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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).
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1. Sources de rayonnement infrarouge
1.1 Émission de rayonnement
L’émission thermique de la matière est une des formes de l’interaction lumière-matière. Grâce au raisonnement des « coefficients d’Einstein » sur un système simple à deux niveaux, E 1 et E 2 à la température T, en présence d’un ensemble de photons dont la distribution spectrale d’énergie volumique est caractérisée par Φ eq(ν 12,T) à la fréquence ν = ν 12 (figure 1 a ), on peut replacer l’émission thermique dans un cadre commun à trois sortes d’interaction : absorption, émission stimulée, et émission spontanée.
L’objectif de cette section est de reprendre le squelette du raisonnement sur un système comprenant la matière et un « gaz » de photons, tous deux à l’équilibre thermodynamique.
Ce raisonnement consiste à mettre en balance deux aspects :
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l’un est l’absorption nette d’énergie w 12 (net) = w 12 (abs) − w 12 (stim) = (B 12 N 1 − B 21 N 2) Φ eq(ν 12,T), différence « comptable » entre flux absorbé et émis (les populations des niveaux 1 et 2 étant N 1 et N 2, avec des coefficients de proportionnalité de chaque processus B 12 et B 21) ;
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l’autre est l’émission spontanée, qu’on écrit A 21 N 2, simplement.
Lorsque la densité d’énergie Φ eq(ν 12, T) correspond à un « gaz » de photons lui aussi à la température T, l’équilibre doit être réalisé exactement, soit :
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BIBLIOGRAPHIE
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
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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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