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Theses

Development of an ultrasensitive cavity ring down spectrometer in the 2.10-2.35 µm region : application to water vapor and carbon dioxide

Résumé : Un spectromètre utilisant la technique CRDS a été développé entre 2.00 et 2.35 µm afin de réaliser la spectroscopie en absorption de molécules d’intérêt atmosphérique et planétologique avec une très grande sensibilité et à haute résolution spectrale. Cette région du spectre correspond à une fenêtre de transparence de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone. Ces fenêtres sont des zones de très faible absorption utilisées pour le sondage des atmosphères terrestre et vénusienne dans lesquelles la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone représentent respectivement les absorbants gazeux principaux dans l’infrarouge.La technique CRDS consiste à injecter des photons dans une cavité optique de haute finesse et à mesurer la durée de vie des photons dans cette cavité. Celle-ci est mesurée en interrompant l’injection des photons dans la cavité optique lors du passage en résonance du laser avec l’un des modes longitudinaux. Cette durée de vie dépend de la réflectivité des miroirs et des pertes intra-cavité comme celles induites par un gaz qui absorbe. Mesurer ces pertes en fonction de la longueur d’onde permet d’obtenir le spectre d’absorption du gaz en question. L’extrême réflectivité des miroirs permet d’atteindre dans une cavité d’un peu plus d’1 m de longueur une sensibilité équivalente à celle qui serait obtenue classiquement avec une cellule d’absorption longue de plusieurs milliers de kilomètres.Trois diodes laser DFB émettant autour de 2.35, 2.26 et 2.21 µm ont été utilisées avec ce spectromètre. Grâce à une rétro-action optique provenant d’une cavité externe, certaines de ces diodes ont pu être affinées, ce qui a permis de mieux injecter la cavité haute finesse et ainsi de réduire le niveau de bruit du spectromètre. Parallèlement grâce à une collaboration avec l’Institut d’Electronique (IES, UMR 5214) à Montpellier et la société Innoptics nous avons pu tester le prototype d’un VECSEL (Vertical-External-Cavity Surface-Emitting-Laser). Ce laser a permis de couvrir une gamme spectrale de 80 cm-1, entre 4300 et 4380 cm-1, équivalente à quatre diodes laser DFB. La sensibilité obtenue en routine avec ce spectromètre, correspondant au coefficient minimum détectable, est typiquement de 1×10-10 cm-1. Le chapitre introductif (Chapitre 1) fait le point sur les différentes techniques permettant d’acquérir des spectres en absorption dans la gamme spectrale étudiée et sur les sensibilités atteintes. A notre connaissance l’instrument développé ici est le plus sensible dans cette région du spectre. Le fonctionnement de ce spectromètre CRDS est détaillé dans le chapitre 2.Pour démontrer les performances obtenues avec notre instrument celui-ci a été utilisé pour enregistrer des transitions quadrupolaires donc de très faible intensité. Ainsi la transition S(3) de la bande 1–0 de HD a été enregistrée pour la première fois et son intensité mesurée (S=2.5×10-27 cm/molecule). La sensibilité obtenue en routine a encore pu être améliorée en réalisant une moyenne d’une centaine de spectres sur une gamme spectrale réduite pour atteindre 1×10-11 cm-1. Grâce à cela nous avons pu mesurer la position et l’intensité de la raie quadrupolaire électrique O(14) de la bande 2–0 de N2 qui est très fortement interdite avec une intensité de 1.5×10-30 cm/molecule. Ces mesures font l’objet du chapitre 3 de cette thèse.Les deux derniers chapitres sont dédiés à la caractérisation de l’absorption du CO2, au centre de la fenêtre de transparence, et à celle de la vapeur d’eau. Dans les deux cas, les transitions permises du monomère et la contribution du continuum ont été étudiées. Ce dernier correspond à une absorption variant lentement avec la longueur d’onde. Les sections efficaces du « self-continuum » de la vapeur d’eau ont notamment été mesurées en plusieurs points de la fenêtre de transparence avec une incertitude beaucoup plus faible que les mesures existantes. Elles représentent un jeu de données décisif pour tester les modèles décrivant ce continuum.
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Contributor : Abes Star :  Contact
Submitted on : Thursday, February 8, 2018 - 4:07:17 PM
Last modification on : Tuesday, June 23, 2020 - 12:06:05 PM
Document(s) archivé(s) le : Wednesday, May 9, 2018 - 1:51:37 PM

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VASILCHENKO_2017_diffusion.pdf
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Identifiers

  • HAL Id : tel-01704680, version 1

Collections

STAR | CNRS | LIPHY | UGA

Citation

Semen Vasilchenko. Development of an ultrasensitive cavity ring down spectrometer in the 2.10-2.35 µm region : application to water vapor and carbon dioxide. Instrumentation and Detectors [physics.ins-det]. Université Grenoble Alpes, 2017. English. ⟨NNT : 2017GREAY037⟩. ⟨tel-01704680⟩

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