Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
L’émission thermique de lumière par un objet chauffé est souvent prise comme l’exemple du rayonnement incohérent. Ces sources sont réputées émettre de manière isotrope, avoir un spectre large et un temps de réponse long. Elles sont aussi connues pour leur mauvais rendement. La nano-photonique, interaction lumière-matière aux échelles sub-longueur d’onde, permet de révolutionner le concept de source thermique. Cet article aborde les notions principales qui permettent de traiter du rayonnement thermique, et présente des exemples de réalisation de sources chauffées qui peuvent être directionnelles, monochromatiques, rapides, efficaces, ouvrant la voie vers de nouvelles sources infrarouges.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Henri BENISTY : Professeur à l’Institut d’Optique Graduate School, Laboratoire Charles Fabry, - Palaiseau, France
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Patrick BOUCHON : Chercheur à l’ONERA, Palaiseau, France
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François MARQUIER : Professeur à l’École Normale Supérieure Paris-Saclay, Laboratoire Aimé Cotton, - Orsay, France
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Émilie SAKAT : Chercheuse à l’Institut d’Optique Graduate School, Laboratoire Charles Fabry, - Palaiseau, France
INTRODUCTION
Les premières sources électriques de lumière ont été développées pour les applications d'éclairage dans le visible par Joseph Swan et Thomas Edison à la fin du XIXe siècle. Le fonctionnement de ces ampoules à incandescence reposait alors sur le fait que tout objet chaud a une propension à émettre un rayonnement électromagnétique déterminé par les lois thermodynamiques. Dans la deuxième moitié du XXe siècle, l'invention des sources lasers et des LEDs a permis d'obtenir des propriétés impossibles à atteindre avec ces ampoules incandescentes, comme la directionnalité ou la finesse spectrale, ainsi que des seuils de puissance et des rendements énergétiques bien supérieurs. L'avènement de la nanophotonique au XXIe siècle a réouvert des perspectives importantes pour ces sources que nous appellerons « thermiques ». L’idée qu'il était possible de donner un caractère cohérent à la fois spatialement et temporellement à un rayonnement thermique, ce qui était jusqu'alors considéré comme l'apanage des rayonnements lasers, a reçu un élan décisif au début de notre siècle.
Cet article présente les avancées et les développements accomplis sur les sources thermiques infrarouges, ainsi que leurs opportunités d'applications. Dans une première section, les principales sources de lumière dans l'infrarouge sont présentées avec les mécanismes physiques impliqués dans chaque cas : LEDS, lasers à cascade quantique, OPOs et sources thermiques. Chacune de ces sources présente des limitations, soit de bande spectrale atteignable, soit d'efficacité énergétique ou encore de coût.
Dans la deuxième section, l'optimisation d'une source thermique est décrite tant du point de vue électromagnétique que thermique. Un objet chaud tend vers l'équilibre thermodynamique par l’intermédiaire de trois canaux possibles : la conduction thermique, la convection et le rayonnement thermique. L'optimisation thermique a pour enjeu de favoriser ce troisième canal tout en minimisant les deux autres. L'optimisation électromagnétique, qui repose sur la loi de Kirchhoff à l'échelle macroscopique et microscopique, permet de sélectionner les bandes spectrales et angulaires de rayonnement.
Dans la troisième section, sont présentées les grandes familles de sources thermiques nées de l'utilisation de dispositifs nanophotoniques : les sources directionnelles, les sources à bande spectrale étroit et les sources modulées temporellement rapidement (actuellement autour du MHz).
Enfin, les principales applications existantes ou en développement de ces sources sont décrites (détection de gaz, source de lumière, génération thermophotovoltaïque et conversion de fréquence, codage d’image et refroidissement radiatif).
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et une liste des symboles et des sigles utilisés.
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Conclusions et perspectives
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4. Applications
Les sources thermiques, qui ont été développées depuis une dizaine d’années sur les concepts exposés plus haut, commencent maintenant à être utilisées dans plusieurs types d’applications. Nous en proposons quelques exemples.
4.1 Détection de gaz
L’infrarouge est le domaine spectral par excellence dans lequel beaucoup de gaz présentent des raies d’absorption liées aux résonances rotationnelles et vibrationnelles des liaisons chimiques. Le spectre d’absorption présente des raies qui sont spécifiques de certains gaz, et permet à la fois de les distinguer les uns des autres, mais aussi d’obtenir une information quantitative sur la concentration (figure 18). La détection de gaz a des intérêts pour l’environnement (suivi des polluants et gaz à effets de serre), pour la domotique ou le contrôle de la qualité de l’air (suivi du CO2, des composés organiques volatils, les COV), mais aussi pour la défense (détection de menaces chimiques, levée d’alerte).
La plupart des capteurs actuels utilisent des corps noirs devant lesquels un filtre a été placé comme sources infrarouge. L’inconvénient est que seule une fraction de l’énergie rayonnée est utilisée, ce qui les rend peu économes énergétiquement. L’utilisation de sources thermiques émettant seulement dans la bande souhaitée rend le dispositif plus économe et élimine le besoin de filtres, donc l’encombrement.
La démonstration d’une source de ce type, émettant sur une bande étroite de longueur d’onde autour de la raie d’absorption du CO2, a été récemment démontrée dans le cadre d’une étude visant à construire des détecteurs d’incendie plus économes en énergie. La source est quasi monochromatique et émet majoritairement le rayonnement dans un angle solide d’émission optimisé, de sorte qu’il soit égal à l’angle solide de détection. L’énergie radiative est donc concentrée en longueur d’onde et en direction dans les zones d’intérêt. La source développée est basée sur une conception de résonateurs MIM disposés périodiquement sur une fine couche de nitrure de silicium ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - GREFFET (J.-J.), CARMINATI (R.), JOULAIN (K.), MULET (J.-P.), MAINGUY (S.), CHEN (Y.) - Coherent emission of light by thermal sources. - Nature, vol. 416, pp. 61-64 (2002).
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(2) - PURCELL (E.M.) - Spontaneous Emission Probabilities at Radio Frequencies. - Physical review, vol. 69, p. 681 (1946).
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(3) - MATTEÏ (S.) - Rayonnement thermique des matériaux opaques. - Techniques de l'ingénieur Transferts thermiques, vol. TIB214DUO (2005).
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(4) - CALLEN (H.B.), WELTON (T.A.) - Irreversibility and generalized noise. - Physical Review, vol. 83, pp. 34-40 (1951).
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(5) - RYTOV (S.M.), KRAVTSOV (Y.A.), TATARSKII (V.I.) - Principles of Statistical Radiophysics 3 - Elements of Random Fields, Berlin Heidelberg : Springer Verlag (1989).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
LUK (T.S.), CAMPIONE (S.) et SINCLAIR (M.B.). – Thermal emitter comprising near-zero permittivity materials. US9799798 (2017).
KARALIS (A.), JOANNOPOULOS (J.D.). – Highly efficient near-field thermophotovoltaics using surface-polariton emitters and thin-film photovoltaic cell absorber. WO2017223305 (2017).
MOLESKY (S.), JACOB (Z.). – Metamaterial based emitters for thermophotovoltaics. US2017085211 (2017).
LIU (V.), CASSE (B.D.), VOLKEL (A.R.). – Passive radiative dry cooling system using metamaterials. US2016363394 (2017).
CASSE (B.D.). – Solar power generation and recovery system with metamaterial enhanced solar thermophotovoltaic converter. US9656861 (2017).
CHEN (Z.), ZHU (L.), RAMAN (A.), GOLDSTEIN (E.A.), FAN (S.). – Ultrahigh-performance radiative cooler. US2018023866 (2018).
BOUCHON (P.), JAECK (J.), MAKHSIYAN (M.), HAÏDAR (R.). – Device and method for optically encoding an image. WO2017012862 (2017).
LEFEBVRE (A.), BECKER (S.), BOUTAMI (S.). – Method for optimisation of detection wavelengths for multi-gas detection. US2017097301 (2017).
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non...
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