Le besoin d'analyse de gaz à l'état de traces s'est accentué ces dernières années en raison des préoccupations du public et de l'industrie sur des questions telles que le contrôle des émissions de polluants atmosphériques, la surveillance de l'environnement au sens large, la santé et la sécurité au travail. Il est donc nécessaire de posséder des instruments de détection sélectifs, sensibles et capables d'effectuer une mesure directe en temps réel. La fiabilité des systèmes de mesure est également un critère important et, selon l'application envisagée, s'ajoute aussi le besoin de miniaturisation pour aller vers des microsystèmes permettant le développement de dispositifs portables pour des opérations sur site.Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit est situé dans ce contexte et porte sur l'étude et la mise au point d'un système sensible, efficace et assez simple à mettre en œuvre permettant de réaliser des mesures de traces de gaz sélectives, en temps réel et in-situ. Ce système est basé sur la spectroscopie d'absorption par quartz (QEPAS, Quartz Enhanced PhotoAcoustic Spectrocopy) qui consiste en la mesure d'une onde acoustique générée après la relaxation non-radiative des molécules excitées par l'absorption de la lumière modulée émise par des diodes lasers accordables, à l'aide d'un diapason à quartz (QTF). Le fonctionnement des sources lasers accordables et du QTF ainsi que différentes configurations du spectrophone (association du micro-résonateur et du QTF) utilisés dans cette technique QEPAS sont détaillés. Une modélisation de l'onde acoustique et de la réponse du capteur est également proposée. Deux dispositifs ont été réalisés. Le premier, nommé banc QEPAS prototype, est dédié à la mesure de l'éthylène avec une diode laser DFB émettant à 3,32 µm. Le second dispositif est une nouvelle version de capteur QEPAS, plus compacte que des dispositifs existant actuellement, dans laquelle il est possible de placer tout type de diode laser commerciale montée dans des supports de type T0xx. Ce banc compact est utilisé pour la mesure de méthane avec notamment une diode laser DFB émettant à 3,26 µm. / The need for trace gas analysis has increased in recent years due to an important concern of the public and industry on issues such as the control of emissions of air pollutants, environmental monitoring, health and security. It is therefore necessary to have the trace gas sensors able of high selectivity, sensitivity and a direct measurement in real time. The reliability of the measurement systems is also an important criterion, depending on the intended application, the need to move towards miniaturization of microsystems for the development of portable devices for on-site operations is also interesting.This thesis is in this context and focuses on the study and development of a sensitive, efficient and simple setup to make selective, in-situ and in real time measurements of trace gases. This system is based on quartz enhanced photoacoustic spectrocopy (QEPAS) which consists on the measurement of an acoustic wave generated by the non-radiative relaxation of the excited molecules after light absorption, with a quartz tuning fork (QTF). The operation of tunable laser sources, of QTF and different spectrophone configurations (combination of the micro-resonator and QTF) used in QEPAS technique are detailed. A model of the acoustic wave and the response of the sensor are also proposed. Two devices have been designed. The first one is a QEPAS prototype bench, dedicated to the measurement of ethylene with a DFB laser diode emitting at 3.32 µm. The second device is a new version of QEPAS sensor that is more compact than the currently existing devices and where it is possible to place any type of commercial laser diode. This compact bench is used for methane measurement with a DFB laser diode emitting at 3.26 µm.

La mesure des polluants fait l'objet depuis la fin du XXème siècle d'une attention toute particulière pour la préservation de la planète. Les espèces gazeuses, plus précisément le méthane, présent dans le MIR, possède des forces de raies très intenses, ce qui rend la technique plus sensible. La technique de détection de gaz utilisée durant ma thèse est choisie après une large comparaison entre différentes techniques appartenant à la SDLA. Cette technique est la technique QEPAS. Elle a montré depuis son invention en 2002, une grande sensibilité et sélectivité dans le domaine d'analyse de gaz. La source de lumière utilisée dans la QEPAS est une diode laser accordable (laser à SC), ce qui permet de rendre la technique plus sélective, en variant sa longueur d'onde d'émission en fonction du courant injecté et/ou température de régulation, pour se localiser sur une raie souhaitée à détecter. Le détecteur de la QEPAS est le diapason à quartz (QTF). Ce dernier est très sensible à la force minime appliquée par l'onde acoustique, ce qui rend la technique très sensible aux faibles concentrations. Plusieurs étapes de caractérisations sont exigées pour déterminer les caractéristiques de la diode laser et du QTF. Après le choix de la diode laser et du QTF, idéaux pour la spectroscopie, on passe à l'évaluation de la technique QEPAS dans le domaine d'analyse de gaz. Les limites de détection du méthane obtenues avec la technique QEPAS sont 0.8 ppmv et 400 ppbv à 2.3 µm avec un laser à Fabry-Pérot et un laser à cristaux photoniques, respectivement, et 100 ppbv à 3.3 µm avec un laser DFB.Ce travail a permis d'obtenir une technique performante (sensible, sélective, pas cher…), dans le domaine d'analyse de gaz. / The measurement of the pollutants is the subject since the late twentieth century especially in attention to protecting the planet. The gaseous species, specifically methane, present in the MIR, has strengths rays very intense, making the technique more sensitive.The detection technique of gas used during my PhD was chosen after an extensive comparison of different techniques belonging to the SDLA. This technique is the QEPAS technique. It has shown since its invention in 2002, a high sensitivity and selectivity in gas analysis. The light source used in the QEPAS is a tunable diode laser (Laser SC), thus making the technique more selectively, by varying the wavelength of emission as a function of injected current and / or control temperature to be located on a line desired to detect. The detector is QEPAS of quartz tuning fork (QTF). The latter is very sensitive to small force applied by the acoustic wave, which makes the technique very sensitive to low concentrations. Several steps are required characterization to determine the characteristics of the laser diode and the QTF. After choosing the laser diode and the QTF, ideal for spectroscopy, we pass to the evaluation of the technique QEPAS in gas analysis. The detection limits of methane obtained with the technique are QEPAS 0.8 ppmv and 400 ppbv to 2.3 microns with a Fabry-Perot laser and a photonic crystal laser, respectively, and 100 ppbv to 3.3 microns with a DFB laser.This work has provided a powerful technique (sensitive, selective, cheap ...) in gas analysis.

Aujourd'hui la détection des COV et autres polluants anthropiques à l'état de trace est un enjeu de plus en plus important pour la surveillance de la qualité de l'air. La spectroscopie infrarouge, permettant de sonder des régions spectrales riches en absorption moléculaire, est une technique appropriée pour une mesure in-situ de la pollution atmosphérique. Ce travail de thèse a ainsi consisté à développer des instruments lasers de mesure multi-polluants de terrain. Un premier projet a consisté à profiter de la disponibilité des lasers des télécommunications émettant dans l'IR proche. Cet instrument a été réalisé sur la base d'une diode laser à cavité étendue (1500 - 1640 nm), couplée à une cellule à réflexions multiples (100 m). La sensibilité de détection a été optimisée en employant une détection balancée et une procédure de moyenne de spectres. La compacité et la sensibilité (< 10-7 cm-1Hz-1/2) obtenues ont permis la quantification de composés, en laboratoire ou in-situ, tels que CO2, CO, C2H2, CH4 et également la détermination du rapport isotopique 13CO2/12CO2 résultant de la combustion de bois. Le deuxième projet a consisté à mélanger deux lasers du proche IR (lasers à fibre dopée) dans un cristal non linéaire (PPLN) afin de produire un rayonnement laser par génération de différence de fréquences dans l'IR moyen (3,15 - 3,43 µm), là où les bandes d'absorption des molécules visées, sont les plus intenses. Les premières études avec cette source montrent la possibilité de détection de l'éthylène (C2H4) et du benzène (C6H6). Les développements, caractérisations et applications de ces instruments, aussi bien dans l'IR proche que moyen, sont détaillés et montrent les avantages de sonder les 2 gammes spectrales.