Développement d'un spectromètre CRDS ultra-sensible dans la région de 2.20 à 2.35 μm : application à la vapeur d'eau et au dioxyde de carbone

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

• Auteur / Autrice : Semen Vasilchenko
• Direction : Didier Mondelain, Alain Campargue
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 08/06/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Hartmann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hugues Guillet de Chatellus, Olivier Pirali, Leonid Nikiforovič Sinit︠s︡a
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Muriel Lepere, Robert Georges

Mots clés

Mots clés contrôlés

Absorption et adsorption

Dioxyde de carbone

Spectromètres

Mots clés libres

Cavity ring-down spectroscopy

Vapeur d'eau

Dioxyde de carbone

Continuum

Cavity ring-down spectroscopy

Water vapor

Carbon dioxide

Continuum

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.

A cavity ring down spectrometer has been developed in the 2.00-2.35 µm spectral range to achieve highly sensitive absorption spectroscopy of molecules of atmospheric and planetologic interest and at high spectral resolution. This spectral region corresponds to a transparency window for water vapor and carbon dioxide. Atmospheric windows, where absorption is weak, are used to sound the Earth’s and Venus’ atmospheres where water vapor and carbon dioxide represent the main gaseous absorbers in the infrared, respectively.The CRDS technique consists of injecting photons inside a high finesse optical cavity and measuring the photon’s life time of this cavity. This life-time depends on the mirror reflectivity and on the intra-cavity losses due to the absorbing gas in the cavity. Measuring these losses versus the wavelength allow obtaining the absorption spectrum of the gas. The extreme reflectivity of the mirrors allows reaching, for a 1-meter long cavity, a sensitivity equivalent to the one obtained classically with absorption cells of several thousands of kilometers.Three DFB laser diodes emitting around 2.35, 2.26, 2.21 µm were used with this spectrometer giving access to the 4249-4257, 4422-4442 and 4516-4534 cm-1 interval, respectively. Thanks to optical feedback from an external cavity, two of these diodes were spectrally narrowed leading to a better injection of the high finesse cavity thus reducing the noise level of the spectrometer. In parallel, we tested a VECSEL (Vertical-external-Cavity, Surface Emitting laser) through a collaboration with the Institu d’Electronique (IES, UMR 5214) in Montpellier and the Innoptics firm. This laser source is able to cover a 80 cm-1 spectral range centered at 4340 cm-1, equivalent to four DFB laser diodes. In routine the achieved sensitivity with this spectrometer, corresponding to the minimum detectable coefficient is typically of 1×10-10 cm-1. The introductive chapter (Chapter 1) makes the point on the different techniques allowing absorption spectra recordings in the studied spectral region and on their sensitivity. The experimental set-up, the characteristics and performances by the CRD spectrometer developed in this work are detailed in Chapter 2. To our knowledge this instrument is the most sensitive in the considered spectral region.In Chapter 3, detection of quadrupolar electric transitions of HD and N2 illustrate the level of sensitivity reached: (i) the S(3) transition in the 1-0 band of HD has been recorded for the first time and its intensity measured (S=2.5×10-27 cm/molecule), (ii) the position and intensity of the highly forbidden O(14) quadrupolar electric transition of the 2-0 band of N2 have also been newly determined.The two last chapters are devoted to the characterization of the CO2 absorption, in the centre of the transparency window, and of the water vapor absorption. In both cases, we not only studied the allowed transitions of the monomer, but also the continuum absorption. This latter correspond to a weak background absorption varying slowly with the wave length. The self-continuum cross-sections of the water vapor continuum were measured in many spectral points through the transparency window with a much better accuracy compared to existing measurements. These CRDS data constitute a valuable data set to validate the reference model (MT_CKD) for the continuum which is implemented in most of the atmospheric radiative transfer codes.