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Lumière sur les polluants

Connaître les sources de pollution pour mieux les combattre. Les recherches sur l'analyse des polluants distinguent une arme de choix, l'oscillateur paramétrique optique.

Numéro 14

Les OPOs contribueront à la chaîne de réduction des émissions de polluants en autorisant des mesures auparavant impossibles. copyright © Airbus
Les OPOs contribueront à la chaîne de réduction des émissions de polluants en autorisant des mesures auparavant impossibles.
copyright © Airbus


 
A chaque pic de pollution, la question est la même : comment faire pour remédier à ces nuisances ? Il est indispensable de connaître le plus parfaitement possible la manière dont les polluants se forment, interagissent et se dispersent dans l'atmosphère. La mise au point des moyens de mesure performants, robustes et capables de supporter des milieux agressifs comme des sorties de moteurs est essentielle. L'un des dispositifs les plus prometteurs porte le nom d'oscillateur paramétrique optique (OPO).
Les OPO servent à obtenir des sources de lumière semblables à un laser. Mais ils émettent un rayonnement dont la couleur peut être choisie ou accordée pour mesurer de nombreux polluants. " Chaque molécule de polluant absorbe de la lumière à une fréquence (c'est-à-dire une couleur) bien précise, explique Michel Lefebvre, ingénieur de recherche à l'Onera. En mesurant la quantité de lumière absorbée à cette fréquence, on en déduit la concentration du polluant. Mais pour analyser de nombreuses espèces, il faut disposer de sources de lumière émettant une couleur variable " Or, les lasers n'émettent qu'une couleur bien déterminée et sont donc inadaptés à la mesure des polluants. C'est là qu'intervient l'OPO : il transforme la lumière laser pour l'accorder aux fréquences souhaitées.

Ce dispositif tire profit du comportement de certains matériaux, appelés cristaux non linéaires, lorsqu'ils sont soumis à une lumière intense. L'état des atomes du cristal non linéaire se trouve modifié momentanément par la lumière, et le cristal engendre alors de nouvelles fréquences. Ainsi, chaque grain de lumière (photon) traversant le cristal produit deux photons se partageant l'énergie du photon de départ. En modifiant l'orientation ou la température du cristal, on obtient des fréquences différentes. L'ensemble du processus est appelé conversion paramétrique.
Le cristal de l'OPO, exposé à des photons d'une fréquence donnée réémet des photons à des fréquences différentes, que l'on peut adapter aux spectres d'absorption des polluants. C'est le processus de conversion paramétrique.Le cristal de l'OPO, exposé à des photons d'une fréquence donnée réémet des photons à des fréquences différentes, que l'on peut adapter aux spectres d'absorption des polluants. C'est le processus de conversion paramétrique.

" Mais, pour envisager des applications, il restait deux limitations majeures à surmonter, note Michel Lefebvre : d'une part, le nombre de photons ainsi obtenus restait bien trop faible pour détecter les polluants à l'état de trace et, d'autre part, la pureté spectrale de la lumière émise était insuffisante pour séparer la réponse des différentes espèces présentes dans l'atmosphère ". Pour s'affranchir de ces problèmes, l'équipe de l'Onera a eu l'idée d'accumuler la lumière transformée dans un dispositif à double cavité optique. Cette double cavité comporte des miroirs, entre lesquels la lumière effectue de nombreux allers et retours. Elle traverse le cristal non linéaire à chaque passage et multiplie ainsi les occasions de dédoubler les photons. " Nous obtenons un rendement de conversion de 30 %, contre 1 % en l'absence de cavité optique, de plus, la double cavité sélectionne la couleur des deux photons produits et de cette façon, on obtient un rayonnement de très grande pureté spectrale " souligne Michel Lefebvre.

Les avantages des OPO pour l'analyse des polluants sont nombreux. Comme toutes les méthodes optiques, ils effectuent des mesures à distance, sans perturber le milieu de réaction, et permettent de réaliser de véritables cartographies des pollutions. En outre, ils sont tout petits, donc portables. Leur robustesse les rend utilisables dans des milieux " durs " et peu accessibles comme la sortie d'un moteur, ou en soufflerie. " Nous bénéficions des développements récents de cristaux non linéaires de plus en plus efficaces, précise Michel Lefebvre. Cette amélioration nous permet d'utiliser des lasers, petits et peu consommateurs d'énergie. Par ailleurs, le secteur des télécommunications a engendré de nombreux progrès dans les lasers, qui sont devenus plus robustes et plus souples. " Pourtant, l'Onera ne se repose pas sur les lauriers des autres laboratoires. " Nous allons mener, dès l'année prochaine, une campagne de mesures des polluants en sortie de moteurs d'avions dans le cadre du contrat européen Menelas. Par ailleurs, nous tentons de combiner l'émission laser et la conversion de fréquence dans le même matériau, plutôt que d'installer côte à côte un laser et un OPO. Enfin, nous tentons de limiter le processus parasite de recombinaison des deux photons " convertis ", en développant des architectures évitant la recombinaison des ondes lumineuses. "

L'OPO dans une version de mise au point en laboratoire. On distingue les taches verte et rouge produites par le cristal éclairé par une lumière bleue. D'une taille de 15 cm, le dispositif présente un potentiel de miniaturisation très élevé.
L'OPO dans une version de mise au point en laboratoire. On distingue les taches verte et rouge produites par le cristal éclairé par une lumière bleue. D'une taille de 15 cm, le dispositif présente un potentiel de miniaturisation très élevé.

 

 

Cécile Michaut, journaliste scientifique.

 

07.03.2005