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Détection de traces de gaz


Samir KASSI
Guillaume MEJEAN
Daniele ROMANINI
Irène VENTRILLARD

La détection de gaz à l’état de traces a des applications importantes pour la communauté scientifique, ainsi que pour la société civile et industrielle. Au sein de notre groupe, nous développons, autour des « cavités de haute finesse », plusieurs types d’appareil pour répondre à cette demande. Un brevet a été déposé pour la technique dite "OF-CEAS", "Optical Feedback Cavity-Enhanced Absorption Spectroscopy", en français "SARA" pour "Spectroscopie par Amplification Résonante d’Absorption". Plusieurs appareils de mesure ont été construits avec des diodes lasers DFB et plusieurs campagnes de mesures, sur le terrain et dans des laboratoires, ont été réalisées. D’autres projets sont en cours pour pouvoir adapter cette technique aux lasers à cascade quantique, dont l’émission se situe dans l’infrarouge moyen (de 4 à 20 µm). Par ailleurs, pour atteindre les longueurs d’onde de l’ultra-violet et du visible, nous développons des systèmes conçus autour de lasers femtosecondes Ti-Sa où le peigne de modes de ces lasers est injecté dans une cavité haute finesse. Cette technique, démontrée pour la première fois au sein de notre équipe en 2002,est appelée « ML-CEAS », « Mode-Locked Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy ».

 

SARA : Analyseur laser de traces de gaz

Le contrôle de l’environnement nécessite l’analyse d’espèces chimiques en faible concentration. Ce même besoin existe dans les domaines industriel, médical, agroalimentaire... Notre méthode utilisant une diode laser et un piège à lumière (résonateur optique) permet de quantifier en temps réel (1s) les traces de plusieurs molécules : entre autres celles responsables de l’effet de serre, certains polluants atmosphériques, ou encore certains produits du métabolisme humain que l’on retrouve dans le souffle...

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Vol de SARA dans le ciel du Pôle Nord

Une nouvelle application s’ouvre pour le spectromètre optique à cavité haute finesse. Cet analyseur de traces de gaz développé par le LIPhy, a participé au projet ENRICHED coordonné par l’équipe de Valéry Catoire du LPC2E à Orléans. Ce projet avait pour but de collecter des données concernant l’évolution de la stratosphère en région arctique de l’hiver jusqu’au printemps. L’objectif étant d’alimenter les bases de données du GIEC 3 qui, jusqu’à ce jour, ne prennent en compte que la basse couche de l’atmosphère dans les modèles de prévision du changement climatique.

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Un laser femtoseconde en Antarctique pour des mesures de gaz à l’échelle de trace

Un instrument réalisé au sein de notre laboratoire réalise en ce moment des mesures de radicaux d’intérêt atmosphérique en Antarctique. Son principe de fonctionnement est basé sur sur la technique "ML-CEAS" introduite pour la première fois en 2002 par Titus Gherman et Daniele Romanini. Cet instrument tire profit des progrès réalisés ces 10 dernières années dans la robustesse et la facilité d’opération des lasers femtosecondes.

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Analyse de gaz expirés

L’OF-CEAS est une méthode de spectroscopie laser particulièrement bien adaptée à l’analyse du souffle. Elle permet d’effectuer des mesures non invasives, avec une très haute sensibilité et une grande sélectivité. Ce point est crucial puisque l’air expiré contient plusieurs centaines d’espèces moléculaires différentes. De plus, elle permet de réaliser des mesures en temps réel sans nécessiter de calibration régulière, son temps de réponse (200 ms) est inférieur à la durée des cycles respiratoires. De plus les instruments réalisés selon ce principe sont compactes, robustes et peuvent être utilisés dans un environnement médical par des personnes non initiées.

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Quelques applications de la « ML-CEAS »

La technique « ML-CEAS », « Mode Locked Cavity Enhanced Absoprtion Spectroscopy », a été introduite la première fois par Titus Gherman et Daniele Romanini en 2002. Depuis, plusieurs applications de cette technique ont été réalisés au laboratoire démontrant toute l’efficacité et la robustesse de cette technique. En voici quelques unes.

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