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

Spectroscopie d’absorption de haute sensibilité Groupe LAME Alain Daniele Marc Nader Rémy Samir Esmaël Yun Titus 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)

Plan de l’exposé I – Principes II - Expériences 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: application à l’acétylène, mesure de densités des atomes de Ar*(3P2) et de ions N2+ dans plasma, 3. ML-CEAS avec un nouvelle source « Diode-Pumped Vertical External-Cavity Surface-Emitting Laser (DP-VECSEL) » III - Conclusions et perspectives

I - Principes

La longueur de cavité doit être multiple de l/2 Cavités résonnantes N l1 = 2L (N+1) l2 = 2L Condition de resonance. hors résonance! R + T + Perte = 1 L La longueur de cavité doit être multiple de l/2

Modes de cavité ISL=c/2L L ISL Transmission Fréquence f 2f 3f Le peigne de modes du cavité! ISL Transmission f 2f 3f Fréquence ISL=c/2L

Modes de 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. Dn = c(1-R) / 2p L√R Si les pertes dans la cavité sont faibles l’intensité des modes augmente. L 1 f 2f 3f ISL Transmission Fréquence Le peigne de modes évolue avec la longueur de la cavité ISL=c/2L

Nous passons de longueur de parcours métrique à kilométrique!!! Le principe de “cavity enhanced” Tcavité DI(a) n Ici je montre en rouge le spectre de transmission d’une cavité vide, et en bleu quand un gaz est place a son intérieur. Ce gaz possède ici une raie d’absorption qui produit une diminution de la transmission pour certaines modes de la cavité… Par la théorie des résonateurs optiques, on peut montrer que cette diminution (delta I sur I) est approximativement donne par le coefficient d’absorption du gaz multiplié par la longueur de la cavité ET AUSSI par la finesse de la cavité Pour les cavités que nous utilisons, cette finesse peut dépasser 10^5 …modulate cavity length (by  ) to make them pass through resonance periodically; - spectrograph will see laser spectrum with absorption lines (but will not have enough spectral resolution to resolve the modes). DI/I = [ 1 - R.e-a(n)L ]-2 ≈ a(n) L x F/p CEAS: Leff Nous passons de longueur de parcours métrique à kilométrique!!!

Lasers à modes bloqués ~50.000 modes équidistants! Ti:Sa Sortie du laser Ti:Sa donne un train d’impulsions avec une largeur de 100fs et un taux de répétition de 80MHz Enveloppe spectral Gaussien <=> Gaussien temporal pulses …donc les spectre du laser a plutôt cette allure Fréquence Intensité ISL=80 MHz ~50.000 modes équidistants!

Passage du domaine du temps… Tp A(t) C(t) Dt 2Dt Dt=0 Tc t E(t) wr =2p/Tp La TF d’un produit de deux fonctions est la convolution des TF’s de ces fonctions.

…à celui de la fréquence! Fonction porteuse d’une onde monochromatique. Développement en série Fourier d’une fonction périodique. w wc Dwc C(w) ~ Ã(w) Convolution with Ã(w) w wr E(w) ~ w wc+wr wc wc-wr

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

L’amplification d’impulsion Injection multi mode simultanée: (point de vue complémentaire: domaine temporel) L’amplification d’impulsion Impulsion transmise Cavité résonnante Le temps d’aller-retour de la cavité (tr=2L/c) doit être égal au temps de répétition des impulsions laser.

Récapitulatif CCD ~ 150 MHz Fréquence spectrograph will see laser spectrum with absorption lines (but will not have enough spectral resolution to resolve the modes). Cavité résonnante LASER femto L = 1 m La cavité amplifie l'absorption par un « effet multi–passages » avec un facteur d’amplification de F/p !

II - Expériences 1. Mode-Locked Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy « première démonstration » II - Expériences Je vais maintenant parler de la démonstration de cette nouvelle technique, qui a été possible grâce au système laser Sa Titane de Patrice Baldeck. T. Gherman & D. Romanini Optics Express vol.10 No.19 (2002) 1033-1042

Miroirs haute réflectivité Montage expérimental Isolateur optique Laser pompe Ar+ Ti:Sa femto 650mW L1 Filtrage spatial & accord de modes Pinhole Cellule Miroirs haute réflectivité L2 PZT Actuateur piézo-électrique

Filtrage spatial & accord de modes Montage expérimental Isolateur optique Laser pompe Ar+ Ti:Sa femto 650mW l = 860 nm L1 Filtrage spatial & accord de modes Pinhole Résolution: 0.2 cm-1 Cellule Spectromètre En regarde la sortie de cavité temporellement avec un photodiode et aussi spectrallement aide par un spectromètre a réseaux équipée avec un CCD. PC L2 L=92 cm PZT T=0,75 % F=420 Oscilloscope

Transmission de cavité L 4ms l PZT Ici on regarde la transmission de cavité temporellement alors que l’on module sa longueur avec le PZT à différentes distances du point magique. Pour moduler la cavité on utilise un rampe triangulaire qui déplace le miroir de l’équivalent d’une longueur d’onde en 4 ms dans une direction. Les pics les plus intenses correspondent aux modes transverses fondamentaux de la cavité alors que les petits pics correspondent aux modes transverses d’ordre supérieur.

Spectre transmis par la cavité Ici on montre les spectre du laser a modes bloques transmis par la cavité, pour différentes distance du point magique. Il faut noter que les modes de la cavité ne sont pas visible, le spectrographe n’a pas assez de résolution!!! En approchant au point magique le battement des deux peignes de modes devient moins rapide… modes de cavité+modes de lasers b = c/2 N  = c/4  La période des battements b peut être utilisée pour mesurer le déplacement  par rapport au point magique.

Spectre de l’acétylène 858 859 860 861 862 Wavelength [nm] Cavité vide Spectre laser Cavité remplie avec HCCH Intensity [a.u.] Spectre de transmission de la cavité moyenné en modulant la longueur de la cavité autour du point magique. En présente ici le spectre du cavité vide, en verte, et le spectre du laser enregistre enlevant la miroir de sortie de la cavité, qui montre que la cavité transmette le spectre du laser sans distorsion! dI/I = 1% , F/ x L  120 m -> amin= 10-7/cm (800 points en 40 ms)

T. Gherman, S. Kassi, A. Campargue, D. Romanini 2. ML-CEAS dans le bleu: a) application à l’acétylène. T. Gherman, S. Kassi, A. Campargue, D. Romanini Chem. Phys. Lett. 383 (2004) 353-358

Filtrage spatial & accord de modes Montage expérimental Isolateur optique Laser pompe Ar+ Ti:Sa femto 650mW YAG doublé L1 BBO Cristal Filtrage spatial & accord de modes Résolution: 0.4 cm-1 Pinhole Cellule Spectromètre PC L2 L=92 cm l = 420 nm 30 mW PZT Lock in PID T=0.1% F=3x103 Oscilloscope

HCCH transition harmonique 8CH Overtone transition harmonique de la 8-ieme bande de acétylène! Sont les plus faible transition observe pour l’acétylène OAS – Opto-Acoustic Spectroscopy. dI/I = 0,4%, Leff = 920 m -> amin ~ 10-8/cm (temps d’acquisition ~ 60s) P = 400 torr, wavenumber calibration 0.02 cm-1, R. Hall – Spectroscopie Opto-Acoustic intracavité.

b) mesures de densités des atomes 2. ML-CEAS dans le bleu: b) mesures de densités des atomes de Ar* (3P2) et de ion N2+ dans plasma T. Gherman, E. Eslami, D. Romanini, S. Kassi, J.-C. Vial and N. Sadeghi J. Phys. D: Appl. Phys. 37 (2004) 2408-2415

Filtrage spatial & accord de modes Montage expérimental Ti:Sa femto 650mW YAG doublé L1 BBO Cristal Filtrage spatial & accord de modes Résolution: 0.4 cm-1 Spectromètre PC l = 390 nm L2 L=92 cm gas in 30 mW gas out PZT Cellule + - Lock in PID T=0.008% F~ 4 x 104 T=2% F~ 1.5 x 102

ML-CEAS dans le bleu:

Densité des atomes métastable de Ar*(3P2) F = 4 x 104 Leff = F/p x 40 cm = 5 Km P=1 Torr I=5 mA [Ar*]=1.4x1015 m-3 DDL= 5 x 1012 m-3 Des profils d'absorption sont simulés en utilisant les relations de C.E. ou de B-L et puis convoluté avec la fonction d'appareil pour déduire les profils expérimentaux d'absorption. Le profil d'absorption est simulé en utilisant la fonction de transmission de la cavité.

Bande N2+ (B2∑u+ ;0  X2∑g+ ;0) Concaténation de 4 fenêtres de 0.7nm. R=98% (basse finesse) F=155 Leff= F/p x 0.4 m = 20 m P= 1 Torr, I= 5 mA [N2+]=1.6 1015 m-3 Trot= 400 K

Plasma diagnostic N2-in Grand potentiel industriel: Gas out Grand potentiel industriel: Nitruration de surfaces Traitement anticorrosion Déposition de couches minces Stérilisation Réacteur 433 MHz PZT T=0.07% F~ 4.5x103

Plasma diagnostic N2-in Grand potentiel industriel: Réacteur 433 MHz N2-in Gas out PZT Grand potentiel industriel: Nitruration de surfaces Traitement anticorrosion Déposition de couches minces Stérilisation afterglow N2 discharge

Bande N2+ (B2∑u+ ;0  X2∑g+ ;0) Tr = 800 K 1.0 x 1015 m-3 ions From other models the density was almost one order of magnitude larger at the discharge than in the maximum of SLA emission! That means there are other electric charge in the SLA region like N4+. Tr = 1300 K 1.5 x 1015 m-3 ions R= 99.93% , 4500/p x 38 mm ~ 55 m, (temps d’acquisition ~ 10 s)

« Diode-Pumped Vertical External-Cavity Surface-Emitting Laser » 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) 290-295

Filtrage spatial & accord de modes Montage expérimental Isolateur optique Laser pompe Ar+ Ti:Sa femto DP-VECSEL L1 Filtrage spatial & accord de modes Pinhole Spectromètre PC L2 PZT Cellule Oscilloscope

DP-VECSEL 15 cm 2.5 cm 2.5 cm SESAM Folding Mirror VECSEL En fait un zoom dans le montage de cette laser aide par cette figure simulé dans Solid-Works, qui a été mise en place pendant cette thèse suivre les travaux précèdent du A. Garnache. En observe la pompe à diode a 820 nm le structure a semi-conducteur Vecsel et SESAM (semi-conducteur saturable absorber mirror) et aussi le deux miroirs qui ferme la cavité en Z. Cette arrangement ne permet d’avoir de saturation de transition optique sur le Sesam plus élevé que sur le Vecsel, obtenu par le rapport du dimension du spot sur les deux structure semi-conducteurs de 120 a 30, condition nécessaire pour obtenir une régime a blocage de modes efficace. Diode Pump 1 W, 820 nm VECSEL 2.5 cm 2.5 cm Output Coupler Vecsel 120 mm / Sesam 30 mm; L=13.3 cm, 1.12 GHz

DP-VECSEL

Caractéristiques du laser DP-VECSEL Voici des résultats préliminaires, qui montrent le spectres d’émission du laser large de quelques nm et lisse en régime a blocage de modes. Avec la croissant du pompe le spectre c’est déplace vers le longueur d’onde supérieur et l’enveloppe de spectre devient carré, qui vient probablement du l’effet thermique sur le Vecsel.

Caractéristiques du laser DP-VECSEL Ici en montre le profil temporel du impulsions obtenu avec un autocorrelateur qui présent une largeur d’environ 20 ps En observe aussi un petit pic centrale qui augment avec la puissance de pompe, explique par l’effet Kerr qui intervient dans la proces de forme du impulsions, en effet notre pulse va être chirpe. Ce pour ça que en a utilise un puissance de pompe réduit qui offre en échange un train des impulsion plus propre avec un spectre large et lisse, plus adapte a notre application. l = 1.04 μm, 3 mW pour une puissance de pompe de 476 mW

Spectre de C2H2 Spline interpolation P=1 atm. T=0.55% F ~ 570 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 αmin~ 10-5/cm, ( 1 sec) Spline interpolation Malgré tout cette problème du stabilité du notre laser a blocage de modes en présente la premier spectre obtenu par ML-CEAS couple avec une telle source. Spline interpolation fait sur les modes transmise par la cavite pour obtenir le maximum de peaks c) Comparaison entre notre spectre et celui de J. V. Auwera obtenu par FT à basse pression (75 Torr), avec une cellule multipassage (40m).

III - Conclusion et perspectives

Conclusions 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 (200 - 500 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

Perspectives 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 N2(X1 ∑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.