Un spectromètre ultrasensible bat tous les records

Publié par Michel le 05/12/2009 à 00:00
Source: CNRS / INSU
Illustration: © Max Planck Institute for Quantum Optics
Un spectromètre aux performances inégalées capable d'identifier des traces infimes de gaz en temps réel a été développé par des chercheurs du Laboratoire de Photophysique moléculaire du CNRS (LPPM) et du Max Planck Institute of Quantum Optics (Allemagne) dans le cadre du European Laboratory for Frequency Comb Spectroscopy (1). Dirigée par Theodor W. Hänsch, prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les...) (2005) et Nathalie Picqué du LPPM, l'équipe internationale a conçu un instrument basé sur deux lasers peignes de fréquences femtosecondes (2). Par la percée de ses performances, ce spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant de décomposer une quantité...) pourrait être la nouvelle référence en spectroscopie ultrasensible. Cette avancée importante tant pour la recherche fondamentale (La recherche fondamentale regroupe les travaux de recherche scientifique n'ayant pas de finalité...) que pour de nombreux domaines appliqués est détaillée dans l'édition avancée en ligne de la revue Nature Photonics.


Partie d'un résonateur de haute finesse, similaire à celui utilisé pour augmenter la sensibilité
de la spectroscopie de Fourier par peignes de fréquences femtosecondes. La lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) verte
couplée au résonateur provient d'un peigne de fréquences à Ytterbium (L'Ytterbium est un élément chimique de symbole Yb et de numéro atomique 70.) doublé en fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...).

La spectroscopie de traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de...) de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) suscite un grand intérêt ces dernières années. Avec une très grande sensibilité, cette spectroscopie d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) permet d'identifier des composés en très faible abondance. Elle est utilisée dans la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) mais également dans des domaines tels que la métrologie (La métrologie est la science de la mesure au sens le plus large.), la physico-chimie du milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre...), la détection in situ de traces de pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le...) atmosphérique (accidentelle ou criminelle), le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) de procédés industriels... Mais jusqu'ici, pour développer un spectromètre performant, de nombreuses caractéristiques devaient être réunies:
- Explorer en une seule mesure une grande plage (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de...) de longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...), ce qui permet d'accéder simultanément à la connaissance de nombreux niveaux d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) en spectroscopie fondamentale ou de mesurer la présence de plusieurs molécules simultanément pour les domaines appliqués ;
- Avoir une bonne limite de résolution, c'est-à-dire la possibilité de discriminer finement les différentes longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) qui composent le spectre. Ceci est nécessaire en spectroscopie fondamentale pour comprendre le spectre dense de molécules complexes et dans les domaines appliqués pour différentier sans ambiguïté les différentes molécules présentes dans le milieu sondé ;
- Avoir un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) de mesure rapide pour pouvoir observer en temps réel des phénomènes transitoires (réactions chimiques, explosifs...) ;
- Avoir une grande sensibilité pour observer des transitions moléculaires faibles en spectroscopie fondamentale ou des composés en faible abondance dans le milieu sondé dans les domaines appliqués.

Jusqu'alors, aucun instrument ne présentait simultanément ces quatre critères

Pour la première fois, le spectromètre développé par l'équipe franco-allemande trouve un compromis parmi ces contraintes en se basant sur une cavité de haute finesse et deux peignes de fréquences (2). Ce procédé permet d'enregistrer des spectres avec une grande sensibilité et 1 million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) de fois plus rapidement que les meilleurs spectromètres actuels (3). Durant une démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir...), le spectre de l'ammoniac (L’ammoniac est un composé chimique, de formule NH3 (groupe générique des...), molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) d'intérêts planétologique et environnemental, a été mesuré en 18 µs: la sensibilité obtenue est déjà 20 fois meilleure, pour un temps de mesure 100 fois plus faible que la démonstration de faisabilité qui détenait le précédent record. Avec une telle sensibilité, et avec une extension possible à toutes les régions du spectre électromagnétique (Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement...), cette méthode pourrait explorer de façon dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...) moyen, région des "empreintes digitales" de molécules, où aucune technique efficace de spectroscopie en temps réel n'existe.

D'autres nombreuses applications sont ainsi envisageables dans de très divers domaines: la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) analytique, la physique des plasmas (La physique des plasmas est la branche de la physique qui étudie les propriétés, la...), l'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...) de laboratoire mais aussi la biomédecine, le sondage ( Un sondage peut désigner une technique d'exploration locale d'un milieu particulier. Un...) environnementale, la sûreté...


Notes:

(1) En collaboration avec l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Tokyo (Japon) et l'Université Ludwig Maximilian de Munich (Allemagne).

(2) Les lasers peignes de fréquences femtosecondes ont été développés sous l'impulsion du prix Nobel T.W. Hänsch. Ils ont eu un impact considérable dans les divers secteurs de la mesure de précision. Ce type de laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) délivre simultanément plusieurs centaines de milliers de longueurs d'ondes placées de façon équidistante et très exacte. En général, un laser délivre une seule longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde, spectralement très fine. Un peigne de fréquences peut être vu comme un laser qui délivre l'équivalent de l'émission de 100 000 lasers traditionnels de façon parfaitement contrôlée et connue. Cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) peut par exemple mesurer la distance Terre-Lune avec une précision égale à 1/100 000ème de l'épaisseur d'un cheveu.

(3)Jusqu'à présent, le spectromètre de Fourier basé sur l'interféromètre de Michelson était depuis des décennies l'instrument le plus performant des sciences analytiques.
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