Le Laboratoire possède une très grande expérience dans la construction et l’exploitation de Spectromètres THz pour des applications en phase gazeuse. A présent, 4 instruments basés sur différentes techniques sont opérationnels dans les gammes de fréquence suivantes :

Ces instruments sont utilisés en soutien à un programme de spectroscopie « haute résolution ». Ils démontrent l’utilité des fréquences dans le domaine des téraHertz dans la surveillance de l’environnement et ont permis d’entreprendre des études de dynamique de réactions.

Photomélange pour la génération d’onde TéraHertz continue

Photomixing is the generation of continuous wave Terahertz radiation from two lasers. The beams of the two lasers are mixed together to create a beatnote in the THz frequency range. This can be easily explained if each laser is considered to be an oscillator, when the sinusoids from the two oscillators are mixed together (multiplied) terms at the sum and difference frequencies are formed, the lasers and are selected so that their difference corresponds to the THz frequency required (w_THz = w₁ – w₂). The second critical element is a device which allows the THz beatnote in the optical domain to be converted into radiation which can then be utilised for your application, in our case spectroscopy. These devices are fabricated from ultra-fast electronic materials so that they can respond at THz frequencies, they are essentially ultra rapid photo-detectors but are also known as photoconductive elements or photomixers. The most commonly used material is low temperature grown GaAs, it can be grown with a charge carrier lifetime as short as 200 fs, and has a bandgap around 800nm. The laser beatnote is focused in the semiconductor material and the absorption results in the modulation of the conductivity at the THz frequency. A voltage is used to convert the conductivity modulation into a current which is then coupled to a pair of antenna and radiated.

figure 1 : Concept du spectromètre à photomélangeur

A high resolution THz spectrometer is then be formed from a photomixing source by adding a suitable propagation path which passes through a sample under study before being detected by a bolometer. The THz frequency is swept by scanning the frequency of the first laser while keeping the second at a constant frequency.

Figure 2 : Dispositif expérimental du spectromètre à photomélangeur

In order to determine the molecular transition line centres with a suitable accuracy the latest version of this instrument uses a Frequency Comb to maintain the required difference (wTHz = w1 – w2). To extend the tunning range a third continuous wave laser is added, as shown in the frequency diagram below.

Figure 3 : 3 cw-laser photomixing source with metrology by frequency comb

The construction and validation of this spectrometer is described in detail in:

Gaël Mouret, Francis Hindle, Arnaud Cuisset, Chun Yang, Robin Bocquet, Michel Lours, Daniele Rovera
« THz photomixing synthesizer based on a fiber frequency comb »
Optics Express, 17(24), 22031-22040, (2009), doi:10.1364/OE.17.022031

F Hindle, G Mouret, S Eliet, M Guinet, A Cuisset, R Bocquet, T Yasui, D Rovera
« Widely tunable THz synthesizer »
Applied Physics B, 104 (4), 763-768 (2011), doi:2010.1007/s00340-011-4690-1

Multiplication de fréquence

The technique of frequency multiplication is able to cover the range between 100 GHz and 900 GHz. A powerful microwave synthesiser operating around 10 GHz is used as the primary source. The frequency of its emission is multiplied by using a chain of non-linear elements. The selection of the elements defines the final frequency obtained and its corresponding power level. The source emission is continuous wave and monochromatic so is ideally suited for high-resolution spectroscopy of gas phase samples. A spectrometer is formed by combining the source with a sample cell and suitable detector.

Figure 4 : Puissance disponible en fonction de la fréquence

The frequency multiplication system used at the LPCA uses a Rhodes and Schwarz synthesiser that is coupled to a Virginia Diodes multiplication chain. Multiplication factors of 9, 18, 27, 36, 54, 81 can be obtained. The frequency of this kind of source can be very easily modulated and allows the second derivative of the absorption profile of weak molecular transitions to be recorded.

Figure 5 : Spectromètre à multiplication de fréquence

Figure 6 : Spectromètre à multiplication de fréquence pour l’étude de la photolyse du formaldéhyde par le rayonnement solaire

HEterodyne Receivers OptimizEd for Synchrotron sources

La très haute résolution spectrale sur la ligne THz « AILES » du synchrotron SOLEIL.

Le rayonnement synchrotron est utilisé en spectroscopie moléculaire notamment dans les domaines TéraHertz et InfraRouge Lointain, bandes spectrales encore difficilement accessibles. Un ensemble d’outils y a été développé pour y offrir de façon inédite la très haute résolution spectrale.

La spectroscopie moléculaire dans les domaines THz et InfraRouge Lointain en exploitant le rayonnement synchrotron.

Le domaine des ondes térahertz (THz) et infrarouge lointain (IRL), qui sépare les bandes spectrales des micro-ondes et de l’infrarouge, couvre l’intervalle de fréquence compris entre 0,3 et 10 THz environ. Malgré les progrès technologiques de ces dernières décennies, le domaine THz reste difficile d’accès en partie car les sources de radiation disponibles se révèlent très souvent peu compatibles avec la spectroscopie moléculaire surtout audelà de 1 THz. C’est dans ce contexte que de plusieurs sources de rayonnement synchrotron ont développé des lignes de lumière spécifiquement dédiées au domaine THz. Elles exploitent toutes un spectromètre à transformée de Fourier pour l’analyse spectrale. De tels instruments ont par nature une résolution spectrale limitée ce qui restreint par conséquent l’ambition des études spectroscopiques.

HEROES a pour objectif de proposer aux futurs utilisateurs de la ligne AILES (spécifiquement conçue pour travailler dans le domaine du THz) du synchrotron SOLEIL un accès inédit à la très haute résolution spectrale. Selon les modes de fonctionnement, une détection hétérodyne ou une détection multi-hétérodyne sont mises en œuvre, nécessitant de développer des oscillateurs locaux et des méthodes d’analyse spectrale dédiés à ce type de rayonnement.

Une détection hétérodyne spécifiquement dédiée au rayonnement synchrotron : Une solution pour atteindre la très haute résolution spectrale

La détection hétérodyne est très utilisée en radioastronomie. Nous l’avons adapté à l’exploitation du rayonnement synchrotron. Cette technique nécessite très schématiquement un mélangeur, un ou des oscillateurs locaux et un dispositif de traitement pour l’analyse spectrale. Dans sa mise en œuvre, nous tirons profit d’un bolomètre à électron chaud (HEB) comme mélangeur, capable de travailler jusque 5 THz et associée à une bande passante de 3 GHz. Dès lors, l’un des défis est de disposer d’un oscillateur local accordable entre 0,5 et 5 THz. Un tel instrument n’existant pas, nous avons développé un laser moléculaire de nouvelle génération, breveté par l’un des partenaires et capable de produire une grande quantité de raies discrètement répartie sur la bande spectrale visée.

Avec pour même objectif, nous avons également développé une détection multi-hétérodyne adaptée à l’analyse spectrale du peigne de fréquence produit dans un mode de fonctionnement spécifique du synchrotron SOLEIL. Cette approche exige de disposer d’un peigne de fréquence aux caractéristiques proche du rayonnement à analyser que nous avons généré par conversion d’un peigne optique sur une antenne photoconductrice.

De façon inédite nous avons exploité le rayonnement synchrotron dans son mode de fonctionnement « standard » pour réaliser un ensemble d’études de spectroscopie rotationnelle à très haute résolution spectrale (meilleure que le MHz) jusque 5.5 THz. Pour atteindre cet objectif, nous avons développé un laser moléculaire à ammoniaque pompé par un laser à cascade quantique oscillant autour de 10 micromètres. Nous avons enregistré près de 40 nouvelles raies laser entre 0,7 et 6 THz. Une base de données a été proposée prédisant plusieurs centaines de nouvelles raies lasers jusque 10 THz.

Le spectromètre développé est actuellement installé sur la ligne AILES du synchrotron SOLEIL et offre la possibilité d’études inédites (figure 1). Malgré tout son utilisation exige un niveau d’expertise considérable et le consortium du projet HEROES se mobilisera dans les prochains mois pour réduire cette contrainte. Par ailleurs, la mesure en fréquence de nouvelle raies lasers est également planifiée en tirant profit d’un peigne de fréquence THz également disponible.

Figure 1 : Schéma du spectromètre HEROES

Le projet HEROES est un projet de recherche expérimental coordonné par Gaël MOURET du Laboratoire de Physico Chimie de l’Atmosphère de l’Université du Littoral Côte d’Opale. Il associe aussi l’I, ainsi que l’Le projet a commencé en février 2017et a duré 60 mois. Il a bénéficié d’une aide ANR de 622 681 € pour un coût global d’environ 2,5 M€ »

Consortium :

Applications des instruments photoniques développés au LPCA sur le terrain pour des campagnes de mesure. Les instruments déployés :

• PAS (PhotoAcoustic Spectrophone) : NO₂, SOA (brown carbon), PM (black carbon & BrC), etc.
• QEPAS (Quartz-Enhanced PhotoAcoustic Spectrophone) : CH₄ emission from livestock, etc.
• IBBCEAS (Incoherent BroadBand Cavity Enhanced Absorption Spectrometer) : HONO, NO₂, NH3, etc.
• LHR (Laser Heterodyne Radiometer) : ¹²CO₂/¹³CO₂, H₂O/HDO, N₂O, etc.
• MP-DAS (Multipass direct absorption spectrometer) : CH4, ¹²CO₂/¹³CO₂, N₂O₅, etc.
• UAV (Unmanned Aerial Vehicle) monitor : CO₂, NO₂, SO₂, PM