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1 Equipe LAME (LAser Molécules et Environnement) Laboratoire de Spectrométrie Physique, Grenoble Mesures de traces par spectroscopie laser avec des cavités.

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1 1 Equipe LAME (LAser Molécules et Environnement) Laboratoire de Spectrométrie Physique, Grenoble Mesures de traces par spectroscopie laser avec des cavités résonnantes de haute finesse Irène Ventrillard

2 2 Des cavités résonnantes pour la spectroscopie … Ex : L =1m, R=99.99% => L eff = m > 1000 ! Loi de Beer Lambert : L I = I 0 e - L I0I0 R R Cavité résonnante : absorption (cm -1 ) nb of molecules/cm 3 cross section (cm 2 ) Spectroscopie (A. Campargue) Détection de traces (D. Romanini)

3 3 De lintensité transmise au spectre … transmitted intensity time CRDS CRDS : Cavity Ring Down Spectroscopy CEAS : Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy Original techniques developed at LSP: Optical-Feedback CEAS (OF-CEAS) Mode-Locked CEAS (ML-CEAS) Continuous Wave CRDS (CW-CRDS)

4 4 CW - Cavity Ring Down Spectroscopy

5 5 Cavity ring down Laser out T T time Intensity - Empty cell - Additionnal losses Absorption losses Self calibrated !

6 6 CW - CRDS nm ( cm -1 ) 6nm (30cm -1 ) /diode 70 DFB diodes Lambdameter PD Optical isolator Coupler AO Modulator laser ON Laser OFF threshold =f(T,I) S. Kassi, D. Romanini, and A. Campargue, Chem. Phys. Let. 477, (2009) Mode by mode CRDS

7 7 Application : CH 4 pour la planétologie Transmission => spectra required in the CH 4 transparency windows in similar conditions as in Titan Cassini-Huygens Titan T ~ 85 K CH 4 pressure ~ 75mbar (in 1.5 bar of N 2 ) ANR (coo. LESIA) Cellule refroidie à lazote liquide

8 8 CH 4 à 300K et 80K… (absorption directe)

9 9 9 CRDS : Sensibilité

10 10 Optical- Feedback Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy (OF-CEAS) J. Morville, S. Kassi, M. Chenevier, and D. Romanini, Appl. Phys. B, 80, 1027 (2005) Patent WO

11 11 Du signal transmis par la cavité aux spectres … at mode m, from Airy formula : transmitted intensity { <<1 ; (1-R)<<1} (acq. 110ms)

12 12 Optical Feedback Cavity-Enhanced Absorption Spectroscopy PD signal PZT Laser translation Variable attenuator PD ref O.F. P. Gorrochategui et al Poster #68, Jeu J. Landsberg et al PC10, Jeu Cavity resonance cavity ~ 10kHz laser ~ MHz High finesse cavity transmission Intensity T Laser frequency tuning narrower spectrum locking range time

13 13 Des mesures in-situ … African Monsoon Multidisciplinary Analysis (AMMA) on Geophysica aircraft (Ouagadougou-August 2006). Coll : L. Gianfrani, Naples

14 14 Application : Analyse de gaz expirés Needs for: –Selectivity (hundreds of species) –Sensitivity –Real time (~5Hz) –Non invasive Studies in progress : –Lung inflammation monitoring (R. Briot and M. Maignan, TIMC-IMAG, CHU-Grenoble) –Bronchial inflammation diagnosis (Ch. Clerici, Bichat-Claude Bernard Hospital, Paris)

15 15 Analyse de gaz expirés Measurements by the medical staff over 2 months for ~100 patients I. Ventrillard, Th. Gonthiez, Ch. Clerici and D. Romanini, JBO, 14, (2009).

16 16 Mode-Locked Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy (ML-CEAS)

17 17 Laser femtoseconde à modes bloqués : une grande largeur spectrale ! Laser Ti:Sa « Chameleon » : balayable ( nm) –Taux de répétition : 80 MHz –Largeur spectrale : ~ 10nm (5x10 4 modes) espacement des modes 1/ t Domaine temporel : Train d'impulsions périodique Fourier T. => Spectre du laser à modes bloqués t t 1/ t

18 18 ML-CEAS : principe Spectre de transmission de cavité Spectre du laser à modes bloqués Spectre = T cav x Spectre Entrée Faire correspondre les modes du laser et ceux de la cavité résonante Titus Gherman et al, Opt Exp, 10, 19 (2002) 1 bar CHHC free laser empty cavity acq. 40 ms

19 19 ML-CEAS en Antarctique … Détection in-situ de et nm Roberto Grilli et al Poster #69, Mar Ti:Sa fs laser (676 ou870 nm) CCD Home made spectrograph ( ~2pm) PD outlet Locking Loop inlet BBO AOM PZT ANR MoCaMar

20 20 Détection de IO en laboratoire G. Méjean, S. Kassi and D. Romanini, Opt Lett, 33, 11 (2008) min = 8x cm -1 ~ 5pptv (10s) ML-CEAS 10s S/N = 200

21 21 Bilan : Caractéristiques des différents instruments à Grenoble Gamme (type de laser) Sensibilité ( min ) et largeur dun spectre ( ) Résolution spectrale CRDS (spectro- scopie) IR Proche (70 Diodes DFB): µm (5850–7920 cm -1 ) 1 diode ~ 30 cm -1 (1h) min =1x cm -1 Limite (moy) :1.4x cm -1 Limite : DFB <0.001 cm -1 OF-CEAS (détection de traces) IR Proche (Diodes DFB) : et 2.3 µm (~6000 et 4300 cm -1 ) Visible (ECDL) : 411nm (24300 cm -1 ) IR Moy (DFB QCL) : 4.5µm (2240 cm -1 ) Next : 5.7 – 3.6µm… = GHz (0.3-1cm -1 ) (~200 pts spectraux) DFB : min = 2-5x cm 200ms QCL : min = 3x10 -9 cm 2s Limite : cavité 10kHz Def spectrale : FSR =150 MHz (0.005 cm -1 ) ML-CEAS (large bande) IR Proche + UV Laser femtosecondeTi:Sa nm Doublé : nm ~ 5nm (250 cm -1 ) min = 8x cm 1s (600 pts spectraux) Limite : spectromètre 400nm (0.1 cm -1 )

22 22 Léquipe actuelle à Grenoble Janek Landsberg PC10, Jeu Chadi Abd Alrahman Vahideh Faghihi Paula Gorrochategui- Carbajo P68, Jeu Roberto Grilli P69, Mar Daniele Romanini Alain Campargue Marc Chenevier Titus Gherman Samir Kassi Erik Kerstel Guillaume Méjean Irène Ventrillard Serge Béguier Jean-Luc Martin


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