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DUMAS

Arnaud Dumas (LMD)

01/12/2016

 Apport des photodiodes à avalanche HgCdTe pour la télédétection du CO2 atmosphérique par lidar DIAL à 2 um


Membres du jury :
M. Didier Tiphène (Astronome - Observatoire de Paris) Rapporteur
M. Patrick Rairoux (Professeur - Université de Lyon 1) Rapporteur
M. Jacques Pelon (Directeur de Recherche - LATMOS) Examinateur
M. Yong Jin (Directeur de Recherche - C2N) Examinateur
M. Olivier Saint-Pé (Ingénieur - Airbus Defence & Space) Examinateur
M. Alain Bardoux (Ingénieur - CNES) Examinateur
M. Johan Rothman (Expert senior - CEA-LETI) Directeur de thèse
M. Fabien Gibert (Chargé de recherche - CNRS) Encadrant de thèse

Résumé :
L'infrarouge proche (1.5-2 um) ou SWIR (Short Wavelength Infrared) est une région particulièrement adaptée à la mesure de gaz à effet de serre par lidar à absorption différentielle (DIAL). En effet, (i) cet intervalle spectral contient des raies d'absorption intenses pour les principaux gaz à effet de serre (CO2, CH4, H2O, etc.) (ii) le taux d'extinction lors de la propagation du faisceau laser y est faible (iii) c'est une région spectrale dite en sécurité oculaire. Bien qu'abordée avec les moyens existants (détection hétérodyne), la mesure DIAL dans le SWIR a longtemps souffert de l'absence de photo-détecteurs ultra-sensibles. Les développements récents (années 2000) portant sur les photodiodes à avalanche (APD) HgCdTe ont changé la donne. En effet, ces dernières présentent de remarquables qualités d'amplification car elles allient trois propriétés fondamentales : un faible excès de bruit, un très faible courant d'obscurité et des gains importants. De telles propriétés sont essentielles pour les applications reposant sur la détection de très faibles signaux et en particulier le lidar.
 
Dans cette thèse, nous analysons les performances d'un détecteur monopixel (200 um) à base d'APD HgCdTe (conçu sur mesure par le CEA-LETI) dans le cadre de mesures expérimentales de la concentration de CO2 atmosphérique par lidar DIAL. L'émetteur laser est également un prototype, précédemment développé au Laboratoire de Météorologie Dynamique. Il produit alternativement des impulsions de 10 mJ à deux fréquences contrôlées dans la plage 2050-2054 nm, le tout à une fréquence de répétition de 2kHz. Grâce à l'association de ces deux technologies de pointe nous avons pu effectuer les premières mesures DIAL utilisant la technologie HgCdTe APD.
 
Les expériences menées nous ont permis de confirmer le remarquable niveau de performances en sensibilité attendu (75 photons de bruit par temps caractéristique d'une bande passante de 20 MHz) et soulignent le potentiel futur d'un tel capteur pour toutes les applications faible flux dans le SWIR. Concernant les mesures DIAL, nous avons obtenu expérimentalement une précision relative de 10-20 % sur la concentration en CO2 pour une mesure dans la couche limite avec une résolution de 100m - 4s sur une portée de 1.5 km. Par ailleurs, l'analyse fine de la réponse impulsionnelle de la photodiode à avalanche révèle une dégradation notable du 'long term settling time' lorsqu'on la polarise. Ce phénomène contraint la plage d'utilisation du capteur, ce que nous discutons en tenant ce comportement du détecteur dans une simulation lidar.
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