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La technique CRDS


Samir KASSI
Daniele ROMANINI

 

La technique CRDS

 


La technique CRDS (pour Cavity Ring Down Spectroscopy) est une technique optique de très grande sensibilité qui consiste à injecter des photons dans une cavité optique de haute finesse, c’est-à-dire composée de miroirs de très haute réflectivité R,et d’en mesurer le temps de vie, généralement de l’ordre de quelques µs à plusieurs centaines de µs. Ce temps de vie dépend de la réflectivité des miroirs - considérée comme constante à l’ordre 0 - mais aussi des pertes intracavité comme celles induites par un gaz qui absorbe. Mesurer ces pertes en fonction de la longueur d’onde permet d’obtenir le spectre d’absorption du gaz en question.
Plus précisément, une cavité optique de haute finesse (R\approx99.999%) est un étalon Pérot-Fabry dont les pics de transmission, équidistants dans le domaine spectral
(modes longitudinaux), sont extrêmement fins (parfois quelques centaines de Hz). Seule la lumière quasi-monochromatique d’un laser permet d’y injecter efficacement des photons. Dans nos expériences de CRDS nous couplons les cavités optiques à des lasers monomodes transverse (TEM00) et longitudinal (monochromatique)[1]. Une photodiode rapide, placée en sortie de cavité permet de mesurer la quantité de lumière transmise. Lorsque l’émission laser entre en coïncidence avec l’un des modes longitudinaux de la cavité, une fraction de la lumière est transmise. Lorsque l’intensité transmise dépasse un certain seuil, l’injection de photons dans la cavité est brutalement coupée et le temps de décroissance (ring down) de l’intensité lumineuse est enregistré à l’aide de cette même photodiode. Ce temps de décroissance est directement relié au coefficient d’absorption (dû au gaz présent dans la cavité) à la longueur d’onde émise par le laser. En balayant le laser, un spectre représentant le coefficient d’absorption en fonction de la longueur d’onde (spectre d’absorption) est enregistré. Grâce à l’extrême réflectivité des miroirs (1-R\approx1 × 10-5) nous pouvons atteindre dans une cavité d’1m40 une sensibilité équivalente à celle qui serait obtenue classiquement avec une cellule d’absorption longue de plusieurs milliers de kilomètres.
Outre sa très grande sensibilité, atteignant 5×10-11 cm-1 en routine pour le coefficient d’absorption minimum détectable, la technique CRDS présente une large dynamique (sur 4 à 5 ordres de grandeur) et une insensibilité intrinsèque aux fluctuations d’intensité de la source laser.
Nous disposons actuellement de deux spectromètres CRDS similaires qui se distinguent par leur plage de fonctionnement comprise entre 1.26 et 1.45 µm pour l’un et 1.45 - 1.72 µm pour l’autre. Un jeu de près d’une centaine de diodes laser DFB fibrées permet de couvrir intégralement ces deux gammes spectrales.


CW-CRDS à 80 K
Nous avons développé un troisième spectromètre couplé quant à lui à une cellule cryogénique[2],[3]. Cette innovation unique nous a permis entre autres d’enregistrer des spectres du méthane à une température proche de celle de l’azote liquide (-190 °C soit 80 K).
Cette cellule CRDS cryogénique a une géométrie très particulière qui permet au gaz de s’écouler librement entre le tube cryogénique, les miroirs et l’enceinte externe. A l’intérieur du tube cryogénique, constitué d’une double paroi dans laquelle circule l’azote liquide (représentée en bleu foncé), le gaz se « thermalise » à la température de l’azote liquide alors qu’entre le tube cryogénique et la paroi externe il joue quasiment le rôle d’un isolant thermique du fait de sa faible pression (typiquement < 10 mbar).

Un ensemble de spectres enregistrés en continu au cours d’un cycle de refroidissement-réchauffement de la cellule cryogénique permet d’observer l’évolution importante du spectre du méthane avec la température autour de 6096 cm-1.


Notes :
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