Un dispositif à base de fibres optiques pour la spectroscopie en infrarouge moyen
Publié par Redbran le 01/10/2018 à 12:00
Source: CNRS INP

© CNRS-ICB
Des physiciens viennent de mettre au point une nouvelle technique pour la spectroscopie du moyen infrarouge basée essentiellement sur des fibres optiques. Ce dispositif versatile et peu coûteux permet un gain d'un facteur 100 sur la sensibilité par rapport aux systèmes fonctionnant dans le proche infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.).

Pour la métrologie (La métrologie est la science de la mesure au sens le plus large.) de molécules telles que le dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont...), ou l'analyse de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière...) par spectroscopie, le domaine spectral le plus favorable est le moyen infrarouge, qui correspond au domaine de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde transporte aussi de...) situé au-delà de 2 micromètres. Toutefois, les méthodes modernes de spectroscopie telles que les peignes de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par...) restaient complexes à réaliser dans cette région de l'infrarouge faute de sources laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser...) adaptées. Des physiciens du Laboratoire interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) Carnot de Bourgogne (ICB, CNRS/UTBM/Univ. Bourgogne) viennent de combler ce manque en concevant et en réalisant un nouveau dispositif pour la spectroscopie dans le moyen infrarouge, uniquement à partir de composants standards d'optoélectronique et de fibres optiques. Dans cette nouvelle gamme d'analyse, la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière...) peut interagir avec les molécules jusqu'à 100 fois plus qu'avec les dispositifs travaillant dans le proche infrarouge, ce qui permet une détection rapide et sensible du gaz à analyser. Ce travail est publié dans le revue Communications Physics.


Fig.1: En bleu, empreinte du dioxyde de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) détectable avec le nouveau spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de molécules par exemple en spectrométrie de masse...) à deux peignes de fréquences. En rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.), le graphe (Le mot graphe possède plusieurs significations. Il est notamment employé :) montre la même empreinte mais donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un...) par la base de référence spectroscopique HITRAN: l'accord est excellent et montre peu de différences. © CNRS-ICB

Pour réaliser leur système de spectroscopie, les chercheurs sont parti d'un premier système de spectroscopie dans le proche infrarouge, développé en 2015, et utilisant des composants fibrés utilisés couramment dans les télécommunications (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance d’information avec des moyens électroniques. Ce terme est plus utilisé que le terme synonyme...) optiques. Ce système repose sur des sources laser émettant des peignes de fréquence, c'est-à-dire tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) de fréquences lumineuses régulièrement espacées dans la zone du spectre que l'on cherche à étudier. Dans ce nouveau montage, la lumière infrarouge moyen est générée dans des fibres optiques non linéaires par conversion de la lumière infrarouge proche générée avec le précédent dispositif. Ceci produit de nouveaux peignes de fréquence dans la région du spectre souhaitée. De plus, l'utilisation supplémentaire d'un laser peu intense permet de stimuler le phénomène de conversion des peignes dans la fibre optique (Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de conduire la lumière et sert dans les...) non linéaire et donc d'atteindre le moyen infrarouge avec des équipements relativement standard et peu coûteux. Les résultats obtenus montrent aussi une grande agilité du montage ainsi qu'une grande rapidité d'obtention des analyses (quelques dizaines de microsecondes).


Fig.2: Principe de la spectroscopie à deux peignes de fréquences à 2 µm. Deux peignes de fréquences à 2 µm sondent un gaz puis interférèrent. L'analyse du signal d'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l'une avec l'autre. Ce phénomène apparaît souvent en optique...) dans le domaine radiofréquence permet de dévoiler l'empreinte du gaz. © CNRS-ICB

Ces travaux ouvrent donc de nouvelles voies concernant la détection de gaz tel que le dioxyde de carbone, notamment pour des applications environnementales comme la détection de gaz à effets de serre (Une serre est une structure généralement close destinée à la production agricole. Elle vise à soustraire aux éléments climatiques les cultures produites pour l'alimentation ou le plaisir de...) ou bien des applications médicales comme le diagnostic (Le diagnostic (du grec δι?γνωση, diágnosi, à partir de δια-, dia-, „par, à travers, séparation, distinction“ et γν?ση, gnósi,...) en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est...) expiré.

Référence publication:
Two-micron all-fibered dual-comb spectrometer based on electro-optic modulators and wavelength conversion
A. Parriaux, K. Hammani et G. Millot
Communications Physics, volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) 1, Article number: 17 (2018)

Contacts chercheurs:
- Alexandre Parriaux, doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de thèse, dans un projet de recherche sur une durée variable selon les pays et les statuts, comprenant la rédaction et la soutenance...) à l'ICB
- Kamal Hammani , Maître de conférences à l'université de Bourgogne (L'université de Bourgogne est une université située dans la ville de Dijon en France. Elle offre un large éventail de formation dans toutes les disciplines (hors odontologie : droit, économie,...) et chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de...) à l'ICB
- Guy Millot , Professeur à l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de Bourgogne et chercheur à l'ICB

Informations complémentaires:
Laboratoire interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB, CNRS/UTBM/Univ.Bourgogne)
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