Fourier transform spectroscopy based on frequency combs
Spectroscopie de Fourier par peignes de fréquences femtosecondes
Résumé
This work presents results towards the development of a novel frequency-comb based Fourier transform spectroscopy (FTS). Since 1970, due to its exceptional qualities, FTS has offered a simple way for spectral analysis and has assumed a position of dominance for the measurement of broadband well-resolved accurate spectra. However, FTS doesn't satisfy the new requirements in molecular physics. Acquisition time at the limit, extreme resolution, broad spectral extension, high sensitivity, and accurate frequency measurement are now needed. Since the beginning of 2000, Frequency combs have revolutionized the field of fundamental frequency metrology. Equivalent to a million of monochromatic lasers emitting at equidistant frequencies on an octave-spanning, they combine the advantages of broad spectral domain and high spectral brightness. They prompt new attractive methods for absorption and dispersion spectroscopy. The first method focuses on coupling Frequency combs with Fourier spectrometers. With a comb as a new light source, without modifying their own basic structure, spectrometers can easily improve their performance as the sensitivity, the acquisition time. The entire spectral domain of the comb is analyzed two times faster than classical white sources. The second method consists in a new generation of Fourier spectrometers. Based on the measurement of the time domain interference between two combs, this approach doesn't involve any more the Michelson interferometer, which is presently the essential component of Fourier spectrometers. It offers unprecedented qualities. Improvements of a million-fold are reported over the resolution, recording time, and accuracy of traditional FTS.
Ces travaux rapportent le développement expérimental de deux méthodes de spectroscopie optique par transformation de Fourier basées sur les peignes de fréquences. La spectroscopie de Fourier s'est imposée, dès 1970, comme outil multiplex de mesure de spectres résolus et exacts, couvrant de larges plages spectrales. Elle ne répond néanmoins plus aux enjeux modernes de la physique moléculaire, qui requièrent des instruments rapides, résolus, exacts, multiplex et sensibles. Les peignes de fréquences femtosecondes, qui ont révolutionné la métrologie des fréquences optiques au début des années 2000, sont des sources lasers à impulsions ultra-courtes, équivalentes à un million de lasers continus, émettant en phase à des fréquences équidistantes. Ils motivent de nouvelles approches à la spectroscopie d'absorption et de dispersion. La première méthode développée associe le peigne de fréquences au spectromètre de Fourier basé sur l'interféromètre de Michelson. Sans modification structurelle de ce dernier, en un unique enregistrement, la totalité du domaine d'émission du peigne est analysée à haute résolution avec des temps d'acquisition améliorés de deux ordres de grandeur par rapport aux sources incohérentes. La seconde approche aboutit à une nouvelle génération de spectromètres de Fourier, basée sur la mesure du battement de deux peignes de fréquences cohérents, conduisant à une spectroscopie à large bande spectrale, qui améliore d'un million la limite de résolution, le temps de mesure et l'exactitude de l'échelle de fréquences de la spectroscopie de Fourier traditionnelle et ne fait plus usage de l'interféromètre de Michelson jusqu'à présent élément clef du spectromètre.