolution, photoblanchiment …)
Obtention de verre / mise en forme aisée (fibre, couche mince …)
Verres de chalcogénures : Mise en forme
Fibres de verres de chalcogénures
Microsphere
Elaboration de sphère en verres de
chalcogénures de taille micrométrique
Microguides en couches minces de chalcogénures
Particularités des verres de chalcogénures
Chalcogénures amorphes et leurs applications
 Optics (lens, filters…)
Chg : high refractive indices n, transmission in middle‐IR, photosensitivity …
 Detection : Opto‐(bio)chemical sensors, thermal IR sensors, astronomy
Chg : Good transmission from visible to far IR wavelength region
 Amplifiers and laser sources for IR Chg : Low phonon energy (150‐350 cm‐1), high refractive linear and nonlinear index
 Optical/Electrical Memories
Chg : Phase Change materials Crystalline/Amorphous
 All‐optical processing based on non linear properties
Chg : High non linear refractive indices n2 (at least times > silica), high (2) for glass
Verres de chalcogénures dopés Terres Rares
Quelques caractéristiques intéressantes
pour des applications bases sur la luminescence :
Indices de réfraction élevés conduisant :
Composants à fort contraste d’indice (HIC)
Ouverture numérique large (pompage par diode facilité)
Efficacité quantique intéressante
Transition radiative du visible vers le moyen IR:
Transmission étendue
Energie de phonons faible
limitant la relaxation multiphonon
Propriétés non- linéaires et Détection optique :
Couplage de différentes fonctions optiques sur le même composant
Mise en forme :
Guide d’ondes (fibre, film), microcavité par empilement de multicouche,
micro-résonateurs de type anneau, disque, microsphère …
Possible de jouer sur la photosensibilité/photostabilité
cEggleton, B. J. et al. (2011)."Chalcogenide
Réseau de Bragg, composant accordable …
photonics." Nature Photonics 5(3): 141
Choix du matériaux vitreux : Ga-Ge-Sb-S(Se)
coupe à 10% Sb
•50 mm
0Ga
90
Sb
10
80
20
70
30
60
40
100
50
40
60
Ge
30
70
20
S
80
10
90
Ge0
0
10
20
Verre2S2G
Verre2S2G-Se
50
30
40
50
60
70
80
90
S
Transmission (%)
Ga
80
60
40
Séléniures
Sulfures
20
0
0
5
10
15
20
Longueur d'onde(µm)
Présence de Gallium : meilleure solubilité et dispersion des TR dans la matrice
Er3+, Dy3+, Ho3+, Tm3+, Pr3+…
Transmission dans le moyen IR, indices de réfraction élevé (2.2 → 2.5 )
25
Loi du gap dans les verres du système Ge-Ga-Sb-S
Etude de la relaxation multiphonons Wmp
Collaboration LPCML Lyon
A.-M. Jurdyc
Terres rares : Dy3+, Ho3+, Er3+
 Niveaux favorables à une relaxation multiphonons
Faibles écarts d ’énergie 1400 < E < 2500 cm-1
Transitions considérées
Ion
Ho
3+
5
5
F5
6
Dy
3+
6
6
3+
Mesure:
6
1380
H11/2
H5/2
6
F7/2
1860
H11/2
6
H13/2
2335
4
2245
6
Er
2227
I4
F11/2 ( H9/2)
-1
Ecart énergétique (cm )
4
I9/2
I11/2
 Dépendance en température
 Durée de vie  = f (T)
Loi du gap dans les verres du système Ge-Ga-Sb-S
Ajustement Wmp = fE) / loi du gap
Wmp (T )  C exp(  E )n (T )  1
p
Avec p, nombre de phonons
n (T ) 
10
6
-1
Taux de relaxation m ultiphonon (s )
C,  dépendent de la matrice, indépendants de la terre-rare
Dy
10
3+
T= 80 °K
6
( F 5/2 )
3+
6
6
( H 9/2 , F 11/2 )
 Quimby, 2003 (GeGaAsS)
4
3+ 5
Ho ( F 5 )
10
10
C = 3,8. 109 s-1 et  = 6,7. 10-3 cm
 Reisfeld, 1982 (Ga-LaS, Al-La-S)
3
Er
10
 Basse température
C = 3,5. 109 s-1 et  = 7. 10-3 cm
5
Dy
10
1

exp( )  1
kT
3+
C = 1. 106 s-1 et  = 2,9. 10-3 cm
4
( I9/2 )
Dy
2
9
-1
3+
6
( H 11/2 )
C = 3,5 . 10 s
-3
 = 7,0 10 cm
Silicate : C = 1,4 1012 s-1
ħw = 1200 cm-1
ZBLA : C = 1,88 1010 s-1 ħw = 500 cm-1
1
1400
1600
1800
2000
2200
-1
Ecart d'énergie (cm )
2400
Transitions possibles
dans le moyen IR
Couches Minces de Chalcogenures
dopés terres rares
V. Nazabal (SCR), J.-L. Adam (SCR)
H. Lhermite (IETR), J. Charrier (CCLO-FOTON)
J.P. Guin (Larmaur), A. Moreac (IPR)
University of Rennes 1 – CNRS – France
P. Nemec, M. Frumar
University of Pardubice – Czech Republic
P. Camy, J.-L. Doualan, R. Moncorgé
CIMAP, University of Caen – France
A.M. Jurdyc, B. Jacquier
LPCML, University Claude Bernard of Lyon 1– France
Mise en forme en couche mince
Pression(mbar)
1000
100
10
Techniques
Déposition
évaporation
chimique
Applications
Si amorphe pour le solaire
Microélectronique (LPCVD) Si3N4
1
10
- 1
10
- 2
10
- 3
10
- 4
10
- 5
10
- 6
10
- 7
10
- 8
10
- 9
10
- 10
Pulvérisation
Pulvérisation
ionique
Evaporation
Epitaxie par jet
moléculaire
Stockage de données (CD, disque
durs,..) Métallisation semiconducteurs,
Vitrage, écrans plats, MOEMS, Réflexion,
protection, décoration, composants
électroniques, capteurs
Miroirs de gyrolaser
Couches supraconductrices
Tous les traitements optiques
Optique ophtalmologique
Diode laser, couches de Si …
Mise en forme en couche mince
Pulvérisation RF magnétron
Ablation laser : PLD
Petr Němec, Mislovav Frumar
Czech Rep.
Materiaux – Du film mince au guide d’onde
 Pulvérisation RF magnétron
Films pulvérisés
(+)
Anode
Ar
Substrate
Ar
plasma
Ar
Ar+
+
Cathode/Target
S
N
N
S
(-)
SP
Magnetron
•5.10-3-5.10-2 mBar
• Puissance : 30-50W
• Vitesse de déposition : 10-20 nm/min
Substrats : SiO2, SiO2/Si, CaF2, ZnSe,
verre Chg, polymère flexible...
rotation off-axis, recuits in situ or ex situ
PP
1µm*1µm
RMS = 0,4nm
Composition (%)
EDS
composition chimique
70
60
50
40
30
20
10
0
Composition (%)
Materiaux – Du film mince au guide d’onde
70
60
50
40
30
20
10
0
PLD films
70
2S2G-Sputtering
1.65µm
2.44µm
2.80µm
40
30
20
10
0
without substrate
rotation
Sulfur
Germanium Antimony
Gallium
70
60
50
40
30
20
10
0
30W
40W
50W
Sulfur
Germanium Antimony
1.84µm
1.64µm
2.15µm
60
PLD
films
50
Gallium
Sulfur
Germanium Antimony
Gallium
RT
150°C
200°C
250°C
Sulfur
Germanium Antimony
Gallium
335
9000
299
8000
Spectroscopie de diffusion
Raman
Intensity (a.u.)
7000
6000
424
5000
490
4000
2S2G-Glass
3000
2S2G
(With rotation)
2000
1000
0
168
253
207
200
300
400
500
-1
Wavenumber (cm )
2S2G
(No rotation)
600
•28
Materiaux – Du film mince au guide d’onde
Number of modes
Confinement de la lumière : pertes optiques
2s1g
2s2g
10
décroissance du nombre de mode
8
SEM
Multicouches
6
F1
4
F2
2
1
2
3
4
F2 Film 2 : Ga Ge Sb S
5
23
5 67
nF1/F2= 0,11
0
0
Film 1 : Ga5Ge20Sb10S65
5
Thickness of layer (µm)
Nano-Spectrométrie de masse a ionisation secondaire (Nano-SIMS)
F2
F1
2µm
Film 1 : Ga5Ge20Sb10S65
Film 2 : Ga3Ge22Sb10S65
F2
nF1/F2< 5.10-3
•29
Materiaux – Du film mince au guide d’onde
Film de chalcogenures
•
•
•
•
•
* Frantz et al,, Opt. Exp., 2006, 14, n°5, 1802
Guide d’ondes
Wet etching
Dry etching
etching
Lift-off
Photoinscription
Embossing
* Arshad, K.M., et al, APL, 2002. 81(20), 3708
Reactive Ion Etching
Vitesse de gravure (CF4) : 100nm/min Faible rugosité de surface, faible endommagement,
déviation réduite par rapport à des flans verticaux
(100W, 0.3-10mT, 5-25 sccm)
•30
3+
3+
Spectroscopic
properties – 2S2G:Er
Propriétés
Spectroscopiques
– 2S2G:Er
Profil d’intensité et Image en Champ
proche à la sortie d’un guide
Pertes optiques à 1.55 µm 0,7 ± 0.3 dB/cm (2S2G)
4
-4
Fluorescence (A.U.)
1.0x10
S3/2
4
I15/2
-5
8.0x10
-5
6.0x10
-5
4.0x10
-5
2.0x10
0.0
500
520
540
560
Wavelength (nm)
580
•31
3+
3+
Spectroscopic
properties – 2S2G:Er
Propriétés
Spectroscopiques
– 2S2G:Er
4
I 9/2
4
I
12
4.5 µm
11/2
804 nm
1.7 µm
2.8 µm
wavelength (µm)
8
Énergiy (10
4
6
I
Analyse Judd-Ofelt  détermination
des paramètres spectroscopiques
13/2
0.82 µm
4
0,35
0.98 µm
0,30
2
1.5 µm
4
0
I
15/2
Intensity (a.u.)
3
cm
-1
)
10
absoprtion cross- section
Film pulvérisés dopes Er3+
2S2G sputtering
2S2G bulk
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
950
1000
1450
1500
wavelength (nm)
1550
1600
1650
3+
3+
3+
Spectroscopic
properties –– 2S2G:Er
2S2G:Er
Propriétés
Spectroscopiques
– 2S2G:Er
Spectroscopic
properties
DL (975 nm) P1
XYZ stages
WDM
SMF
Obj x40
DL 1.53 µm P2
P1, P2
OSA
2S2G-Er
MMF
P1 output of WDM : 103 mW
P2 output of WDM (1539.8 nm) : ~2mW
-36
Pump OFF
Pump ON
Pertes optiques estimées du guide
d’onde 2S2G (rib waveguide) :
0.75 dB/cm à 975nm
5µm
Signal (dBm)
-39
4.4 dB
-42
-45
-48
-51
-54
-57
-60
1536
1538
1540
1542
1544
Wavelength (nm)
Gain on/off : en accord avec un film pulvérisé GaLaS:Er,
5dB (100mW), Pertes optiques à 1650nm 2,4±0,4 dB/cm.
s1
Frantz et al,, Opt. Exp., 2006, 14, n°5, 1802
•33
Diapositive 33
s1
spravce; 09/09/2012
Propriétés Spectroscopiques – 2S2G:Er3+
Microcavité avec des films chalcogénures
compatible pour le p-IR mais aussi le moy-IR
100
target
refractive index
80
80
Reflectance (%)
Reflectance (%)
N =10
60
40
0,8
Transmission
Simul. for N = 5 (layers)
100
1,0
0,6
0 heure
2 heures
4h
6h
9h
12 h
15 h
20 h
0,4
films
refractive index
60
0,2
40
0,0
1552
Er3+ : 2S2G
films
20
20
1554
1556
1558
longueurs d'onde (nm)
0
1200
1300
1400
1500
1600
1700
Wavenumber (nm)
1800
1900
2000
0
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
Wavenumber (nm)
245nm GeSbS
125nm As2Se3
315nm 2S2G : Er3+
Ajustement de la position spectrale de la microcavité grâce à la photosensibilité des couches de chalcogénures
1560
1562
3+
3+
3+
Spectroscopic
properties
Propriétés
Spectroscopiques
– 2S2G:Er
Spectroscopic
properties –
– 2S2G:Er
2S2G:Er
Fluorescence Moyen-IR
4
16
F9/2
4
I9/2
12
8
4
I13/2
6
4
2
4
I15/2
0
70
60
50
40
30
20
10
0.66 0.81 0.98 1.2 1.5 1.7 2.0 2.7 3.6 4.5
Wavelength (µm)
0
2650
980nm
4 µm
1,5µm
Fluorescence (A.U.)
I11/2
10
Fluorescence propagated
through rib waveguide
Excitation 980 nm
80
4
3
-1
Energy (x 10 cm )
14
2 cm
2700
2750
2800
2850
2900
2950
Wavelength(nm)
Nécessité d’accroitre l’efficacité de
fluorescence pour espérer une
émission a 4.5µm comparable au
verres massif et fibre ???
3+
3+
Spectroscopic
properties – 2S2G:Er
Propriétés
Spectroscopiques
– 2S2G:Er
2,0
Massif
Decay lifetime (ms)
Durée de vie
Pulvérisé
0,5w %
0,5w %
1,5w %
1,9 ms
1,6 ms
1,1ms
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
0
20
Analyse par la méthode de Judd-Ofelt
Final state

(µm)
Arad
(s-1)
I15/2
0.80
4
4
I13/2
1.7
174
4I
11/2
4.5
7
I15/2
0.98
630
I13/2
2.9
100
I15/2
1.5
545
Transition
Initial state
4
4I
9/2
4
4
4
I11/2
I13/2
4
4
rad
(ms)
40
60
80
Annealing time (min)

(%)
80.4
1.08
Bulk
glass
2S2G 0.5w%
2S2G 1.5w %
16.8
Chimie Combinatoire :
Ajustement de la composition
par co-pulvérisation
0.8
1.37
1.83
86.2
+ procédé de recuit
13.8
100
Transfer d’ énergie :
influence des impuretés SH?
cluster?
•36
Surveillance des sites de stockage du CO2 :
détection en temps réel et déportée via
des Fibres Optiques Luminescentes dans l’Infrarouge
V. Nazabal
F. Charpentier, J. Troles, B. Bureau
Eq. Verres & Céramiques– Sciences Chimiques de Rennes
Université de Rennes
J-L. Doualan, P. Camy
CIMAP, Université de Caen, France
L. Quetel, P. Leboudec
IDIL, Lannion, France
K. Michel
BRGM, Orléans, France
Surveillance du CO2 dans les puits de stockage
Émissions de gaz à effet de serre
responsables du réchauffement climatique
2004: 26 milliards de tonnes de CO2 par an
2050: 50 milliards de tonnes par an
Concentration de CO2
380 ppm
Actuellement
1000 ppm
à la fin du 21e siècle
Réduire les émissions de CO2 est absolument nécessaire
Surveillance du CO2 dans les puits de stockage
Plusieurs options pour atténuer les émissions de CO2:
- Contrôle de la consommation d'énergie
Les options de stockage:
- Utilisation accrue du nucléaire?
Carbonatation minérale
- Utilisation accrue des énergies renouvelables?
Stockage géologique
- Capture et stockage du CO2
Détection basée sur l’absorption du CO2
Question: Le suivi des sites de stockage?
Deux bandes d’absorption du CO2 gazeux
3
4
5
Longueur d’ondes (µm)
 Terres rares en bande II
Pr
Tb
Dy
Objectif: Développement d'un capteur pour la surveillance
des émissions de CO2 à 4,3 µm permettant
l'analyse en temps réel, réversible et à distance.
Luminescence dans le moyen IR?
Ho
Er
Tm
Détection basée sur l’absorption du CO2
5
3+
-20
4
6
H11/2
3
(920nm)
6
6
H9/2+ F11/2
2
(1.1µm)
6
6
H11/2
6
H7/2+ F9/2
1
(1.7µm)
(1.3µm)
0
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
wavelength (nm)
0,035
0,030
fluorescence Intensity
Emission à 4.3 µm suite à
une excitation à 920 nm par
des diodes commerciales
cross section (10 cm²)
GeGaSbS:Dy
3+
GeGaSbSe:Dy
0,025
0,020
0,015
0,010
0,005
0,000
4000
4100
4200
4300
4400
wavelenght (nm)
4500
4600
3nd
detection method:
fiber as infrared
source
Détection
baséeChg
surdoped
l’absorption
du CO
2
Purged with N2
InSb
Monochromator
Chg fiber: Dy3+
Laser
pump at
920 nm
Lens
Lens
4000
98
96
94
92
500 ppm
1500 ppm
5000 ppm
reference
90
88
4.15
4.20
4.25
4.30
4.35
wavelength (µm)
4.40
CO2 concentration (ppm)
100
Transmission (%)
CO2 cell
system response
CO2 analyser
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
100
200
300
400
500
Time (seconde)
Seuil de détection : 500 ppm pour une cellule de 4mm long remplie de CO2
Système pleinement réversible
Détection basée sur l’absorption du CO2
Principe de la détection
3+
fluorescence du Dy pour differentes concentrations en CO2
0.04
Intensité de fluorescence
bande mesure
bande réference
0.03
Mesure différentielle
du signal à deux
longueurs d’onde,
l’une sur la bande
d’absorption du CO2
et l’autre en dehors
cette bande
0.02
0.01
0.00
4000
4100
4200
4300
4400
4500
longueur d'onde (nm)
4600
4700
Détection basée sur l’absorption du CO2
A : Diode laser 920 nm
B : Fibre silice
C : Fibre Dy3+:chalcogénures
D : Détecteur Pyroelectrique
avec un filtre interférentiel
Fabry-Pérot variable
E : miroir
Fibre chalcogenures
Détection basée sur l’absorption du CO2
4.3 µm
CO2
0,035
fluorescence (A .U .)
0,030
920 nm
0,025
0,020
0,015
0,010
0,005
0,000
4000
4100
4200
4300
4400
Longueur d'onde (nm)
4500
4600
Détection basée sur l’absorption du CO2
Prototype du capteur de CO2
70mm
30mm
Fibre
non-dopée
Fibre
dopée Dy3+
920 nm
Cellule de
mesure du CO2
Eclateur
Détection basée sur l’absorption du CO2
Site d’expérience
Puits de captage de géothermie à Soultz
sous Forêts (Bas Rhin)-2011
Détection basée sur l’absorption du CO2
Capteur à l’extrémité d’un faisceau:
* Câble d’acier
* Fibre silice pour la diode laser
* Câble 4 fils pour le pilotage électrique
* Câble coaxial pour le signal à mesurer
* Tuyaux pour sonder et injecter du gaz
Détection basée sur l’absorption du CO2
Exemples de mesures
…dans un puits
0,55
CO2 75000 ppm
0,52
0,50
signal différentiel
0,50
0,45
dans
le puits
0,40
dans
le puits
0,35
0,30
0,25
0,20
0,13
0,15
0,10
en dehors
du puits
en dehors
du puits
0,05
0,13
0,13
en dehors
du puits
0,00
0
25
50
75
100
125
cycles (5s par cycle)
150
175
Détection basée sur l’absorption du CO2
Exemples de mesures
…variations de la teneur en CO2
0,7
puits contenant 75000 ppm de CO2
détecteur dans le puits
signal différentiel
0,6
0,52
0,5
0,46
0,45
0,4
remplissage progressif du puits
par diffusion du CO2 émanant du sol
0,3
0,2
purge du puits par du gaz 1500 ppm
0,15
0,1
détecteur hors du puits
0,07
0,0
0
100
200
300
cycles (5s par cycle)
400
500
Détection basée sur l’absorption du CO2
Descente du capteur dans le puits à environ 22m
Dispositif d’acquisition avec ordinateur portable
Mesure dans des conditions climatiques difficiles:
quelques ondées
protection par bâche
Verres, Fibres & Couches Minces
de Chalcogenures dopés terres rares
V. Nazabal (SCR), J. Troles, B. Bureau, J.-L. Adam (SCR)
H. Lhermite (IETR), J. Charrier (CCLO-FOTON)
J.P. Guin (Larmaur), A. Moreac (IPR)
University of Rennes 1 – CNRS – France
P. Camy, J.-L. Doualan, R. Moncorgé
CIMAP, University of Caen – France
A.M. Jurdyc, B. Jacquier
LPCML, University Claude Bernard of Lyon 1– France
P. Nemec, M. Frumar
University of Pardubice – Czech Republic