CEAS par rétroaction optique et son extension dans le moyen infrarouge grâce aux lasers à cascade quantiques

Les récentes avancées sur le développement des lasers à cascade quantique de type DFB-QCL (distributed feedback quantum cascade lasers) ont permis d’étendre le nombre d’espèces moléculaires pouvant être détectées avec une très haute sensibilité par OF-CEAS (Optical Feedback Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy). Ces lasers permettent de travailler dans le moyen infrarouge (MIR) pour sonder des transitions intenses du niveau fondamental des espèces gazeuses. Ceci permet de gagner 2 à 3 ordres de grandeur en sensibilité par rapport aux transitions overtones exploitées traditionnellement par les instruments OF-CEAS dans le proche infrarouge.

Performances des instruments QCL-OFCEAS :

L’équipe LAME du LIPhy a démontré la bonne adéquation des lasers de type QCL avec la méthode de l’OF-CEAS. Plusieurs instruments ont été développés avec une sensibilité typique de l’ordre de 10-9/cm-1 en unité d’absorption pour un temps d’acquisition de 1s. Combinée à un faible volume de gaz analysé (20 cm3) et un temps de réponse court (1s), cette très haute sensibilité est exploitée pour différents domaines d’application comme l’illustrent les développements récents de spectromètres OF-CEAS conçus avec des QCL fonctionnant à température ambiante :

4.30µm : Mesure du rapport isotopique de CO2 pour l’isotope du carbone 13C, des isotopes minoritaires contenant du 17O et doublement substitué (16O13C18O). Cet instrument est développé pour l’analyse des bulles d’air piégées dans de la glace dans cadre du projet Subglacior. La sensibilité sur la mesure du rapport isotopique est de l’ordre de 0.1 ‰ en quelques minutes.
4.46µm : N2O, mesure de rapport isotopique 546 et 456 pour la chimie atmosphérique (première démonstration du couplage d’un QCL dans une cavité optique, [Maisons,2010]) .
5.26µm : NO pour l’analyse de l’air expiré, la chimie atmosphérique et le contrôle de la qualité de l’air extérieur. Limite de détection : < 100pptv in 10s.
5.65µm : HCHO (formaldehyde) pour l’analyse des plasmas et le contrôle de la qualité de l’air à l’intérieur des bâtiments. Limite de détection : 60 pptv at 10 Hz, avec potentiellement l’acide formique au niveau du ppb [Gorrotxategi-Carbajo, 2013].

Spectre OF-CEAS (points noirs) enregistré en 100 ms avec de l’air ambiant. L’ajustement de la simulation, réalisé en temps réel, est tracé en gris. On distingue trois raies d’absorption de l’eau et un doublet faible de H2CO centré à 1769.46 cm-1. Une simulation tirée de la base de données HITRAN est tracée en rouge et bleu (décalé pour plus de clarté). La courbe inférieure montre les résidus de l’ajustement [Gorrotxategi-Carbajo, 2013].

Collaborations :

Alcatel Thales III-V lab, Palaiseau, France ;
Laboratoire de Physique des Plasmas (LPP), Ecole Polytechnique, Palaiseau, France ;
Laboratoire de Glaciologie et Geophysique de l’Environnement (LGGE), Grenoble, France ;
Laboratoire TIMC-IMAG (CHU de Grenoble), équipe PRETA, Grenoble, France.

Acteurs

Daniele ROMANINI
Irène VENTRILLARD