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Un spectromètre ultrasensible bat tous les records

Un spectromètre aux performances inégalées capable d'identifier des traces infimes de gaz en temps réel a été développé par des chercheurs du Laboratoire de Photophysique moléculaire du CNRS (LPPM) et du Max Planck Institute of Quantum Optics (Allemagne). Dirigée par Theodor W. Hänsch, prix Nobel de physique (2005) et Nathalie Picqué du LPPM, l'équipe internationale a conçu un instrument basé sur deux lasers peignes de fréquences femtosecondes.
Qu'est-ce qu'un laser peigne de fréquences femtosecondes ? Ce type de laser délivre simultanément plusieurs centaines de milliers de longueurs d'ondes placées de façon équidistante et très exacte. L'émission est constituée d'impulsions ultra-courtes équivalentes à celles d'un million de lasers continus, émettant en phase à des fréquences équidistantes. Le spectre d'émission a la forme d'un peigne. Ces nouveaux laser révolutionnent la spectroscopie optique qui s'appuie traditionnellement sur un spectromètre de Fourier basé sur l'interféromètre de Michelson. En effet, la spectroscopie de traces de gaz suscite un grand intérêt ces dernières années et vise à identifier des composés en très faible abondance. Un spectromètre performant doit réunir de nombreuses caractéristiques : grande plage de longueurs d'onde, bonne résolution, temps de mesure rapide, grande sensibilité. Pour la première fois, le spectromètre développé par l'équipe franco-allemande trouve un compromis parmi ces contraintes en utilisant une cavité de haute finesse et deux peignes de fréquences cohérents dont il mesure le battement. Le spectromètre ne fait plus usage de l'interféromètre de Michelson ! Ce nouveau procédé permet d'enregistrer des spectres avec une grande sensibilité et 1 million de fois plus rapidement que les meilleurs spectromètres actuels. Durant une démonstration, le spectre de l'ammoniac, molécule d'intérêts planétologique et environnemental, a été mesuré en 18 µs : la sensibilité obtenue est déjà 20 fois meilleure, pour un temps de mesure 100 fois plus faible que la démonstration de faisabilité qui détenait le précédent record. Avec une telle sensibilité, et avec une extension possible à toutes les régions du spectre électromagnétique, cette méthode pourrait explorer de façon dynamique l'infrarouge moyen, région des « empreintes digitales » de molécules, où aucune technique efficace de spectroscopie en temps réel n'existe. Elle sera utilisée dans la recherche fondamentale mais également dans des domaines tels que la métrologie, la physico-chimie du milieu interstellaire, la détection in situ de traces de pollution atmosphérique (accidentelle ou criminelle), le contrôle de procédés industriels... Pour en savoir plus, vous pouvez lire La spectroscopie par transformation de Fourier, un article de Nathalie Picqué et Guy Guelachvili, du Laboratoire de photophysique moléculaire, paru dans Photoniques en 2007.