La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

ML-CEAS: une nouvelle technique spectroscopique d’absorption de haute sensibilité à l’aide de laser à impulsions ultracourtes 1 er Octobre 2004 Titus.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "ML-CEAS: une nouvelle technique spectroscopique d’absorption de haute sensibilité à l’aide de laser à impulsions ultracourtes 1 er Octobre 2004 Titus."— Transcription de la présentation:

1

2 ML-CEAS: une nouvelle technique spectroscopique d’absorption de haute sensibilité à l’aide de laser à impulsions ultracourtes 1 er Octobre 2004 Titus - Constantin GHERMAN

3 Spectroscopie d’absorption de haute sensibilité => développement de techniques spectroscopiques : - ICLAS : Intra Cavity Laser Absorption Spectroscopy - CRDS : Cavity Ring-Down Spectroscopy - CEAS : Cavity-Enhanced Absorption Spectroscopy => étude des transitions moléculaires faibles => détection de traces de gaz (par OF-CRDS ou OF-CEAS avec lasers à diode) Groupe LAME Esmaël Alain Marc Rémy Samir Daniele Nader Yun Titus

4 Plan de l’exposé I – Principes Cavités optiques, Lasers à blocage de mode, Mode-Locked Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy. II - Expériences 1. ML-CEAS « première démonstration » 2. ML-CEAS dans le bleu: a)application à l’acétylène, b)mesure de densités des atomes de Ar * ( 3 P 2 ) et de ions N 2 + dans plasma, 3. ML-CEAS avec un nouvelle source « Diode-Pumped Vertical External-Cavity Surface-Emitting Laser (DP-VECSEL) » III - Conclusions et perspectives

5 I - Principes

6 Cavités résonnantes La longueur de cavité doit être multiple de /2 L N 1 = 2L (N+1)  2 = 2L hors résonance! R + T + Perte = 1

7 Modes de cavité Fréquence Transmission f L 2f3f ISL ISL=c/2L

8 Fréquence Transmission L f2f3f ISL Le peigne de modes évolue avec la longueur de la cavité La longueur de la cavité (L) détermine l’espacement des modes (ISL=c/2L). Une bonne qualité des miroirs (coefficient de réflexion R~1) donne des modes plus étroits.  = c(1-R) / 2  L√R Si les pertes dans la cavité sont faibles l’intensité des modes augmente. Modes de cavité ISL=c/2L 1

9  I(  ) Le principe de “cavity enhanced” CEAS: Nous passons de longueur de parcours métrique à kilométrique!!!  I/I = [ 1 - R. e  L ] -2 ≈  L x F/  L eff T cavité

10 Ti:Sa Lasers à modes bloqués Ti:Sa donne un train d’impulsions avec une largeur de 100fs et un taux de répétition de 80MHz Sortie du laser Fréquence Intensité ISL=80 MHz ~ modes équidistants!

11 Passage du domaine du temps… TpTp TpTp A(t) C(t) tt  t  t  TcTc t E(t)  r  =2  /T p La TF d’un produit de deux fonctions est la convolution des TF’s de ces fonctions.

12 …à celui de la fréquence!  cc  c C(  ) ~ Ã(  Convolution with Ã(   rr E(  ~   c  r cc  c  r Développement en série Fourier d’une fonction périodique. Fonction porteuse d’une onde monochromatique.

13 Injection multi mode simultanée: (domaine de fréquence) Fréquence La longueur de la cavité peut être ajustée de sorte que tous les modes passent en résonance ensemble! le point magique. Nous appellerons ceci le point magique. Modes du laser Modes de la cavité cavité

14 Le temps d’aller-retour de la cavité (t r =2L/c) doit être égal au temps de répétition des impulsions laser. Cavité résonnante L’amplification d’impulsion Impulsion transmise Injection multi mode simultanée: (point de vue complémentaire: domaine temporel)

15 Cavité résonnante LASER femto Fréquence La cavité amplifie l'absorption par un « effet multi–passages » avec un facteur d’amplification de F/  ! ~ 150 MHz Récapitulatif CCD L = 1 m

16 1. Mode-Locked Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy « première démonstration » II - Expériences T. Gherman & D. Romanini Optics Express vol.10 No.19 (2002)

17 PZT Ti:Sa femto Laser pompe Ar + Miroirs haute réflectivité Actuateur piézo-électrique 650mW Cellule Filtrage spatial & accord de modes L1L1 L2L2 Pinhole Isolateur optique Montage expérimental

18 Oscilloscope Spectromètre Montage expérimental 650mW Filtrage spatial & accord de modes L1L1 L2L2 PC L=92 cm  = 860 nm T=0,75 % F=420 Résolution: 0.2 cm -1 Pinhole Ti:Sa femto Laser pompe Ar + Isolateur optique PZT Cellule

19 Transmission de cavité PZT t L 4ms

20 Spectre transmis par la cavité La période des battements  b peut être utilisée pour mesurer le déplacement  par rapport au point magique. modes de cavité+modes de lasers  b = c/2 N  = c/4 

21 Spectre de l’acétylène Spectre de transmission de la cavité moyenné en modulant la longueur de la cavité autour du point magique. dI/I = 1%, F/  x L  120 m ->  min  /cm (800 points en 40 ms) Wavelength [nm] Cavité vide Spectre laser Cavité remplie avec HCCH Intensity [a.u.]

22 2. ML-CEAS dans le bleu: T. Gherman, S. Kassi, A. Campargue, D. Romanini Chem. Phys. Lett. 383 (2004) a) application à l’acétylène.

23 Laser pompe Ar + Ti:Sa femto Oscilloscope 650mW Filtrage spatial & accord de modes L1L1 L2L2 Montage expérimental YAG doublé BBO Cristal Spectromètre PC Lock inPID 30 mW L=92 cm  = 420 nm T=0.1% F=3x10 3 Résolution: 0.4 cm -1 Isolateur optique Pinhole PZT Cellule

24 HCCH transition harmonique 8CH dI/I = 0,4%, L eff = 920 m ->  min ~ /cm (temps d’acquisition ~ 60s) P = 400 torr, wavenumber calibration 0.02 cm -1, R. Hall – Spectroscopie Opto-Acoustic intracavité.

25 2. ML-CEAS dans le bleu: T. Gherman, E. Eslami, D. Romanini, S. Kassi, J.-C. Vial and N. Sadeghi J. Phys. D: Appl. Phys. 37 (2004) b) mesures de densités des atomes de Ar* ( 3 P 2 ) et de ion N 2 + dans plasma

26 Lock inPID Ti:Sa femto 650mW Filtrage spatial & accord de modes L1L1 L2L2 Montage expérimental YAG doublé BBO Cristal Spectromètre PC gas out gas in mW L=92 cm  = 390 nm T=0.008% F~ 4 x 10 4 T=2% F~ 1.5 x 10 2 Résolution: 0.4 cm -1 PZT Cellule

27 ML-CEAS dans le bleu:

28 Densité des atomes métastable de Ar * ( 3 P 2 ) Le profil d'absorption est simulé en utilisant la fonction de transmission de la cavité. R = % F = 4 x 10 4 L eff = F/  x 40 cm = 5 Km P=1 Torr I=5 mA [Ar*]=1.4x10 15 m -3 DDL= 5 x m -3

29 Concaténation de 4 fenêtres de 0.7nm. R=98% (basse finesse) F=155 L eff = F/  x 0.4 m = 20 m P= 1 Torr, I= 5 mA [N 2 + ]= m -3 T rot = 400 K Bande N 2 + (B 2 ∑ u + ;0  X 2 ∑ g + ;0)

30 Plasma diagnostic Réacteur 433 MHz N 2 -in Gas out Grand potentiel industriel:  Nitruration de surfaces  Traitement anticorrosion  Déposition de couches minces  Stérilisation PZT T=0.07% F~ 4.5x10 3

31 Plasma diagnostic Grand potentiel industriel:  Nitruration de surfaces  Traitement anticorrosion  Déposition de couches minces  Stérilisation Réacteur 433 MHz N 2 -in Gas out PZT afterglow N 2 discharge

32 R= 99.93%, 4500/  x 38 mm ~ 55 m, (temps d’acquisition ~ 10 s) T r = 800 K T r = 1300 K Bande N 2 + (B 2 ∑ u + ;0  X 2 ∑ g + ;0) 1.0 x m -3 ions 1.5 x m -3 ions

33 3. ML-CEAS avec « Diode-Pumped Vertical External- Cavity Surface-Emitting Laser » (DP-VECSEL) T. Gherman, D. Romanini, I. Sagnes, A. Garnache, Z. Zhang Chem. Phys. Lett. 390 (2004)

34 Laser pompe Ar + Ti:Sa femto Oscilloscope Spectromètre Montage expérimental Filtrage spatial & accord de modes L1L1 L2L2 Pinhole PC Isolateur optique PZT Cellule DP-VECSEL

35 DP-VECSEL VECSEL Output Coupler Folding Mirror Diode Pump 1 W, 820 nm SESAM 2.5 cm 15 cm Vecsel 120  m / Sesam 30  m; L=13.3 cm, 1.12 GHz

36 DP-VECSEL

37 Caractéristiques du laser DP-VECSEL

38 = 1.04 μm, 3 mW pour une puissance de pompe de 476 mW

39 Spectre de C 2 H 2 c) Comparaison entre notre spectre et celui de J. V. Auwera obtenu par FT à basse pression (75 Torr), avec une cellule multipassage (40m). a) Spectre brut (cavité avec acétylène/ cavité avec azote sec) P=1 atm. T=0.55% F ~ 570 L = 13.3 cm Résolution spectro 0.03 cm -1 b) Spectre obtenu en prenant le maximum de chaque mode de la cavité. dI/I = 5% ; 570/π x L~ 25 m α min ~ /cm, ( 1 sec) Spline interpolation

40 III - Conclusion et perspectives

41 ML-CEAS est une nouvelle technique spectroscopique qui exploite d’une manière constructive les propriétés des cavités optiques et des lasers à modes bloqués… Avantages: Multiplexage spectral (avec une source large bande); Couverture spectrale de l’UV ( nm) grâce au doublage, triplage (etc.) en fréquence d’un laser femtoseconde; Résolution spectrale limitée par celle du spectrographe Ultrasensible (chemin d’absorption effectif d’ordre kilométrique) Technique assez simple et robuste Conclusions

42 L’extension de la gamme spectrale dans l’UV par triplage et quadruplage d’une source femtoseconde. Ex. d’application: Mesure de densité des molécules N 2 (X 1 ∑ g + ), vers 205 nm, dans des niveaux vibrationnels très élevés dans un plasma. Réalisation d’un système ML-CEAS très compact avec une source DP-VECSEL pour l’application à la détection de traces. Il faut améliore la qualité de structures semi-conductrices du type VECSEL et SESAM permettent d’obtenir un meilleur régime à blocage de modes. Perspectives

43


Télécharger ppt "ML-CEAS: une nouvelle technique spectroscopique d’absorption de haute sensibilité à l’aide de laser à impulsions ultracourtes 1 er Octobre 2004 Titus."

Présentations similaires


Annonces Google