Nouveaux capteurs de polluants à base de microfibres optiques par spectroscopie Raman pour la surveillance de la qualité de l'eau // New Raman spectroscopy-based optical microfibre pollutant sensors for monitoring water quality

Le parc national de Doñana, situé en Andalousie, est l'une des zones les plus importantes d'Europe sur le plan écologique. Reconnu comme site du patrimoine mondial de l'UNESCO, le parc est d'une importance mondiale pour la conservation de la biodiversité. Cependant, Doñana est confronté à de graves problèmes environnementaux, en grande partie dus aux pressions anthropiques et à l'expansion rapide de l'agriculture intensive dans les environs du parc. En conséquence, les effets combinés de l'eutrophisation et de la contamination par les pesticides ont provoqué plusieurs épisodes de mortalité massive chez les oiseaux et les mammifères, notamment en raison de la prolifération de cyanobactéries toxiques. Cette situation a été aggravée par le changement climatique. Face à ces défis, il est urgent de mettre en place des stratégies de surveillance et de gestion plus efficaces pour sauvegarder les écosystèmes fragiles du parc. Ce projet vise à étudier la présence de pesticides et l'impact de l'eutrophisation dans les eaux de Doñana, en mettant l'accent sur le développement de méthodes plus rapides et plus efficaces pour détecter et contrôler la contamination. Les méthodes de laboratoire traditionnelles, bien que précises, prennent du temps et posent des problèmes logistiques, tels que la dégradation des échantillons pendant le transport. Pour surmonter ces limites, le projet explore l'utilisation d'outils de surveillance en temps réel et de technologies de télédétection afin de fournir des données opportunes sur la qualité de l'eau. En intégrant des données radiométriques optiques in situ et par satellite, l'étude vise à établir un système de détection précoce des polluants dans les zones humides de Doñana.
Dans ce contexte, les méthodes optiques sont très prometteuses, et parmi elles, la spectroscopie Raman offre un outil efficace pour l'analyse qualitative et la détection quantitative des polluants afin de mesurer la qualité de l'eau. Le spectre Raman d'une substance donne l'empreinte digitale des espèces présentes et peut fournir des informations sur leur concentration, de manière différenciée. Cette technique présente un certain nombre d'avantages : elle est très précise et sensible, non destructive et ne nécessite qu'une préparation minimale de l'échantillon. De plus, l'utilisation de fibres optiques permet d'effectuer de la télédétection. Au Laboratoire Charles Fabry (LCF), nous travaillons depuis plusieurs années sur les microfibres optiques, qui sont des fibres optiques en silice utilisées pour les télécommunications optiques, étirées à chaud jusqu'à ce que leur diamètre soit de l'ordre du µm. A ces petits diamètres, le champ optique qui s'y propage a des propriétés très originales. Parmi celles-ci, ce champ peut présenter une très grande fraction de lumière à l'extérieur de la microfibre, le champ évanescent, qui interagit fortement avec le milieu dans lequel la microfibre est immergée. Au LCF, nous avons développé une machine d'étirage de microfibres optiques qui nous permet de produire de manière contrôlée des microfibres d'excellente qualité optique. Grâce à ces microfibres, nous avons réalisé plusieurs expériences en première mondiale comme la production de convertisseurs de longueur d'onde par diffusion Raman dans des liquides purs immergeant la microfibre, avec des rendements de conversion quasi optimaux de l'ordre de 60 %. Dans cette thèse de doctorat, nous proposons de démontrer expérimentalement qu'il est possible d'utiliser la diffusion Raman dans le champ évanescent d'une microfibre immergée dans l'eau polluée du parc national de Doñana pour détecter la nature et la concentration des polluants présents. Cette première démonstration expérimentale réalisée en collaboration avec la Station biologique de Donana ouvrira la voie au développement de nouveaux capteurs pour des polluants spécifiques dans l'eau et pourrait par la suite être étendue à la détection de polluants dans d'autres milieux (gaz, autres liquides).
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Doñana National Park, located in Andalusia is one of Europe's most ecologically significant areas. Recognized as a UNESCO World Heritage Site, the park is of global importance for biodiversity conservation. However, Doñana is facing serious environmental challenges, largely due to anthropogenic pressures and to the rapid expansion of intensive agriculture surrounding the park. As a consequence the combined effects of eutrophication and pesticide contamination have caused several episodes of mass mortality among birds and mammals, particularly due to the proliferation of toxic cyanobacteria. This situation has been worsened by climate change. Given these challenges, there is an urgent need for more effective monitoring and management strategies to safeguard the park's fragile ecosystems. This project aims to study the presence of pesticides and the impacts of eutrophication in Doñana's waters, with a focus on developing faster, more efficient methods for detecting and controlling contamination. Traditional laboratory methods, while accurate, are time-consuming and involve logistical challenges, such as sample degradation during transport. To overcome these limitations, the project explores the use of real-time monitoring tools and remote sensing technologies to provide timely data on water quality. By integrating in-situ and satellite-based optical radiometric data, the study aims to establish an early-detection system for pollutants in Doñana's wetlands.
In this context, optical methods are very promising, and among them, Raman spectroscopy offers an effective tool for qualitative analysis and quantitative detection of pollutants for measuring water quality. The Raman spectrum of a substance gives the fingerprint of the species present and can provide information on their concentration, in a differentiated way. This technique has a number of advantages: it is highly accurate and sensitive, non-destructive and requires minimal sample preparation. In addition, the use of optical fibres enables to perform remote sensing. At the Charles Fabry Laboratory (LCF), we have been working for several years on optical microfibres, which are silica optical fibres used for optical telecommunications that we heat-stretch until their diameter is in the µm range. At these small diameters, the optical field that propagates through them has highly original properties. Among them, this field can present a very large fraction of light outside the microfibre, called the evanescent field. This field interacts strongly with the medium in which the microfibre is immersed. At the LCF, we have developed an optical microfibre drawing machine that enables us to produce microfibres of excellent optical quality in a controlled manner. Using these microfibres, we have carried out several world-first experimental demonstrations, such as the production of wavelength converters by Raman scattering in pure liquids immersing the microfibre, with near-optimal conversion efficiencies of the order of 60%. In this PhD thesis, we propose to demonstrate experimentally that it is possible to use Raman scattering in the evanescent field of a microfibre immersed in polluted water of Doñana National Park to detect the nature and concentration of the pollutants present. This initial experimental demonstration realized in collaboration with the Donana Biological Station will pave the way for the development of new sensors for specific pollutants in water and could subsequently be extended to the detection of pollutants in other media (gases, other liquids).
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Début de la thèse : 01/10/2025

Programme COFUND LIGHTinPARIS

Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

575 Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering

Master en physique avec un intérêt prononcé pour l'optique et le travail expérimental. Des solides connaissances dans au moins l'une des thématiques suivantes sont fortement recommandées : optique non linéaire, optique des ondes guidées, capteurs
Master in physics with a pronounced interest in optics and experimental work. Solid background in at least one of the following topics are strongly recommended : non linear optics and/or guided optics and/or sensors.