Laboratoire Interdisciplinaire de Physique

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.

La CRDS (Cavity Ring Down Spectroscopy) et la CEAS (Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy) sont des méthodes générales permettant la spectroscopie d’absorption en cavité optique avec une très grande sensibilité. Plusieurs schémas expérimentaux existent selon le type de source laser utilisé et la façon de la coupler efficacement avec une cavité. Plus spécifiquement, la mesure CRDS se décompose en une période durant laquelle la cavité est « remplie » par la lumière laser et une période après que cette lumière est coupée, où l’on mesure son temps de décroissance exponentielle. En CEAS, on privilégie une injection continue de la cavité et on mesure directement l’intensité transmise par la cavité. Il est à noter qu’on utilise souvent le terme CEAS de façon plus générale pour toute technique d’absorption utilisant une cavité optique (incluant donc la CRDS). Parfois, nous utiliserons, en français, l’acronyme SARA (Spectroscopie par Amplification Résonnante d’Absorption) pour CEAS.

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.

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.

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".