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Themes

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Instrumental developments

La spectroscopie d’absorption en général consiste en la mesure de l’absorption de lumière de différentes longueurs d’ondes par des molécules. On obtient alors des "spectres moléculaires" qui décrivent l’absorption des molécules en fonction de la longueur d’onde. Les applications sont très vastes et diverses, ici nous considérons surtout les outils instrumentales que nous avons développé. Ces techniques ont été toutes conçues pour permettre la mesure des très petites absorptions dans le domaine des longueurs d’ondes allant du visibles à l’infrarouge moyen.
Nos innovations concernent le couplage de sources lasers avec des cavités optiques qui, elles, permettent de repousser les limites de la sensibilité des mesures d’absorption. Les techniques développées permettent de mesurer en laboratoire, ou sur le terrain, des niveaux d’absorption extrêmement faibles, notre record équivaut à la détection d’une diminution de l’intensité d’un faisceau lumineux de 2% après un trajet d’absorption correspondant à la distance terre-lune (385000 km). De telles performances ouvrent des nouvelles applications notamment dans les domaines de l’analyse des gaz (mesure de faibles concentrations ou "traces") et de la spectroscopie moléculaire des transitions faibles pour l’étude de molécules présentes dans l’atmosphère terrestre ou planétaire. Nous travaillons actuellement à augmenter aussi l’exactitude et la précision en fréquence (ou en longueur d’onde) de nos mesures spectrales ultrasensibles.

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Ultra-sensitive absorption spectroscopy

La spectroscopie moléculaire a des applications dans de très nombreux domaines. Elle constitue ainsi la base des modèles de transfert radiatif qui sont utilisés pour cartographier les polluants atmosphériques et les gaz à effet de serre à partir des spectres enregistrés par des instruments au sol ou embarqués à bord de plateformes satellitaires. La spectroscopie moléculaire permet également d’avoir accès aux conditions de température et de pression et aux réactions chimiques lors de la combustion à l’intérieur des moteurs ou des turbines. Les techniques de spectroscopie d’absorption pour la mesure des rapports isotopiques ont aussi un apport considérable dans le domaine des géosciences. Enfin ces mêmes techniques de spectroscopie d’absorption émergent maintenant dans le domaine médical avec l’analyse du souffle des patients. Toutes ces applications nécessitent l’utilisation de bases de données spectroscopiques que nous contribuons à alimenter via des mesures en laboratoire effectuées avec la technique CRDS (Cavity Ring Down Spectroscopy) de haute sensibilité.
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Trace gas analysis

Trace gas analysis is more and more demanded for applications in science, as well as in the civil and industrial world. In our group we develop, playing with high finesse cavities and their properties, instruments of different type to respond to some of these needs. A patent was obtained for the technique named OF-CEAS (Optical-Feedback Cavity-Enhanced Absorption Spectroscopy). Several devices have been built based on DFB diode lasers and deployed in different measurement campaigns, in the field and in laboratories. Active projects concern adapting this technique to Quantum Cascade Lasers (QCLs), that emit in the mid-infrared (from 4 to 20 µm and more). Moreover, in order to attain visible wavelengths, we develop systems based on femtosecond Titanium-Sapphire lasers, where the comb of frequencies generated by such a laser is injected into a high finesse cavity. This technique, demonstrated by our group back in 2002, goes under the name of Mode-Locked Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy (ML-CEAS).
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Measument of the isotopic ratios

Stable isotope analysis is the field that concerns itself with the measurementof natural (and sometimes artificially induced) variations in the abundances of the non-radioactive isotopes of the same element (defined as all atoms having the same number of protons). Isotopes of one element therefore differ only in the number of neutrons in the nucleus. Stable isotope analysis is an important tool in a variety of scientific fields, including the environmental sciences, (bio-) medicine, (paleo-) climatology, forensics, and food authentication.
Whereas the approximate abundances of these isotopes have been determined during the nucleosynthesis processes in our Solar system and on Earth, small variations in the abundances occur during physical and chemical processes (due to small differences in mobility and binding energy).
The conventional tool to measure isotope abundance ratios has been the Isotope Ratio Mass Spectrometer (IRMS), a magnetic sector mass spectrometer adapted to measure relative ion currents on only a few mass channels, but extremely precisely. Although the IRMS has come a long way since its inception by Nier and others in the late 1940’s, and has benefited now from over 50 years of commercial development, major drawback remain, including the size, cost, and complexity of the instrumentation, as well as its incompatibility with direct measurement on a sticky molecule like water.
Our group is at the forefront of developing laser-based spectroscopic techniques for isotopic ratio measurements.
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