Les travaux exposés dans ce manuscrit concernent le développement de spectromètres laser pour la mesure in-situ de CH4, CO2 et H2O dans l'atmosphère moyenne ainsi que la spectroscopie associée, l'inversion des données atmosphériques et les premières campagnes ballon. La première partie de ce manuscrit décrit le contexte scientifique qui a conduit au développement des spectromètres laser et donne un état de l'art en matière instrumentale. La seconde partie décrit deux études spectroscopiques portant sur le multiplet R(6) du méthane à 3.24µm et sur les transitions R18e et R20e du dioxyde de carbone à 2.68µm pour l'inversion des mesures atmosphériques. La troisième partie de ce manuscrit porte sur le développement des spectromètres PicoSDLA-CH4 dédié à la mesure de CH4 dans l'atmosphère à 3.24µm, utilisant une source laser à différence de fréquence, et PicoSDLA-CO2 dédié à la mesure de CO2 à 2.68µm avec une diode à antimoniure. Ces spectromètres ont réalisé plusieurs vols sous ballons stratosphériques en 2010, 2011 et 2012. Les résultats de ces campagnes sont exposés dans la quatrième partie du manuscrit. / This thesis reports the development of laser spectrometers dedicated to in-situ measurements of CH4, CO2 et H2O in the middle atmosphere. It includes the development of the prototypes, the associated spectroscopy, the concentration data retrieval as well as the first balloon campaigns. The first part of the thesis describes the scientific framework and it further gives a state of art of the instrumental field. The second part gives the results from a spectroscopic study on the R(6) manifold of CH4 at 3.24µm and on the R18e and R20e lines of CO2 at 2.68µm in order to allow an accurate concentration retrieval. The third part details the development of the PicoSDLA-CH4 spectrometer dedicated to the in-situ measurements of CH4 at 3.24µm, using a difference frequency generation (DFG) laser source, and the development of PicoSDLA-CO2, a sensor dedicated to measurements of CO2 at 2.68µm using antimonide laser diodes. Both spectrometers were involved in three balloon campaigns in 2010, 2011 and 2012; the results are presented in the fourth part of the thesis.

Alors que l'étude de l'atmosphère a une importance croissante pour répondre aux problématiques environnementales, les exigences en terme de sources laser pour la spectrométrie de molécules complexes nécessitent de développer des sources largement accordables. Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit est centré sur la mise en œuvre de lasers à cascade quantique en cavité étendue (EC-QCL). Une partie de ce travail concerne la caractérisation d'une source EC-QCL commerciale ainsi que son application à la détection de gaz par spectrométrie photoacoustique. Des mesures ont été réalisées sur le dioxyde de carbone dans l'air expiré et sur le butane. La partie centrale de ce travail de thèse réside dans le développement de sources EC-QCL à partir de puces laser à cascade quantique développées par le III-V Lab. L'objectif est d'obtenir des sources largement accordables qui puissent être utilisées pour la détection de molécules complexes. Cela comprend la simulation, la conception et la mise en œuvre de systèmes en cavité étendue. Deux sources EC-QCL ont été réalisées. La première est une source impulsionnelle émettant autour de 4,5μm. La seconde émet autour de 7,5μm et fonctionne en continu à température ambiante. Ce laser a été utilisé pour réaliser des enregistrements sur l'acétone et le trichlorure de phosphoryle. / As the study of the atmosphere is growing strongly in response to environmental issues, the needs in terms of laser sources for spectroscopy of complex molecules require the development of widely tunable sources. The PhD work presented in this manuscript is focused on the implementation of quantum cascade lasers in external cavity (EC-QCL). Part of this work deals with the characterization of a commercial EC-QCL source and its application to gas detection by photoacoustic spectrometry. Measurements were performed on carbon dioxide in exhaled air and butane. The central part of this thesis consists in the development of ECQCL sources based on quantum cascade laser chips from III-V Lab. The aim is to obtain widely tunable sources that can be used for the detection of complex molecules. This includes simulation, design and implementation of external cavity systems. Two EC-QCL sources were implemented. The first one is a pulsed laser emitting around 4,5μm. The second one emits around 7,5μm and is operated at room temperature in continuous wave mode. This laser was used to record the spectra of acetone and phosphoryl chloride.

La détection de gaz est un domaine d’intérêt pour de nombreuses applications telles que la surveillance de la pollution atmosphérique, la détection d’explosifs, l’analyse des émissions respiratoire de patients, etc... La spectrométrie par lasers accordables permet la réalisation d’instruments compacts et bénéficiant de performances élevées (sélectivité, résolvance et résolution temporelle). Par ailleurs, l’utilisation de lasers à cascade quantique (QCL) permet d’accéder au moyen infrarouge (Mid-IR), où les raies d’absorption des molécules d’intérêt sont plus intenses, ce qui améliore la sensibilité des dispositifs. Les travaux de cette thèse ont porté sur le développement de dispositifs basés sur des QCL pour la détection de gaz. La première partie des travaux porte sur l’exploitation de nouvelles sources Mid-IR telles que les barrettes de QCL multiplexées et les barrettes de QCL cohérents. La seconde partie concerne le développement d’un dispositif intracavité sur lequel une technique de détection par mesure de la tension du laser a été validée. Cette technique possède l’avantage de ne pas nécessiter de détecteur optique et de fonctionner quelle que soit la longueur d’onde du laser. / The field of gas detection is interesting for many applications such as monitoring of air pollution, explosives detection, breath analysis, etc. Tunable laser spectrometry allows to create compact instruments with high performances (selectivity, spectral and temporal resolution). Mid-Infrared (Mid-IR) region can be accessed with the use of Quantum Cascade Laser (QCL). In this region, absorption lines of the molecules of interest are more intense, which improves the devices sensitivity. The work presented in this thesis is focused on the development of QCL-based gas detection devices. First part presents the use of new Mid-IR sources such as multiplexed QCL array and coherent QCL array. Second part is focused on the development of an intracavity setup and a detection technique based on the QCL voltage measurement. This technique does not need the use of an optical detector and can be performed whatever the laser wavelength.

La détection hétérodyne infrarouge est une technique qui a été développée principalement pour améliorer la détectivité des détecteurs infrarouges, en particulier dans la fenêtre 8-12 μm. Cette technique a longtemps été étroitement associée à l’usage de lasers à gaz. Les domaines d’applications ont été principalement les études astrophysiques et atmosphériques. Peu d’autres applications ont pu être envisagées du fait de la complexité de mise en oeuvre et de l’encombrement de ce type d’instruments. Les progrès récents dans le domaine des lasers à semi-conducteurs (les lasers à cascade quantique - QCL - couvrent une grande partie du spectre infrarouge) permettent d’envisager de nouveaux développements et de nouvelles applications pour la détection hétérodyne infrarouge, par exemple pour la détection et l’identification à distance de molécules d’intérêt atmosphérique telles que les polluants. Les principaux atouts de la détection hétérodyne concernent la sélectivité spectrale et directionnelle de l’instrument. Elle est applicable dans le domaine civil aux molécules d’intérêt atmosphérique telles que l’ozone et le dioxyde de carbone et pour le domaine militaire à la détection d’espèces dangereuses. Un récepteur hétérodyne a été réalisé avec un QCL émettant autour de 10 μm et un corps noir stabilisé en température. Dans ce but, plusieurs systèmes ont été envisagés : un système à base de lentilles, un autre à base de miroirs paraboliques hors axes et un dernier à base de fibres optiques moyen infrarouge. Parallèlement, un héliostat a aussi été développé dans le but de réaliser des mesures atmosphériques. / Infrared heterodyne sensing is a technique which has been developed primarily toimprove the detectivity of infrared detectors, particularly in the 8 − 12 μm window. This technique has long been closely associated with the use of gas lasers. The fields of application were mainly astrophysical and atmospheric studies. Due to the complexity of implementation and the size of this type of instrument, ew other applications could have been envisaged. Recent progress in the field of semiconductor lasers (Quantum Cascade Laser - QCL - cover a large part of the infrared spectrum) enable to consider new developments and new applications for infrared heterodyne sensing, for example for the remote detection and identification of atmospheric molecules, such as pollutants. The main advantages of heterodyne sensing concern spectral and directional selectivity of the instrument. It is applicable in civil sector to atmospheric molecules such as ozone and carbon dioxide, and for the military one to detect hazardous species. A heterodyne receiver has been developed with a QCL emitting at around 10 μm and a temperature stabilized black body. To this end, several systems were considered: a system based on lens, another one based on off-axis parabolic mirrors and a last one based on mid-infrared optical fibers. Meanwhile, a heliostat has also been developed in order to do atmospheric measurements.

L’étude de la pollution troposphérique inclut l’étude des gaz traces provenant de sources anthropiquesdiverses, dont l’impact varie de l’échelle locale à globale. Pour caractériser cette pollution, il est nécessairede mesurer avec précision les concentrations en polluants. Dans le cadre de projets européens, troiscampagnes aéroportées ont été conduites, dans le bassin méditerranéen, en Afrique de l’ouest et enMalaisie, pour mesurer différents types de polluants grâce, entre autres, à un spectromètre à lasersinfrarouges, SPIRIT, capable de mesurer rapidement en ligne de faibles variations de NO2 et CO. Les jeuxde données de ces gaz traces (et d’autres) ont été combinés avec un modèle lagrangien de dispersion departicules, FLEXPART, pour identifier différentes sources de pollution locales et régionales de l’air. Cettethèse présente ainsi les mesures et le travail de modélisation entrepris afin de définir les sources depollution de chaque région. Il a été montré que le bassin méditerranéen a été impacté, de la moyenne à lahaute troposphère pendant l’été, par des émissions de feux de biomasse venant de Sibérie et du continentnord-américain. Les régions ouest-africaine et malaisienne sont aussi impactées par des émissions de feuxde biomasse transportées depuis l’Afrique centrale dans le premier cas, et de feux locaux dans le second.En outre, ces régions sont influencées par des émissions provenant de l’exploitation du pétrole et du traficmaritime. FLEXPART a été utilisé afin d’identifier l’origine des pics de pollution mesurés au cours descampagnes. Nous avons ainsi montré que les conditions atmosphériques, qui définissent la hauteurd’injection du panache de la plateforme pétrolière, ainsi que le flux d’émission sont des paramètres clésdans la caractérisation des mesures par le modèle. / The study of tropospheric pollution includes the study of trace gases coming from various anthropogenicsources that can impact scales ranging from local to global. To characterise this pollution, it is necessary tobe able to measure with precision pollutant concentrations. Within the frame of European projects, threeairborne campaigns in the Mediterranean Basin, in West Africa and in Malaysia were conducted to measuredifferent types of pollutants thanks to, among others, an infrared laser spectrometer, SPIRIT, able to rapidlymeasure on-line small variations in NO2 and CO. The data sets of these trace gases (and others) have beencombined with a Lagrangian model of particle dispersion, FLEXPART, to fingerprint different sources of localand regional air pollution. Thus, this thesis presents the measurements and the modelling work undertakenin order to define the sources of pollution of each region. It has been shown that the Mediterranean Basinwas impacted, in the mid to upper troposphere during summer, by biomass burning emissions coming fromSiberia and the Northern American continent. West African and Malaysian regions are also impacted bybiomass burning emissions transported from central Africa in the first case, and from local fires in thesecond. In addition, those regions are influenced by emissions coming from oil exploitation and maritimetraffic. FLEXPART was used in order to identify the origin of the pollution peaks measured during thecampaigns. It has been shown that atmospheric conditions, which define the injection height of the oilplatform plume, and also the emission flux are key parameters in the characterisation of the measurementsby the model.