1. Innovative Optical Fiber
Texte
for Infrared Spectroscopies
B. Bureau, C. Boussard-Plédel, J. Troles, V Nazabal, JL Adam, J. Lucas
Glasses and Ceramics, UMR-CNRS 6226 Sciences chimiques de Rennes,
University of Rennes1, France
CAPBIOTECH
27 juin 2012
IFREMER Brest

2. Chalcogenide glasses
Texte

3. Capteur infrarouge
Large domaine de transparence de l’UV à l’infrarouge
Propriétés thermo-mécaniques permettant leur mise en forme:
Fibres optiques, guides planaires, lentilles, micro-sphères…
Texte
Microsphere
Pathologic
Applications potentielles states
Vision nocturne Dy3+ m-IR
14 6 0,6
F3/2
Sources lasers 12
10
6
F5/2
6
F7/2
6
H5/2
0,4
6 6
F9/2 + H7/2
Optique spatiale
Energy (103 cm-1)
6
8 F11/2 + 6H9/2 0,2
Z Data
6
6 H11/2
0,0
endoscopie
4 6
H13/2
0,00
2 -0,2 -0,02
-0,04
6
H15/2 -0,06
0 -0,08
ta
capteur chimique
Da
-0,4 -0,10
0,20 -0,12
X
0.76 0.81 0.92 1.1 1.3 1.7 2.4 3.0 4.3 5
0,15 -0,14
Wavelength (µm)
0,10 -0,16
0,05
0,00 -0,18
-0,05
Y Dat -0,10 -0,20
a -0,15
…..
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
150
100 200
150
50 100
50
0 0

4. Spectroscopie par ondes evanescente :
Titre
imagerie médicale
FTIR
Détecteur
refroidit
Échantillon
Fibre optique
Texte
Amplificateur
0,90
0,85
0,80
0,75
0,70
0,65
0,60
0,55
0,50
Absorbance
0,45
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
4 6 8 10
Wavelength (micrometers)
Traitement du
signal
⇒ Fibres hydrophobes, bio-compatibles, têtes de mesures miniaturisées

5. Imagerie médicale : travaux à venir
Un projet pluridisciplinaire : matériaux - ingénierie - médecine - statistique
Carte ACP
0,2
Texte 0,1
0,0
Z Data
-0,1
-0,035
-0,2 -0,040
-0,045
ta
Da
-0,3
-0,050
X
0,10
0,05
0,00 -0,055
-0,05
Y Da -0,10 -0,060
ta -0,15
Cirrhosis
Control
Premier pas vers un diagnostique médicale précoce
Fonds de maturation FEDER + région Bretagne ⇒ Valider le potentiel par des études à grande échelle
(INSERM et CHU de Rennes)
Concours émergence OSEO ⇒ création de DIAFIR en juin 2011
ANR « émergence » 2010 ⇒ projet collaboratif entre DIAFIR – INSERM – CHU – VetC

6. Sécurité alimentaire
Objectif : Détermination de la présence de pathogènes flore endogène
listéria
dans des produits alimentaires et identification du pathogène salmonelle
staphylocoque doré
Texte
Viande hachée Lait cru Fromage cru
0,4 0,6
0,6
0,3
0,4
0,2 0,4
0,1 0,2
Z Data
Z Data
0,2
Z Data
0,0
0,0
-0,1 0,0
0,4 0,00
-0,2 -0,2 -0,02
0,3 -0,04 0,00
-0,3 0,2 -0,06 -0,2 -0,02
ta
-0,08 -0,04
0,1
Da
ta
-0,4 -0,10 -0,06
Da
-0,4 -0,12 -0,08
ta
0,0 0,10
X
0,05
Da
0,2 -0,14 -0,4 -0,10
X
0,1 -0,1 0,00 -0,16
-0,05 0,20 -0,12
X
0,0 -0,10
-0,1 -0,2 -0,15 -0,18 0,15 -0,14
-0,2 Y Da -0,20 -0,20 0,10 -0,16
-0,3 ta -0,25 0,05
Y Da -0,4 -0,3 0,00 -0,18
ta -0,5 -0,05
Y Data -0,10 -0,20
-0,15
Souches pathogènes fournies par AES laboratoires ©
⇒ Un vaste potentiel à explorer : micro-biologie, médecine, sécurité alimentaire, process industriel…

7. ANR CO2: détection du CO2 à 4.3 µm
- séquestration géologique du CO2 … une solution prometteuse pour abaisser la concentration des gaz à effet de serre.
- explorer le potentiel des techniques infrarouges pour détecter et quantifier les fuites de CO2 , in situ et en temps réel.
Par transmission entre fibres Guide planaire à 2 bras :
ultra-transparentes Par ondes évanescente
(microfluidique )
Texte
Les fibres microstructurées:
à la frontière entre FEWS et Fibre dopée par des ions
transmission Terres Rares(Dy3+, Er3+, Pr3+)
émettant autour de 4,3 µm.
1,05 3+
fluorescence du Dy pour differentes concentrations en CO2
0,04 Le signal détecté est proportionnel à la concentration en CO2
1,00
bande mesure bande réference 0,55 diode: (0V; 4V)
0,95
0,52
FP: (2,8; 3,45) 0,50
0,50
Transmittance
0,90 0,03
Intensité de fluorescence
0,45
dans
signal différentiel
dans
0,85 0,40 le puits le puits
0,35
0,80
0,02
0,30
0,75
0,25
0,70 0,20
100 % CO2 0,01
0,15
0,13
0,13 0,13
0,65
0,10
en dehors en dehors en dehors
4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5
0,05 du puits du puits du puits
Longueur d'onde (µm) 0,00
0,00
4000 4100 4200 4300 4400 4500 4600 4700
0 25 50 75 100 125 150 175
longueur d'onde (nm)
cycles (5s par cycle)
Capteur utilisable à des profondeurs de plusieurs kilomètres.
La limite de détection a été déterminée à 500 ppm

8. Projet Darwin : détection du CO2 à 15µm
Objectif:
détecter des signes de vie sur des planètes hors de notre système solaire
Texte
Flotille de téléscopes spatiaux Signatures infrarouges des
molécules cibles : H2O, O3, CO2

9. Projet Darwin : détection du CO2 à 15µm
Texte
Sans annulation Avec annulation
Principe: interféromètrie pour supprimer le signal des étoiles
élément clé: guide/fibre monomode
detection du CO2 à 15µm: meilleur contraste planète/étoile

10. Projet Darwin : état de l’art
Detection @ 6.3 and 9 µm: Te20As30Se50 single mode fiber
15
14
13
12 Texte NA = 0.2
11
Attenuation (dB/m)
10 λc = 5.86 µm
9
8
7
6
5
4
H2O O3
3
2
1
0 ncore = 2.9215
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Wavelength (µm)
nclad = 2.9144
Detection @ 15 µm Verres à base de tellure

11. Projet Darwin : perspectives
Glassy matrix + -
TAS excellent resistance to
IR cut-off = 12 µm
(Te20As30Se50) devitrification
TGG
2 to 25 µm on bulk ∆
low stability (∆T* = 113°
C)
(Te75Ga10Ge15)
TGI
2 to 20 µm on bulk potential volatile species
(Te73Ge20I7)
Texte 2,0
Te76Ge21Se3 1,8 normal atmosphere
CO2 (low flux)
1,6
Absorbance (Log10(Iréf./Iexp.))
1,4
1,2
• Fenêtre de 2 à 18 µm 1,0
0,8
• Stabilité (∆T)max. = 123 °C 0,6
0,4
0,2
0,0
13,0 13,5 14,0 14,5 15,0 15,5 16,0 16,5 17,0
Wavelength (µm)
Mise en évidence de la faisabilité à partir d’un verre « compromis »
⇒ La fibre monomode en verre de tellure reste à faire…. Et le « bon » verre reste à trouver

12. Single mode Photonic Crystal Fiber,
some achievements
At the telecom wavelength 1,55 µm
Texte
As-Se, Small, 3 rings, Aeff = 3 µm2 As-Se, suspended small core, Aeff = 4 µm2
~ 4,5 dB/m ~ 0,8 dB/m
In infrared At 9,3 µm (5 dB/m)
A 3,39 µm ( ~ 0.4 dB/m)
Te-As-Se (TAS), "endlessly "single mode
fiber d/Λ=0,36, Core diameter 25 µm

13. Single mode Photonic Crystal Fiber,
some achievements
At the telecom wavelength 1,55 µm
Texte
As-Se, Small, 3 rings, Aeff = 3 µm2 As-Se, suspended small core, Aeff = 4 µm2
~ 4,5 dB/m ~ 0,8 dB/m
In infrared At 9,3 µm (5 dB/m)
A 3,39 µm ( ~ 0.4 dB/m)
Te-As-Se (TAS), "endlessly "single mode
fiber d/Λ=0,36, Core diameter 25 µm

14. Gas detection, preliminary results
Reference
Untapered
fiber
Texte Tapered
fiber
Sensitivity to CO2 increases when using a tapered PCF
The filling of the holes with gas in longitudinal The filling in transversal way would be much
way is not a satisfying way more convenient
Guided
energy
under development
Leaky energy
Opened suspended core CCD capture at
Fiber 1,55µm

15. Contamination des coquillages côtiers
par des algues toxiques
Résonance Plasmonique de Surface (SPR)
Lampe WH
en interrogation angulaire R=f(q) et spectrale
normale
Polariseur 180 °
Texte
Miroir
Interface prisme-or
Monochromateur Prisme
Platine tournante
Polariseur
Caméra CCD
+ fonctionnalisation de surface ⇒ détection sélective des algues polluant les coquillages côtiers
Thèse en cours sur le SEIRA (spectroscopie IR amplifié)
thèse de Frédéric Verger soutenue le 19 juin 2012,
&
Dépôt d’une ANR 2012 : V&C, IFREMER, UTT, Institut Fresnel …
… projet ambitieux sur les interactions lumière/matière aux interfaces verre/métal/molécule

16. Partenariat
Joao Pereira
Cheng Lun, Wim Gielesen
Karine Le Pierrès
Texte Nathalie Thybaud
Jean Louis Doualan
Laurent Brilland
Denis Tregoat
Olivier Loréal
Hervé Lhermite
Pierre Brissot
Caroline Le Lan Florent Colas
Jean François Bretagne… Chantal Compère
Emmanuel Rinert
Olivier Sire Kada Boukerma
Valérie Monbet
Lionel Ketel