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publié le , mis à jour le


Développements instrumentaux

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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Spectroscopie d’absorption ultra-sensible

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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Analyses de traces en phase gaz

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 ». 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 du visible, nous développons des systèmes conçus autour de lasers femto-secondes 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 ».
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Mesures des rapports isotopiques

L’analyse des isotopes stables est le domaine qui concerne la mesure des variations naturelles (et parfois induites artificiellement) de l’abondance des isotopes non radioactifs du même élément (définis comme tous les atomes ayant le même nombre de protons). Les isotopes d’un élément ne diffèrent donc que par le nombre de neutrons dans le noyau. L’analyse des isotopes stables est un outil important dans de nombreux domaines scientifiques, notamment les sciences de l’environnement, la (bio) médecine, la (paléo) climatologie, la criminalistique et l’authentification des aliments.
Alors que les abondances approximatives de ces isotopes ont été déterminées au cours des processus de nucléosynthèse dans notre système solaire et sur Terre, de petites variations dans les abondances se produisent au cours de processus physiques et chimiques (dus à de petites différences de mobilité et d’énergie de liaison).
L’outil classique pour mesurer les rapports d’abondance des isotopes est le spectromètre de masse à rapport isotopique (IRMS), un spectromètre de masse à secteur magnétique conçu pour mesurer les courants relatifs des ions sur seulement quelques canaux de masse, mais avec une précision extrême. Bien que l’IRMS ait parcouru un long chemin depuis sa création par Nier et d’autres à la fin des années 1940 et qu’il bénéficie maintenant de plus de 50 ans de développement commercial, des inconvénients majeurs subsistent, notamment la taille, le coût et la complexité de l’instrumentation ainsi que son incompatibilité avec la mesure directe sur une molécule collante comme l’eau.
Notre groupe est à la pointe du développement de techniques spectroscopiques basées sur les lasers pour la mesure des rapports isotopiques.
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