Développement d'un système de mesure de radicaux hydroxyles par spectroscopie d'absorption en cavité résonante hors axe

par Christophe Lengignon

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Weidong Chen et de Cécile Coeur-Tourneur.

Le président du jury était Valéry Catoire.

Le jury était composé de Jérôme Morville.

Les rapporteurs étaient Brigitte Attal-Trétout, Virginie Zéninari.


  • Résumé

    Le radical hydroxyle OH est un oxydant puissant qui intervient, entre autre,dans de nombreux processus photochimiques atmosphériques. L'objectif de cette thèse était de développerun système de mesure desradicaux OH dédié aux études de laboratoire. Celui-ci est basé sur la spectroscopie d'absorption en cavité résonante hors d'axe (OA-ICOS,Off-Axis integrated Cavity Output Spectroscopy).Notre système repose sur le couplaged'une diode laser fibrée (DFB) émettant dans le proche infrarouge (∼1435 nm) au sein d'une cavitéoptique àhaute finesse de 50 cm. Le parcours d'interaction du faisceau avec le milieu atteint 1263 m. Le couplage hors de l'axe permet d'atteindre une limite de détection à 2,12 x 10¹¹ OH / cm³. La spectroscopie par modulation de la longueur d'onde (WMS) en modulant l'intensité de la diode laser à 10 kHz est utilisée conjointement à la cavité OA-ICOS. Cette technique permet de s'affranchir du bruit en 1/f. La WM-OA-ICOS atteint alors une limite de détection de 5,7 x 10¹⁰OH/cm³. Les effets de la Modulation Résiduelle d'Amplitude (RAM) occasionnés par la modulation de l'intensité laser ont ensuite été supprimés. L'implémentation d'une boucle de contrôle de l'intensité laser en amont de la cavité optique a permis de réduire les variations d'intensité de la source et les effets de RAM. Ceci se traduit par une limite de détection plus basse à 5,7 x 10⁹ OH/cm³ pour 100 secondes d'intégration. La suppression des effets de RAM par moyen optique est utilisée pour la première fois pour réduire la limite de détection de systèmes WM-OA-ICOS. Ceci nous permet d'atteindre une valeur de NEAS qui est parmi les meilleures au monde et offre des perspectives intéressantes.

  • Titre traduit

    Monitoring of hydroxyl free radicals by Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy


  • Résumé

    The hydroxyl free radical (OH) plays a central role in atmospheric chemistry due to its high reactivity with VOCs and other trace species. In this thesis, we demonstrate the feasibility of OH radical detection by means of a compact sensor based on off-axis integrated cavity outpout spectroscopy (OA-ICOS) dedicated to laboratory studies. The developed system requires the coupling of a distributed feedback diode (DFB) emitting in near infrared (∼1435 nm) to a 50 cm long spherical high finesse cavity. The effective interaction path length reaches 1263 m. The off-axis injection of the laser beam allows a detection limit of 2,12 x 10¹¹ OH / cm³. The OA-ICOS is used in combination with wavelength modulation spectroscopy (WMS) by modulating the diode current at 10 kHz. This technique is efficient to remove 1/f noise in the signal. The developed WM-OA-ICOS setup achieves alower detection limit at 5,7 x 10¹⁰OH/cm³. While modulating DFB current, Residual Amplitude Modulation occurs. This background contribution was removed at the optical level by the implementation of a control-loop on the laser intensity before its onjection to the cavity. This stabilisation loop on WM-OA-ICOS achieves a detection limit 5,7 x 10⁹ OH/cm³ for an integration time of 100 s. RAM suppression at the optical level was first used to enhance the detection limit of WM-OA-ICOS setup. It makes our OA-ICOS system one of the most efficient in Noise Equivalent Absorption Sensitivity in the world and provides great opportunities for future development.


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