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Theses

Optical feedback frequency-stabilized cavity ring-down spectroscopy - Highly coherent near-infrared laser sources and metrological applications in molecular absorption spectroscopy

Résumé : La spectroscopie d'absorption moléculaire est un outil incontournable non seulement pour la physique fondamentale et la métrolgie mais aussi pour des domaines aussi divers que les sciences environnementales, la planétologie ou l'astrophysique. Ces dernières années, des techniques spectroscopiques qui exploitent l'amplification résonnante d'interaction entre lumière laser et molécules dans une cavité optique ont fourni des détectivités exceptionnelles sur l'axe d'absorption, tandis que l'axe de fréquence des spectromètres n'atteignait généralement pas le même niveau de précision.Dans cette thèse, nous avons répondu à ce défi en développant la spectroscopie en cavité par temps de déclin stabilisée en fréquence par rétroaction optique (OFFS-CRDS en anglais). Cette nouvelle technique présente une combinaison unique de stabilité et résolution fréquentielles sub-kHz, d'un niveau d'intensité lumineuse intra-cavité de l'ordre du kW/cm^2, d'une detectivite de 2 x 10^(−13) cm^(−1)Hz^(-1/2) limitée par le bruit de photons, et d'une limite de détection de 8.4 x 10^(−14) cm^(−1) sur une plage spectrale étroite. Ces performances inédites sont dues à l'asservissement de la cavité spectroscopique à un laser balayé en fréquence par modulation à bande latérale unique et stabilisé par rétroaction optique avec une cavité en V de réference ultrastable. Pour transférer la cohérence de ce laser sub-kHz à des lasers plus bruiteux dans d'autres gammes spectrales à travers un peigne de fréquence optique, nous avons exploré une nouvelle méthode de clonage de phase par une correction anticipative à large bande passante et démontré une erreur résiduelle de phase de 113 mrad. En appliquant l'OFFS-CRDS à la spectroscopie du CO2 à 1.6 μm, nous avons obtenu un spectre large bande avec une dynamique de 8 x 10^5, et nous avons déterminé douze fréquences de transition absolues avec une exactitude de l'ordre du kHz en mesurant des Lamb dips sub-Doppler en absorption saturée avec un dispositif équipé d'un peigne de fréquence. Par ailleurs, nous avons procédé à une analyse détaillée des sources d'erreurs systematiques en CRDS et nous avons déduit une formule analytique pour le déclin de cavité non-exponentiel dans un régime faiblement saturé qui est susceptible de contribuer à de futures mesures de moments de transition dipolaire indépendantes de la concentration. Nos résultats ouvrent des perspectives prometteuses pour des applications métrologiques de l'OFFS-CRDS, comme par exemple l'étude de profils de raie poussés, la mesures de rapports isotopiques et la spectroscopie d'absorption saturée extensive dans le proche infrarouge.
Document type :
Theses
Complete list of metadatas

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01280323
Contributor : Abes Star :  Contact
Submitted on : Monday, February 29, 2016 - 12:52:06 PM
Last modification on : Wednesday, July 15, 2020 - 9:28:03 AM
Document(s) archivé(s) le : Monday, May 30, 2016 - 10:30:12 AM

File

BURKART_2015_archivage.pdf
Version validated by the jury (STAR)

Identifiers

  • HAL Id : tel-01280323, version 1

Collections

STAR | CNRS | LIPHY | UGA

Citation

Johannes Burkart. Optical feedback frequency-stabilized cavity ring-down spectroscopy - Highly coherent near-infrared laser sources and metrological applications in molecular absorption spectroscopy. Condensed Matter [cond-mat]. Université Grenoble Alpes, 2015. English. ⟨NNT : 2015GREAY045⟩. ⟨tel-01280323⟩

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