PCMI – Activité 3 : Instrumentation photonique en physico-chimie atmosphérique de l’infrarouge moyen aux ultra-violets

Installation d’une technique de spectroscopie de type NICE-OHMS

Patrick Dupré

Au sein du LPCA, nous démarrons l’installation d’une technique de spectroscopie de type NICE-OHMS, dans le domaine de l’Infra-rouge (1.3–1.5 mm). Cette technique est particulièrement bien adaptée aux espèces faiblement absorbantes en phase gazeuse. Les techniques ultra-sensibles permettant d’étudier les absorptions faibles sont cruciales pour sonder, les systèmes moléculaires offrant de faible section efficace d’absorption, et les espèces seulement observables en faible quantité. Fondamentalement, la technique NICE-OHMS combine, une cavité de très haute finesse, une détection hétérodyne dans le domaine radio-fréquence. Ceci permet d’optimiser le rapport signal-à-bruit. C’est une technique de détection ultime car la limite quantique de détection (bruit de photons) peut-être approchée.

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Figure 1 : Schéma récapitulatif de l’expérience NICE-OHMS

Contexte

La technique NICE-OHMS a été inventée au NIST (National Institute of Standard and Technology à Boulder, États-Unis d’Amérique) à la fin des années 1990 par John Hall (Prix Nobel de Physique). Cette technique offre la meilleure limite de détection (LOD) parce qu’elle combine de grandes longueurs équivalentes d’absorption atteignables par l’emploi de cavités de haute finesse, et une haute fréquence de modulation/détection : cela permet de s’affranchir des fluctuations résiduelles d’intensité de la source laser (voir Figure). Moins de 10 laboratoires de par le monde ont mis en œuvre cette technique. L’avènement de composants optiques basés sur des fibres optiques a ouvert de nouvelles perspectives. L’extension à de nouveaux domaines spectraux est activement considéré.

Les cavités à haute finesse peuvent être obtenues par des réflecteurs très efficaces (super-miroirs) qui sont maintenant disponibles dans plusieurs gammes spectrales. Cependant, les cavités à haute finesse induisent, 1) un affinement spectral des modes de résonances (inversement proportionnel à la finesse), et 2) une intensification du champ électromagnétique piégé intra-cavité. L’affinement spectral nécessite d’asservir efficacement la source laser sur la cavité optique alors que le fort champ électromagnétique peut induire la saturation des transitions moléculaires. Ceci est à la base d’une spectroscopie de type sans élargissement Doppler. Cependant, la forme inhabituelle du champ électromagnétique intra-cavité, résultant de la modulation radio-fréquence, est à l’origine de nouveaux effets physiques (comme l’émission laser sans inversion) observable sur des systèmes moléculaires.

De nombreux défis en physique et chimie-physique nécessitent de pousser la technique NICE-OHMS à ses limites en termes de sensibilité. Nous espérons obtenir une bruit d’absorption équivalent (NEA) de l’ordre de 10-14 cm-1 Hz-1/2.

D’un point de vue de l’intérêt spectroscopique, nous souhaitons développer la technique NICE-OHMS dans le domaine crucial de l’infra-rouge. La spectroscopie à haute-résolution, la métrologie et la détection de trace sont les thématiques que nous commençons à regarder d’un point de vue expérimental alors que les formes précises des résonances nécessitent des développements additionnels.

Simulation

La figure 2 montre des simulations du signal NICE-OHMS en dispersion obtenues pour la transitions R0 d’une bande de combinaison de l’acétylène dans l’infra-rouge moyen à température ambiante (1m Torr). La résonance étroite (sans élargissement Doppler), au centre de la transition est nettement visible. En plus, des résonances apparaissent à la fréquence de modulation (ici 380 MHz), de part et d’autre de la transition centrale. De plus, des résonances croisées apparaissent à la moitié de la fréquence de modulation (190 MHz). Ces résonances étroites (MHz) contrastent avec l’élargissement Doppler (~0.0159 cm-1). La forme des résonances varient légèrement avec la puissance intra-cavité (ici, jusqu’à 20 W), ou bien avec le coefficient de saturation (jusqu’à ~ 275), alors que le profile Doppler ne varie que très faiblement.

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Figure 2 : Simulation d’une transitions NICE-OHMS d’une bande de combinaison de l’acétylène

Systèmes moléculaires considérés

Les systèmes moléculaires qui seront initialement étudiés au LPCA pour qualifier l’instrument sont CO2, C2H2, H2, NH3 et OH.

Source laser

Une diode à cavité étendue (ECDL, Toptica) fonctionnant dans la gamme 1.34–1.45 mm, a été récemment acquise par le laboratoire.

Supports Financiers : LPCA, ULCO, CNRS, Région Nord-Pas de Calais.

Activité IR

Weidong Chen, Eric Fertein

En attente W. Chen, E. Fertein ……… ……….. ……………. ………… ………… ………. ……… ……….. ……………. ………… ………… ………. ……… ……….. ……………. ………… ………… ………. ……… ……….. ……………. ………… ………… ……….

En-attente