Thèse : Conception d'un réfractomètre à fibres optiques microstructurées pour la détection in situ du méthane dissous en environnement aquatique

Résumé

Les réfractomètres à fibres optiques offrent une plateforme adaptée aux applications de surveillance environnementale grâce à leur passivité électrique, leur immunité aux interférences électromagnétiques et leur capacité à être interrogés à distance. Menée dans le cadre du projet ANR FRAME, cette thèse présente le développement de réfractomètres à fibres capillaires basés sur la mesure de variations d’intensité lumineuse pour la détection in situ du méthane dissous en milieu aquatique. Une contribution centrale réside dans la modélisation physique de la transition conique en silice, formée par l'effondrement partiel du trou d'air lors de l’épissure par fusion au laser entre une fibre monomode et une fibre capillaire. En ajustant la géométrie de cette transition, les rayons optiques sont redistribués vers la gaine optique pour interagir avec le milieu externe et s'adapter à la plage d'indice de réfraction des revêtements fonctionnels. Associé à un montage optique différentiel et à une méthode de détection synchrone réduisant le bruit de mode commun, le capteur offre une résolution élevée et une large plage dynamique. Une fois le capteur fonctionnalisé par un revêtement polymère contenant des supramolécules Cryptophane-A, le piégeage du méthane induit des variations d’indice de réfraction qui entraînent une modulation de l’intensité optique. Ce capteur démontre des temps de réponse rapides et des limites de détection réduites, tant en phase gazeuse qu'en phase dissoute.

Abstract

Optical fiber refractometers provide an electrically passive platform that is immune to electromagnetic interference and deployable in harsh environments. Conducted within the framework of the ANR FRAME project, this thesis presents the development of intensity-based capillary fiber refractometers for in situ methane detection in aquatic environments. A central contribution is the physics-based modeling of the tapered collapse zone formed during the laser fusion splicing of solid and air-core fibers. By tailoring this transition, optical power is redistributed to match the refractive index window of functional coatings. Combined with a differential optical interrogation scheme to suppress common-mode noise, the sensor achieves high resolution and dynamic range. When functionalized with a supramolecular Cryptophane-A-based coating, methane trapping induces refractive index variations that translate into optical intensity modulation. The platform demonstrates rapid response dynamics and low limits of detection in both gaseous and dissolved phases.