Offres de stage M2


« Advanced laser heterodyne instrument for ground-based remote measurement of vertical concentration profile of key atmospheric species »
Thématique du Laboratoire : Physico-Chimie Moléculaire et Instrumentation (PCMI)
Profil de candidat : Option International « Atmospheric Environnement » du parcours Lumière-Matière
Responsable : Weidong CHEN
Candidature : Lettre de candidature et C.V. à adresser par e-mail à l’adresse suivante : chen@univ-littoral.fr
Résumé : Monitoring of vertical concentration profiles of key atmospheric trace gases is extremely important for our improved understanding of regional air quality and global climate change trends. Laser heterodyne radiometry (LHR), using sunlight as spectral source for ground-based real-time, long-range, long-term remote measurements Appl. Opt. 51 (2012) 8779, offers an ideal solution for filling the gaps between ground surface measurement and air-borne remote sensing, which is also highly required for the validation of satellite observation. A proof-of-concept LHR instrument is being developed in the laboratory LPCA for simultaneous measurement of atmospheric CH4 and H2O vapor absorptions. In this proposal, we propose to develop an advanced LHR prototype, compact and robust, for ground-based in situ measurements of key trace species, such as greenhouse gases (CH4, N2O, H2O) and aerosol precursor gases (SO2, NO2), in the atmospheric column with high spatial resolution.
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« Far InfraRed heterodyne detection »
Thématique du Laboratoire : Physico-Chimie Moléculaire et Instrumentation (PCMI)
Profil de candidat : Option International « Atmospheric Environnement » du parcours Lumière-Matière
Responsable : Gaël MOURET
Candidature : Lettre de candidature et C.V. à adresser par e-mail à l’adresse suivante : mouret@univ-littoral.fr
Résumé : A part of a project funded by the French Agency for the Research ( https://lpca.univ-littoral.fr/recherche/programmes/anr-heroes/ ), we propose an internship focussed on the conception of a new high resolution spectrometer to be subsequently installed on the AILES beam line of the synchrotron SOLEIL. The AILES beamline extracts synchrotron radiation emitted by various operating modes of the SOLEIL machine in a broad spectral range covering the THz and far-IR regions. The AILES beamline aims to characterize the spectral properties of various materials and molecular species using the synchrotron radiation. The AILES beamline, like other synchrotron-based far-IR spectroscopy stations, makes use of Fourier transform interferometry to acquire high resolution absorption spectra.Due to the limited optical delay line obtained using mechanical displacement of the moving mirror, such technique has an inherent limit of the spectral resolution that can be achieved. One objective of this project is to improve by more than one order of magnitude the available spectral resolution. We propose to implement a heterodyne detection by using a new kind of molecular laser patented by a partner of this study. This new laser source should open news perspectives mainly in the context of high resolution spectroscopy. The access to synchrotron facilities are relatively limited. It is therefore critical to implement a first prototype at the LPCA before transferring towards the synchrotron. The objective of this intermship is to contribute to the fabrication of a first prototype and then to use it in the context of high resolution spectroscopy. One of the tasks will be to accurately measure the emission frequencies of various molecular lines. The LPCA has developed a THz synthesiser using latest development in optical frequency metrology to perform such characterizations. This experimental training requires good team working as well as organization skills to interact with the different partners of this project. It may be possible to perform some experiments at the Soleil synchrotron. In the case of successful completion of this internship extension to a PhD could be proposed.
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« High-resolution rotational spectroscopy of catechol : a precursor of biomass burning organic aerosols »
Thématique du Laboratoire : Physico-Chimie Moléculaire et Instrumentation (PCMI)
Profil de candidat : Option International « Atmospheric Environnement » du parcours Lumière-Matière
Responsable : Arnaud Cuisset
Candidature : Lettre de candidature et C.V. à adresser par e-mail à l’adresse suivante : cuisset@univ-littoral.fr
Résumé : Atmospheric aerosol particles strongly influence the global atmosphere, and their contribution to climate change is versatile. Especially Secondary Organic Aerosols (SOA) play a major role in the impact of atmospheric chemistry on climate. While the formation of SOA from different terpenes has been studied in detail, there is still a lack of knowledge of SOA formation from Aromatic Precursors (AP). An appropriate AP for SOA formation is catechol, which is also reported as a strong emission from combustion leading to so-called biomass-burning organic aerosols (BBOA). Aerosol formation from catechol has been studied in LPCA, obtaining large mass yields in a smog-chamber in the presence of ozone. Recently, two LPCA research groups with expertise in THz spectroscopy and chemical reactivity were combined to study AP, which form a significant component of biomass combustion emissions: a database of vibrational cross-sections has been built – reactivity studies of AP with main atmospheric oxydants have demonstrated the potential of AP to form SOA. Intermediate compounds in the SOA formation have been identified and the hygroscopic properties have been studied. Today, we aim to perform high resolution rovibrational studies of AP and the catechol molecule has been targeted. The main goal of this study is the demonstration of the capability to monitor catechol at room temperature in gas phase using submillimeter rotational spectroscopy. For this research training, we propose to measure for the first time the submillimeter rotational spectrum of catechol using 2 spectrometers: a versatile spectrometer based on a frequency multiplication chain and the new chirped pulse submillimeter instrument. In addition to the experimental part, a large part of the research training will be dedicated to spectroscopic analyses using a large variety of programmes (genetic algorithms, LWWa, SPFIT/SPCAT programs…). Some financial support will be provided and a continuation in PhD thesis is possible.
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« Observation of amospheric turbulence using Doppler lidars »
Thématique du Laboratoire : Processus et Dynamique Atmosphérique (PDA)
Profil de candidat : Option International « Atmospheric Environnement » du parcours Lumière-Matière
Responsable : Elsa DIEUDONNE
Candidature : Lettre de candidature et C.V. à adresser par e-mail à l’adresse suivante : elsa.dieudonne@univ-littoral.fr
Résumé : The development of wind energy over the last 15 years has been accompanied by a rapid evolution of Doppler lidar technology, for wind measurement. These instruments now have a high spatial and temporal resolution, able to resolve the small-scale turbulent structures existing in the atmospheric boundary layer. These structures, and more generally atmospheric turbulence, impact the dispersion (or stagnation) of pollutants and thus the occurrence of pollution peaks. To assess the impact of atmospheric turbulence on pollutants dispersion, turbulence must be characterized by a set of parameters (turbulent kinetic energy, variances of the wind components, momentum flux…). So far, these parameters are measured in-situ using ultrasonic anemometers, however, the resolution of Doppler lidars is now sufficient to consider a remote observation. This is a particularly promising technique as it will allow to measure the profile of the turbulent parameters in the whole boundary layer using a single instrument, whereas it is currently necessary to use a mast equipped with several anemometers, that generally does not allow to go above a few dozens of meters. The LPCA possesses two Doppler lidars of the last technology, including one equipped with a scanning system allowing to orient the beam in all directions. The purpose of this training period is to test different measurement strategies (combinations of several beam directions) proposed in the scientific literature for measuring the turbulent parameters, and validate the results by comparison with the observations of a sonic anemometer. The trainee will thus participate in the deployment of the instruments on the field and then analyze the data, based on existing algorithm or on new programs that he/she would have written.
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« Détection hétérodyne d’un signal Infrarouge Lointain large bande »
Thématique du Laboratoire : Physico-Chimie Moléculaire et Instrumentation (PCMI)
Profil de candidat : Option Lumière-Matière, Générique du parcours Lumière-Matière
Responsable : Gaël MOURET
Candidature : Lettre de candidature et C.V. à adresser par e-mail à l’adresse suivante : mouret@univ-littoral.fr
Résumé : Dans le cadre d’un projet sélectionné par l’Agence Nationale de la Recherche (https://lpca.univ-littoral.fr/recherche/programmes/anr-heroes/ ), nous proposons un stage de M2 afin d’initier au Laboratoire de Physico Chimie de l’Atmosphère un nouveau système d’analyse spectrale destiné à être installé sur la ligne AILES du Synchrotron SOLEIL. La ligne AILES est dédiée à la spectroscopie d’absorption de matériaux et molécules dans les gammes spectrales infrarouge et infrarouge lointain ou THz (8 à 1000 cm-1). Comme toutes les autres lignes de lumière dédiée à ce domaine spectral de part le monde, la ligne AILES utilise un spectromètre à transformée de Fourier comme moyen d’analyse spectral qui par nature présente une résolution spectrale limitée. L’un des objectifs de ce projet est d’améliorer d’un ordre de grandeur au moins cette résolution ultime. Une solution consiste à mettre en œuvre une détection hétérodyne en utilisant un laser moléculaire de nouvelle génération pour oscillateur local. Cette nouvelle source de rayonnement a été brevetée par l’un des partenaires du projet et ouvre des perspectives immenses notamment en spectroscopie moléculaire haute résolution. L’accès aux grands instruments tel que SOLEIL reste limité. Il s’avère important de fabriquer un premier prototype pour ensuite l’adapter aux contraintes d’une utilisation en routine sur une ligne de lumière d’un synchrotron. Le stage a pour objectif de contribuer à la fabrication de ce premier prototype puis de le caractériser dans le cadre d’une étude de spectroscopie haute résolution. L’une des tâches consistera à mesurer la fréquence de plusieurs raies d’émissions puis si possible d’en analyser la stabilité. Le LPCA dispose pour ces mesures d’un synthétiseur THz très largement accordable utilisant les dernières avancées en métrologie de fréquence (« frequency comb »). Ce sujet a dominante expérimentale exige un bon relationnel pour pouvoir travailler en équipe ainsi qu’une bonne organisation pour interagir avec les différents partenaires de ce projet. Il faut également être en mesure d’accepter une mission au synchrotron SOLEIL. En cas de succès une poursuite en doctorat pour finaliser le projet devrait être proposée.
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« Monitoring of OH radical using Faraday rotation spectroscopy »
Thématique du Laboratoire : Physico-Chimie Moléculaire et Instrumentation (PCMI)
Profil de candidat : Option Lumière-Matière, Générique du parcours Lumière-Matière
Responsable : Weidong CHEN
Candidature : Lettre de candidature et C.V. à adresser par e-mail à l’adresse suivante : chen@univ-littoral.fr
Résumé : The hydroxyl radical (OH) is a major atmospheric oxidant that removes 85% CO, 90% CH4, 30% SO2, 50% NO2, and most volatile organic compounds (VOCs) from the Earth’s atmosphere. Therefore, reliable and real-time assessment of the concentration change of OH in the atmosphere is crucial for understanding present and predicting future the atmospheric oxidation capacity, hence the regional air quality and global climate change trends. Faraday rotation spectroscopy (FRS) is a promising spectroscopic technique capable of providing accurate, self-calibration, interference-free and unbiased in-situ measurements of paramagnetic molecules with ultra-high sensitivity. FRS relies on the measurement of a rotation angle of the polarization plane of incident probing laser light, which is induced by Faraday rotation effects resulting from interaction of laser beam with paramagnetic species (such as OH, HO2, etc) in a magnetic field, to infer the concentration of the molecule in interaction PNAS 106 (2009) 12587. FRS technique offers shot-noise limited high detection sensitivity Sci. Rep. 5 (2015) 9096. We recently demonstrated a prototype of FRS instrument for OH radical detection Opt. Express 19 (2011) 2493. Using an active optical path-length of L=25 cm, we achieved a 1σ (SNR=1) detection limit of 8.2×108 OH radicals/cm3. This work showed the potential of realizing a novel, simple, cost-effective, compact, auto-calibration sensor suitable for OH radical monitoring in smog chamber and in-situ field observation. In order to further improve the detection sensitivity, we propose to implement long path absorption approach in the previously developed FRS instrument : using a multipass absorption cell (with an effective absorption pathlength of some tens of meters) to gain a factor of 10-100 in sensitivity in order to lower the detection limit down to less than 107 OH radicals/cm3.
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« Observation de la turbulence atmosphérique par lidar Doppler »
Thématique du Laboratoire : Processus et Dynamique Atmosphérique (PDA)
Profil de candidat : Lumière-Matière, Générique du parcours Lumière-Matière
Responsable : Elsa DIEUDONNE
Candidature : Lettre de candidature et C.V. à adresser par e-mail à l’adresse suivante : elsa.dieudonne@univ-littoral.fr
Résumé : Le développement de l’énergie éolienne depuis 15 ans s’est accompagné d’une évolution rapide de la technologie des lidars Doppler, dédiés à la mesure du vent. Les instruments actuels possèdent une haute résolution spatiale et temporelle, à même de résoudre les structures turbulentes de petite échelle existant dans la couche limite atmosphérique. Ces structures, et plus généralement la turbulence atmosphérique, influent sur la dispersion (ou la stagnation) des polluants et donc sur l’apparition de pics de pollution. Pour évaluer l’influence de la turbulence atmosphérique sur la dispersion des polluants, il est nécessaire de caractériser cette turbulence par un jeu de paramètres (énergie cinétique turbulente, variances des composantes du vent, flux de moment…). Actuellement, ces paramètres sont mesurés in-situ au moyen d’anémomètres à ultrasons, mais la résolution des lidars Doppler rend aujourd’hui envisageable leur mesure à distance. Il s’agit là d’une technique particulièrement prometteuse car elle permettra d’obtenir, avec un seul instrument, les profils des paramètres turbulents dans toute la couche limite, quand il faut aujourd’hui disposer d’un mât équipé de plusieurs anémomètres, qui ne permet en général pas de dépasser quelques dizaines de mètres d’altitude. Le LPCA dispose de deux lidars Doppler de dernière génération, dont l’un équipé d’un système de balayage permettant de diriger le faisceau dans toutes les directions. Le but de ce stage est de tester différentes stratégies de mesures (combinaisons de plusieurs directions du faisceau) proposées dans la littérature scientifique pour la mesure des paramètres turbulents, et de valider les résultats par comparaison aux mesures d’un anémomètre sonique. Le (la) stagiaire sera donc amené(e) à participer au déploiement des instruments sur le terrain puis à analyser les données, sur la base d’algorithmes existants, ou de nouveaux programmes de son cru.
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« Photo-inscription par laser de guide d’onde fonctionnant dans l’infrarouge »
Thématique du Laboratoire : Matériaux fonctionnels (MF)
Profil de candidat : Lumière-Matière, Générique du parcours Lumière-Matière
Responsable : Pascal MASSELIN
Candidature : Lettre de candidature et C.V. à adresser par e-mail à l’adresse suivante : masselin@univ-littoral.fr
Résumé : La combinaison de la technique de photo-inscription par laser et d’un verre chalcogénure est une alternative intéressante aux technologies actuelles de fabrication de guide d’onde fonctionnant dans le moyen infrarouge. Cette méthode consiste à focaliser un laser à impulsion femtoseconde dans le verre afin d’induire une variation localisée de l’indice de réfraction. La translation de l’échantillon au travers du point focal permet d’inscrire ainsi un guide ayant la forme de la trajectoire suivie par l’échantillon.

Notre équipe a mis au point une méthode d’inscription qui permet d’atteindre un niveau de perte de propagation très faible. Ces mesures ont été faites aux longueurs d’onde télécom (1,55 µm) et nous voulons étendre la longueur d’onde de fonctionnement des guides plus loin vers l’infrarouge (autour de 4,5 µm). Cette extension n’est pas triviale et nécessitera un travail d’optimisation de la morphologie du guide.

Le stagiaire se verra confier la réalisation de ces guides et l’évaluation de leurs performances : détermination des pertes de propagation et de couplage. Le stage est à dominante expérimentale mais le candidat pourra être amené à utiliser des logiciels de simulation numérique.

Le stage pourra déboucher sur une thèse.

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« Terahertz (THz) photomixing high resolution spectroscopy of GeH4: a desequilibrium species for giant planet atmospheres »
Thématique du Laboratoire : Physico-Chimie Moléculaire et Instrumentation (PCMI)
Profil de candidat : Option Lumière-Matière, Générique du parcours Lumière-Matière
Responsable : Arnaud Cuisset
Candidature : Lettre de candidature et C.V. à adresser par e-mail à l’adresse suivante : cuisset@univ-littoral.fr
Résumé : The interest in high resolution study of germane infrared spectra is motivated by several reasons. Firstly, high resolution spectra of germane can be interesting for studying the atmospheres of giant gas-planets, such as Jupiter and Saturn, and its presence should be taken into account when studying their atmospheric composition and chemistry. Germane in a natural isotopic composition is used for producing high-purity germanium in semiconductor industry. From a spectroscopical point of of view, GeH4 is a spherical top species with no permanent dipole moment. Therfore its detection in atmospheres has been done from IR rovibrational transitions. Nevertheless, we demonstrated by methane studies the possibility to observe in the THz frequency range pure rotational transitions induced by centrifugal distortion. In the case of GeH4, those transitions have never been observed. In this research training, we want to use the THz photomixing LPCA set-up to measure for the first time the pure rotational THz spectrum of GeH4. This laboratory study will open a new spectral window for the astrophysical detection of GeH4 in giant planet atmospheres using satellite THz on-board instrumentations. The proposed subject requires experimental skills in spectroscopy, optics and electronics. The candidate will have the opportunity to use a unique set-up in the international community. The results will be analyzed in collaboration with the Dijon group and could lead to a publication in an astrophysical journal. The training will be performed in the THz group of the LPCA at Dunkerque. Some financial support will be provided and a continuation in PhD thesis is possible.
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