Soutenance mémoire
Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)
Technologie de rupture et axe de technologique
Les réseaux de Bragg en volume constituent réellement une technologie de rupture selon sa définition classique (Christensen, 1997). Une technologie de rupture, par opposition à une technologie de continuité, est une innovation technologique qui a trait, dans notre cas, à un produit qui finit par remplacer une technologie dominante sur un marché. Cette disparition de la technologie existante se fera bien que la technologie de rupture soit radicalement différente et qu’elle soit souvent moins performante à l’origine, selon les critères de performances liées à la technologie existante. Les réseaux de Bragg en volume constituent ainsi une technologie de rupture dans la seconde mesure où elle permet de créer de nouveaux produits s’adressant à des marchés encore inexistants.
Un réseau de Bragg en volume peut être utilisé dans un premier cas d’utilisation, seul, et sans système électromécanique complexe pour le faire fonctionner. Un conditionnement minimal est quand même requis afin de pouvoir le manipuler et le protéger. Le type de dispositif ainsi créé offre des performances importantes, mais avec des possibilités limitées.
Nous pouvons reconnaitre ici des produits distincts utilisant cette technologie, dans cette configuration simple, tels les filtres suppresseurs fixes (Blais-Ouellette, 2010; D.Gagnon, 2007), les stabilisateurs de pompe laser, et des filtres multibandes. Il s’agit ici de produits existants, mais l’introduction des réseaux de Bragg en volume augmente leurs performances, leur fiabilité liée au vieillissement et diminue leurs coûts. Le détecteur multibande développé dans le cadre de ce mémoire appartient à cette catégorie d’utilisation de la technologie.
Réseau de Bragg volumique
Un réseau classique est un élément optique qui est principalement utilisé pour séparer angulairement les composantes d’un spectre optique. Un réseau fonctionne donc essentiellement comme un prisme en séparant angulairement chacune des couleurs, à la différence que son principe de fonctionnement est basé sur le phénomène de la diffraction de la lumière, alors que celui du prisme est basé sur le phénomène de la réfraction de la lumière.
Les réseaux sont connus depuis plus de deux siècles et c’est l’astronome Américain David Rittenhouse qui fabriqua le tout premier réseau de diffraction en 1785 (Rittenhouse, 1786).
Aujourd’hui, la technologie des réseaux de diffraction est très bien comprise et a atteint sa Technologie nouvelle Technologie ancienne Réseau de Bragg en volume maturité. De multiples ouvrages et articles scientifiques traitent du sujet. D’autres ouvrages sont à caractère plus académique et expliquent clairement le fonctionnement de cette technologie (Palmer et Loewen, 2005). De par son faible degré de nouveauté technologique et la grande maturité de ses marchés, cette technologie différentiée est utilisée dans de multiples instruments appliqués à divers domaines ou l’analyse spectrale de la lumière est nécessaire. Les réseaux de diffraction sont donc la référence pour la plupart des applications spectroscopiques.
Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)
Le LIBS utilise la lumière émise d’un plasma afin d’en extraire ses composantes spectrales.
Le plasma lui, est créé à l’aide d’une source d’énergie lumineuse externe telle qu’un laser. La focalisation d’un laser générant une densité de puissance suffisamment élevée (108-1010W/cm2) sur un échantillon, crée donc un plasma qui à son tour réémet de la lumière avec un spectre caractéristique du matériau. Cette lumière est par la suite analysée à l’aide d’un spectromètre, et le spectre atomique caractéristique de l’échantillon peut être alors obtenu.
Cette forme particulière de spectroscopie d’émission atomique provient de la découverte du laser en 1960, et a été rapportée pour la première fois dans la littérature en 1962 (Brech et Cross, 1962). Au début, l’ablation générée par l’impulsion laser focalisée sur la surface d’un échantillon était utilisée comme méthode d’échantillonnage, car n’importe quels matériaux pouvaient alors être vaporisés finement. Cette nouvelle technique de micro échantillonnage tout optique était alors une application dérivée triviale du laser au domaine analytique. Par la suite, les scientifiques et ingénieurs réalisèrent que le plasma généré durant l’ablation pouvait servir de source d’excitation à une émission atomique ou ionique quelconque. Le LIBS tel qu’il est connu voyait alors le jour. Plus tard, avec la venue de techniques d’analyse haute performance telle la spectroscopie d’émission plasma couplé par induction (ICP), le LIBS fut temporairement relayé au rang de « curiosité scientifique ». La littérature découlant du LIBS à cette époque portait alors plus sur l’étude fondamentale des plasmas induits par un laser, que de ses capacités analytiques réelles
Conception optomécanique
L’optique a longtemps été exclusivement considérée comme l’ensemble des phénomènes perçus par l’œil. Avec les grandes découvertes faites dans ce domaine au cours du 20e siècle telles que le photon, les lasers, et l’optique guidée, de nombreux bouleversements sont intervenus pour faire de cette science un secteur économique de pointe. Jumelées à d’autres disciplines telles que la mécanique, l’électronique, l’informatique et la photonique, d’importantes avancées en matière de performances et de coûts ont ainsi pu être réalisées.
L’optomécanique est une discipline relativement jeune qui vient pallier au fossé technique existant entre la science de l’optique et celle de la mécanique. « The words ‘Optomechanical Engineering’ can be seen everywhere now but its roots happened sometime in the early 1980’s. In 1983 while at Aerojet Corporation an optical engineer was drawing on a blackboard the usual ‘floating lenses’ (no connection between them other than rays of light) optical system. I asked who takes care of the interconnection of the lenses, the mounting of the lenses and the physical tolerances of the optical system and his answer was, I assume the mechanical engineer (who may or may not know anything about optics) will take care of all that ‘stuff’. At that point I realized that there was an engineering discipline missing between optical engineering and mechanical engineering.”mentionne Roger S. Reiss dans son résumé Optomechanical Engineering: Genesis of a Discipline (Reiss, 2009). Au même titre que l’électro-optique ou la biomécanique, l’optomécanique s’acquiert principalement par des études supérieures et par un bagage d’expérience professionnelle poussée. Discipline transversale qui considère l’optique et la mécanique comme étant en étroite relation, l’optomécanique est une expertise qui requiert des connaissances avancées à la fois en optique et en mécanique
Conception mécanique
Le logiciel ZEMAX a la possibilité d’exporter la conception optique dans un format neutre (STEP ou IGES) qui peut par la suite être intégré à un logiciel de conception mécanique 3D tel SolidWorks. Un des objectifs de ce prototype de détecteur multi bande LIBS était d’utiliser le maximum de pièces standards. C’est donc avec cette contrainte supplémentaire que de multiples ajustements à la conception optique ont dû être faits pour tenir en compte l’encombrement, le positionnement et les degrés de liberté nécessaires à l’optomécanique standard. Une fois les éléments optiques (lentilles, miroirs…) Un des éléments clés de la conception mécanique appliquée à l’optique-photonique est la conception pour la rigidité, contrairement à la conception pour la contrainte où seulement un facteur de sécurité sur la contrainte d’écoulement par exemple est considéré. Certains systèmes optomécaniques sont plus ou moins tolérants, ainsi toute déviation radiale d’un des éléments optiques par rapport à l’axe central de propagation du faisceau optique peut être néfaste et peut gravement détériorer les performances du système. Il en est de même pour toute déviation axiale, angulaire ou contrainte thermomécanique, induite sur les éléments optiques. Comme les éléments optiques sont aussi généralement des matériaux fragiles et non ductiles, en plus des possibles diminutions de performance du système, il est possible qu’ils se brisent dans leurs manipulations ou utilisations.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 MISE EN CONTEXTE ET PLAN DE TRAVAIL
1.1 Mise en contexte et problématique
1.2 Cahier des charges
1.3 Gestion de l’innovation
1.3.1 Pourquoi la gestion de cette innovation
1.3.2 La gestion stratégique d’innovation
1.4 Synthèse et plan de travail
CHAPITRE 2 TECHNOLOGIE
2.1 Environnement technologique
2.2 Technologie de rupture et axe de technologique
2.3 Réseau de Bragg volumique
2.3.1 Propagation d’un faisceau et diffraction dans un Réseau volumique
2.3.2 Efficacité de diffraction, largeur de bande et acceptante angulaire
2.3.3 Comportement sous contraintes thermique
2.4 Synthèse du chapitre
CHAPITRE 3 PRODUIT
3.1 Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)
3.1.1 Plasma LIBS
3.1.2 Montage expérimental
3.1.2.1 Laser
3.1.2.2 Système de focalisation du laser
3.1.2.3 Système de collection de la lumière
3.1.2.4 Spectromètre
3.1.2.5 Synchronisation et acquisition
3.1.3 Calibration en concentration
3.1.4 Les avantages et inconvénients de cette technique
3.2 Prototype de détecteur multibande LIBS
3.2.1 Conception optomécanique
3.2.1.1 Conception optique
3.2.1.2 Conception mécanique
3.2.2 Assemblage, essais expérimentaux et caractérisation
3.2.3 Preuve de concept avec le prototype de détecteur multibande LIBS complet
3.2.4 Compensation en température
3.3 Axe de produit
3.4 Synthèse du chapitre
CHAPITRE 4 STRATÉGIE ET MARCHÉ
4.1 Chaîne d’innovation du produit
4.2 Positionnement stratégique d’affaires
4.2.1 Axe principal de marché
4.3 Exploitation de la propriété intellectuelle
4.3.1 Alliance stratégique
4.3.1.1 Caractéristique du partenaire recherché (alliance stratégique)
4.3.2 Alliance tactique
4.3.2.1 Caractéristique du partenaire recherché (alliance tactique)
4.3.3 Partenaires d’application subséquente (alliances tactiques génériques)
4.3.4 Partenariat en cours
4.4 Synthèse du chapitre
CONCLUSION
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