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Home > Teams > LAsers, Molecules and Environment > Themes > Instrumental developments

Instrumental developments

Interest of using a high finesse cavity

Nous sommes spécialisés dans l’utilisation de cavités optiques de haute finesse, dont la version plus simple est composée d’une cellule, contenant l’échantillon à étudier (typiquement un gaz), terminée aux deux extrémités par des miroirs de très haute réflectivité, possédant une transmission faible mais non nulle. Ces cavités permettent d’augmenter le chemin d’interaction entre la lumière et les molécules de l’échantillon, tout en gardant un volume de mesure et une taille réduits.

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Principle of the ML-CEAS technique for coupling a femtosecond laser and a high finesse cavity

Les lasers femtosecondes possèdent un spectre d’émission avec un large enveloppe et une structure fine en "peigne de fréquences" que l’on peut astucieusement coupler avec une cavité de haute finesse, en faisant correspondre les dents de ce peigne avec les pics de transmission (résonances) de la cavité. Sur cette idée, nous avons développé en 2002 la technique de Mode-Locked CEAS (ML-CEAS) et démontré son efficacité dans plusieurs applications (cf. Gherman et al.). Plus récemment, nous avons réalisé un analyseur pour la mesure in situ de molécules réactives de la chimie atmosphérique, utilisé en 2012 lors d’une campagne de mesure sur la base de Dumont D’Urville en Antarctique, puis en 2015 sur le brise-glace scientifique Allemand Polarstern.

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Quantum Cascade Lasers coupled to OF-CEAS spectrometer

En 2005 nous introduisions un schéma efficace d’injection d’une cavité par un laser à diode (fonctionnant dans l’infrarouge proche) basé sur la rétroaction optique résonante que l’on peut obtenir avec une cavité en forme de V. Cette technique de OF-CEAS (Optical Feedback Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy) a permis la réalisation d’analyseurs de traces robustes et compactes (brevet et transfert de technologie vers la société AP2E), et cela nous a ouvert plein d’applications et de collaborations interdisciplinaires (Paléoclimatologie, Médecine,...). Les récentes avancées sur les lasers à cascade quantique inter-bande (QCL) et intra-bande (ICL), émettant dans l’infra-rouge moyen, ont permis d’atteindre des raies moléculaires bien plus intenses que celles disponibles dans le proche infrarouge. Bien que l’extension de l’OF-CEAS à ces lasers ait présenté des difficultés d’ordre technique, cela nous a permis d’élargir grandement le nombre d’espèces moléculaires pouvant être détectées avec une extrême sensibilité.

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SUBGLACIOR project

Un autre développement plutôt technique de la technique OF-CEAS a été la réalisation d’un analyseur très compact dans les deux dimensions transverses afin d’en permettre l’intégration dans la sonde "subglacior" conçue par nos collègues glaciologues du laboratoire IGE, qui ont décroché des financements ANR et ERC pour ce projet. Le but de cette sonde révolutionnaire est de permettre de mesurer la concentration du méthane et le rapport isotopique de l’eau tout au long d’un forage de 3 km d’épaisseur d’un glacier antarctique station Concordia. Ce forage serait possible en un temps record de 3 mois: la durée de la saison "chaude".

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Cavity ring-down spectroscopy with an optical feedback frequency stabilized laser

La métrologie des profils de raie est un des sujets phare de la spectroscopie haute résolution actuelle. L’enregistrement avec une grande exactitude, à la fois sur les axes de fréquence (X) et d’absorption (Y), des profils d’absorption est crucial pour un grand nombre d’applications parmi lesquelles on trouve la télédétection satellitaire, la mesure optique de rapports isotopiques ou la "re-détermination" de la constante de Boltzmann. Ces études permettent et provoquent des progrès considérables dans la compréhension théorique des formes de raie qui tiennent désormais compte des processus de déphasage et des changements de vitesse induits par des collisions.

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