La spectroscopie d’absorption à temps de déclin avec un laser accordable par radiofréquence

A travers la présente activité, notre groupe contribue à la production de profils de raie de référence de très haute qualité afin de tester les modèles théoriques à des niveaux de signal sur bruit et de linéarité inégalés et de répondre aux besoins des applications fascinantes que nous avons mentionnées. C’est pour cela que nous avons conçu et développé un spectromètre d’un type nouveau qui combine un laser très monochromatique, très stable et accordable avec un système de mesure d’absorption à temps de déclin ultra-sensible ^[5], une technique que nous appelons Optical Feedback Frequency Stabilized Cavity Ring-Down Spectroscopy (OFFS-CRDS) et qui est décrite ci-après.

Montage expérimental de l’OFFS-CRDS : La cavité optique CRDS est verrouillée sur la fréquence d’émission d’un système laser intégrant une diode laser DFB elle-même accrochée optiquement sur un mode d’une cavité optique ultrastable de référence. De plus, la fréquence du système laser est accordable par radiofréquence à l’aide d’un modulateur Mach-Zehnder intégré utilisé comme générateur de bande latérale unique optique.

Le cœur du montage est constitué par une source laser dont la largeur d’émission est inférieure au kHz et dont le principe de fonctionnement repose sur la contre-réaction optique induite sur le chip laser par les photons résonnants réémis par une cavité optique en V ultra-stable développée dans notre laboratoire^[6].

Cavité en V ultrastable développée au LIPhy : elle est constituée de matériaux à très faible expansion intimement mis en contact. Les pièces constitutives ont été usinées avec une grande précision pour assurer un alignement mécanique automatique des miroirs lors du montage.

Les photons de la cavité concurrencent, en effet, l’émission spontanée du laser, ce qui conduit à un affinement par plusieurs ordres de grandeur de sa largeur d’émission et à son asservissement purement optique à un mode de la cavité dont la fréquence dérive de moins de 20 Hz/s.

Bruit de fréquence et largeur de raie d’un laser verrouillé optiquement : La densité spectrale de bruit du laser verrouillé, mesurée ici à l’aide d’un étalon optique de très haute finesse, indique que la largeur d’émission du laser est inférieure à 530 Hz (au lieu de 2 MHz en fonctionnement non verrouillé)

Cette source laser et accordable continûment sur 1 THz autour de 1590 nm en s’accrochant sur l’un des modes de la cavité en V et en utilisant un système original de génération optique de bande latérale unique^[6] décalée jusqu’à 40 GHz avec une pureté spectrale excellente et une précision au millihertz. Son principe physique repose un composant intégré constitué d’interféromètres de Mach-Zehnder contrôlés en tension par modulation électro-optique (MZM)^[7].

Pureté spectrale des bandes latérales : la transmission d’une cavité Pérot-Fabry à balayage révèle que la porteuse et l’autre bande latérale peuvent être atténuées de plus de 28 dB par rapport au signal utile.

Le résonateur CRDS est finalement accroché sur la bande latérale intense de la source laser. Cela a pour effet d’optimiser l’injection des photons dans le résonateur et de transférer la stabilité de la cavité ultrastable au système de mesure. Par ailleurs, la versatilité du MZM permet de s’affranchir de l’utilisation d’un acousto-optique pour interrompre le laser (cf. principe de la CRDS) et même du modulateur electro-optique généralement utilisé dans les schémas d’asservissement du type Pound-Drever-Hall. Grâce à sa source laser fine et stable il nous est possible d’atteindre de haut taux de répétition d’événements ring down, de nous approcher de la limite fondamentale de la mesure (bruit de grenaille des photons) et d’atteindre une limite de détection de l’ordre de 10^-13 cm^-1 : des performances sans précédent^[8],[9].

Références

[1] M. Schneider, F. Hase, J.-F. Blavier, G.C. Toon, T. Leblanc, "An empirical study on the importance of a speed-dependent Voigt line shape model for tropospheric water vapor profile remote sensing", Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Elsevier, 2011, 112 (3), pp.465-474. ⟨10.1016/j.jqsrt.2010.09.008⟩

[2] Antonio Castrillo, Hemanth Dinesan, Giovanni Casa, Gianluca Galzerano, Paolo Laporta, Livio Gianfrani, "Amount-ratio determinations of water isotopologues by dual-laser absorption spectrometry", Physical Review Online Archive (PROLA), American Physical Society, 2012, 86 (5), pp.052515. ⟨10.1103/PhysRevA.86.052515⟩

[3] A., Cygan, D., Lisak, R. S., Trawiński, R., Ciuryło, "Influence of the line-shape model on the spectroscopic determination of the Boltzmann constant", Physical Review Online Archive (PROLA), American Physical Society, 2010, 82, pp.032515 ⟨hal-01103912⟩

[4] N.H. Ngo, D. Lisak, H. Tran, J.-M. Hartmann, "An isolated line-shape model to go beyond the Voigt profile in spectroscopic databases and radiative transfer codes", Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Elsevier, 2013, 129, pp.89-100. ⟨10.1016/j.jqsrt.2013.05.034⟩

[5] Samir Kassi, Alain Campargue, "Cavity ring down spectroscopy with 5 × 10-13 cm-1 sensitivity" Journal of Chemical Physics, American Institute of Physics, 2012, 137, pp.4201. ⟨10.1063/1.4769974⟩

[6] Johannes Burkart, Daniele Romanini, Samir Kassi, ''Optical feedback stabilized laser tuned by single-sideband modulation", Optics Letters, Optical Society of America - OSA Publishing, 2013, 38, pp.2062. ⟨10.1364/OL.38.002062⟩

[7] M. Izutsu, S. Shikama, T. Sueta, "Integrated optical SSB modulator/frequency shifter", IEEE Journal of Quantum Electronics, Institute of Electrical and Electronics Engineers, 1981, 17 (11), pp.234201. ⟨10.1109/JQE.1981.1070678⟩

[8] Johannes Burkart, Daniele Romanini, Samir Kassi, "Optical feedback frequency stabilized cavity ring-down spectroscopy", Optics Letters, Optical Society of America - OSA Publishing, 2014, 39 (16), pp.4695-4698. ⟨10.1364/OL.39.004695⟩

[9] Johannes Burkart, Daniele Romanini, Samir Kassi, "Optical feedback stabilized laser tuned by single-sideband modulation", Optics Letters, Optical Society of America - OSA Publishing, 2013, 38, pp.2062. ⟨10.1364/OL.38.002062⟩