Un nouveau dispositif pour la spectroscopie du moyen infra-rouge

Trois chercheurs du Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, A. Parriaux, K. Hammami et G. Millot, ont récemment mis au point une nouvelle technique portant sur la conversion de peignes de fréquences du proche infra-rouge vers le moyen infra-rouge. Les applications de ces travaux permettent entre autres d’effectuer de la spectroscopie sur des gaz comme le dioxyde de carbone. Soutenus par le Labex ACTION, la fondation iXCore et le projet ISITE BFC, les travaux ont été publiés le 17 mai dans la revue Communications Physics du groupe Nature.

Les peignes de fréquences sont des arrangements bien précis de la lumière composés de fréquences discrètes et connues avec précision. Ces peignes peuvent être utilisés pour de nombreuses applications comme la métrologie ou encore l’étude de l’absorption de gaz, c’est à dire la spectroscopie. Toutefois, effectuer de la spectroscopie par peignes de fréquences peut s’avérer relativement complexe, et c’est dans ce contexte que des chercheurs du laboratoire ICB ont développé en 2015 un montage expérimental pouvant simplifier considérablement cette technique en tirant avantage des composants fibrés utilisés couramment en télécommunications optiques [1]. Le montage en question est limité de fait dans la gamme spectrale des télécommunications standards c’est-à-dire dans le proche infra-rouge. Or les molécules interagissent peu avec la lumière dans ce domaine. En connaissance de cause, des chercheurs du laboratoire ICB ont entrepris un travail d’extension permettant d’utiliser le montage dans le moyen infra-rouge, domaine très propice à des applications spectroscopiques [2].

Un avantage du montage initial fonctionnant dans le proche infra-rouge est d’être conçu à partir de fibres optiques ce qui le rend maniable, compact et facilement utilisable. Dans le but de conserver cet avantage, l’expérience de conversion des peignes vers le moyen-infrarouge se base uniquement sur des phénomènes non-linéaires apparaissant dans des fibres optiques dont les paramètres sont judicieusement choisis. De plus, l’utilisation d’un laser peu intense permet de stimuler le phénomène de conversion des peignes dans la fibre optique non-linéaire et donc d’atteindre le moyen infra-rouge avec des équipements relativement standard et peu coûteux.

Dans cette nouvelle gamme d’analyse, la lumière peut interagir avec les molécules jusqu’à 100 fois plus comparé au proche infra-rouge, ce qui permet une détection rapide et sensible du gaz à analyser. Le graphe en bleu de la figure ci-contre montre l’empreinte spectroscopique du dioxyde de carbone détectable avec le nouveau dispositif de conversion des peignes, tandis que le graphe rouge montre la même empreinte mais obtenue par simulation numérique : l’accord est excellent et montre peu de différences.

Les résultats obtenus montrent aussi une grande agilité du montage ainsi qu’une grande rapidité d’obtention des analyses (quelques dizaines de microsecondes). Ces travaux ouvrent donc de nouvelles voies concernant la détection de gaz tel que le dioxyde de carbone, notamment pour des applications environnementales comme la détection de gaz à effets de serre ou bien des applications médicales comme le diagnostic en temps réel de l’air expiré.

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