1

Equipe LAME (LAser Molécules et Environnement)Laboratoire de Spectrométrie Physique, Grenoble

Mesures de traces par spectroscopie laser

avec des cavités résonnantes de haute finesse

Irène Ventrillard

2

Des cavités résonnantes pour la spectroscopie …

Ex : L =1m, R=99.99% => Leff =10 000 m

> 1000 !

Loi de Beer Lambert :

L

I = I0 e-L

I0

R R

RLLeff

1

1

Cavité résonnante :

N

absorption (cm-1) nb of molecules/cm3

cross section (cm2)

• Spectroscopie (A. Campargue)• Détection de traces (D. Romanini)

3

De l’intensité transmise au spectre …tr

ansm

itted

in

tens

ity

time

CRDS

CRDS : Cavity Ring Down SpectroscopyCEAS : Cavity Enhanced

Absorption Spectroscopy

Original techniques developed at LSP:• Optical-Feedback CEAS (OF-CEAS)• Mode-Locked CEAS (ML-CEAS)• Continuous Wave CRDS (CW-CRDS)

4

CW - Cavity Ring Down Spectroscopy

5

Cavity ring down

Laser out

TT

time

Inte

nsi

ty - Empty cell

- Additionnal losses

Absorption losses

c 0

11 c 0

11

Self calibrated !

6

CW - CRDS1265-1705 nm (5850-7920 cm-1)

6nm (30cm-1) /diode70 DFB diodes

Lambdameter

PD

Optical isolator

Coupler

AO Modulator

laser ON Laser OFF

-50 0 50 100

threshold

=f(T,I)

S. Kassi, D. Romanini, and A. Campargue, Chem. Phys. Let. 477, (2009)

Mode by mode CRDS

7

Application : CH4 pour la planétologie

Tra

nsm

issi

on

=> spectra required in the CH4 transparency windows in similar conditions as in Titan

Cassini-Huygens

Titan

• T ~ 85 K • CH4 pressure ~ 75mbar

(in 1.5 bar of N2)

ANR CH4@Titan (coo. LESIA)

Cellule refroidie à l’azote liquide

8

CH4 à 300K et 80K…(absorption directe)

9

9

CRDS : Sensibilité

10

Optical- FeedbackCavity Enhanced

Absorption Spectroscopy(OF-CEAS)

J. Morville, S. Kassi, M. Chenevier, and D. Romanini, Appl. Phys. B, 80, 1027 (2005)

Patent WO03031949

11

Du signal transmis par la cavité aux spectres …

at mode m , from Airy formula :

tran

smitt

ed

inte

nsity

2

2

e

(1 e )

m

m

L

c L

I TtTIi R

2

2

e

(1 e )

m

m

L

c L

I TtTIi R

L

R

IIL

T

m

m

1

0

{<<1 ; (1-R)<<1}

4297.5 4297.6 4297.7 4297.8

0.0

0.1

0.2

0.0

0.1

0.2

abso

rptio

n (1

0-6/c

m)

wavenumber (cm-1)

OF-CEAS Fit Residuals

HITRAN simulation 0.53 ppm CO 9 ppm CH

4

sum

(acq. 110ms)

12

Optical Feedback Cavity-Enhanced Absorption Spectroscopy

PDsigna

l

PZT

Laser

translationVariableattenuator

PDref

O.F.

P. Gorrochategui et al Poster #68, JeuJ. Landsberg et al PC10, Jeu

Cavity resonance

cavity~ 10kHz

laser

~ 0.1-1 MHz

High finessecavity transmission

Inte

nsi

ty

T

Laser frequency tuning

narrower spectrum

locking range

time

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Des mesures in-situ …

African Monsoon Multidisciplinary Analysis (AMMA) on Geophysica aircraft (Ouagadougou-August 2006).

Coll : L. Gianfrani, Naples

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Application : Analyse de gaz expirés

• Needs for:– Selectivity (hundreds of species)– Sensitivity– Real time (~5Hz)– Non invasive

• Studies in progress :– Lung inflammation monitoring (R. Briot and M. Maignan, TIMC-IMAG,CHU-Grenoble)– Bronchial inflammation diagnosis (Ch. Clerici, Bichat-Claude Bernard Hospital, Paris)

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Analyse de gaz expirés

• Measurements by the medical staff over 2 months

for ~100 patients

I. Ventrillard, Th. Gonthiez, Ch. Clerici and D. Romanini, JBO, 14, (2009).

0 300

10

20

30

40

0

2

4

CO

con

cent

ratio

n (p

pm)

OF-CEAS: CH

4

CH

4 co

ncen

trat

ion

(ppm

)

time (s)

CO

16

Mode-Locked Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy

(ML-CEAS)

17

Laser femtoseconde à modes bloqués :une grande largeur spectrale !

Laser Ti:Sa « Chameleon » : balayable (670-1090nm)– Taux de répétition : 80 MHz– Largeur spectrale : ~ 10nm (5x104 modes)

espacementdes modes 1/t

Domaine temporel : Train d'impulsions périodique

Fourier T. => Spectre du laser à modes bloqués

tt

1/t

18

ML-CEAS : principe

Spectre de transmission de cavité

Spectre du laser à modes bloqués

Spectre = Tcav x Spectre Entrée

Faire correspondre les modes du laser et ceux de la cavité résonante

Titus Gherman et al, Opt Exp, 10, 19 (2002)

1 bar CHHC

free laser

empty cavity

acq. 40 ms

19

ML-CEAS en Antarctique …

• Détection in-situ de IO@435nm et BrO @338 nm

Roberto Grilli et al Poster #69, Mar

Ti:Sa fs laser (676 ou870 nm)

CCD

Home made spectrograph ( ~2pm)

PD

outlet

LockingLoop

inlet

BBO

AOM

PZT

ANR MoCaMar

20

433 434 435 436 437 4380.0

5.0x106

1.0x107

coup

s C

CD

longueur d'onde [nm]

Détection de IO en laboratoire

G. Méjean, S. Kassi and D. Romanini, Opt Lett, 33, 11 (2008)

min= 8x10-10 cm-1

~ 5pptv (10s)

433 434 435 436 437 438 439

0.90

0.95

1.00

Ca

vity

Tra

nsm

issi

on

IO : 100 ppt, 2 km, 40 mbar(Barrows et al.)

[nm]

ML-CEAS10s S/N = 200

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Bilan : Caractéristiques des différents instruments à Grenoble

Gamme (type de laser) Sensibilité (min ) et largeur

d’un spectre ()Résolution spectrale

CRDS

(spectro-scopie)

IR Proche (70 Diodes DFB):

1.265-1.705 µm (5850–7920 cm-1)

1 diode ~ 30 cm-1 (1h)

min=1x10-10cm-1

Limite (moy) :1.4x10-12cm-1

Limite : DFB

<0.001 cm-1

OF-CEAS

(détection de traces)

• IR Proche (Diodes DFB) : 1.5-1.7 et 2.3 µm (~6000 et 4300 cm-1)• Visible (ECDL) : 411nm

(24300 cm-1)• IR Moy (DFB QCL) : 4.5µm

(2240 cm-1)

Next : 5.7 – 3.6µm…

= 10-30 GHz (0.3-1cm-1) (~200 pts spectraux)

• DFB : min= 2-5x10-10cm-1

@ 200ms

• QCL : min = 3x10-9cm-1

@ 2s

Limite : cavité

10kHz

Def spectrale : FSR =150 MHz

(0.005 cm-1)

ML-CEAS

(large bande)

IR Proche + UV

Laser femtosecondeTi:Sa

675 -1090 nm

Doublé : 340-450nm

~ 5nm (250 cm-1)

min= 8x10-10cm-1 @ 1s

(600 pts spectraux)

Limite : spectromètre

2pm @ 400nm

(0.1 cm-1)

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L’équipe actuelle à Grenoble

• Janek Landsberg PC10, Jeu

• Chadi Abd Alrahman• Vahideh Faghihi

• Paula Gorrochategui-Carbajo P68, Jeu

• Roberto Grilli P69, Mar

• Daniele Romanini• Alain Campargue• Marc Chenevier• Titus Gherman• Samir Kassi• Erik Kerstel• Guillaume Méjean• Irène Ventrillard

• Serge Béguier• Jean-Luc Martin