Thèses

Jeudi 23 Octobre 2014 à 14h00.

Couplage Vernier d'un peigne de fréquences femtoseconde dans un cavité optique pour la spectroscopie moléculaire très large bande

''Les lasers femtosecondes fonctionnant dans un régime impulsionnel à modes bloqués révèlent, depuis le tournant de ce siècle, une structure spectrale bien particulière constituée d’un ensemble considérable de fréquences discrètes (>105), parfaitement définies (~kHz), régulièrement équidistantes (100 MHz) sur plusieurs dizaines, voir centaines, de THz et entièrement contrôlables par les paramètres de fonctionnement du laser. Pour cette raison, ces lasers sont couramment désignés comme des peignes de fréquences optiques, et employés comme de véritables règles de mesure de n’importe quelle fréquence dans le domaine large de l’optique. Cette capacité de mesure absolue a révolutionné ces quinze dernières années la métrologie du temps et des fréquences, avancée scientifique majeure reconnue par l’attribution, en 2005, du prix Nobel à T. W. Hänsch et J. L. Hall, et a notamment fourni à la spectroscopie atomique et moléculaire un outil de calibration absolue maintenant incontournable. Suivant une évolution naturelle, et parce que leur puissance moyenne reste considérable (>100 mW), les peignes de fréquences sont maintenant employés directement comme source d’excitation dans divers schémas de spectroscopie. Afin d’étudier les effets les plus cachés des transitions optiques, ou d’analyser des espèces, parfois exotiques, difficiles à produire en grand nombre, ou naturellement à l’état de trace, des efforts importants ont été conduits pour accroître la sensibilité des mesures à l’aide des cavités optiques. L’augmentation artificielle de longueur d’interaction optique produite par de tels dispositifs permet en effet d’atteindre facilement des chemins optiques de plusieurs kilomètres pour des encombrements à l’échelle du mètre. Dans ce contexte, différentes approches ont été proposées pour réaliser des schémas de couplage du peigne de fréquences laser avec les multiples résonances des cavités optiques, tentant de combiner au mieux les performances de sensibilité de mesure, de résolution spectrale, de gamme spectrale et de temps d’acquisition. La maturité de certaines d’entre elles a d’ores et déjà permis d’investir des domaines d’application aussi variés que la climatologie, le contrôle des procédés, la santé, ou la spectroscopie fondamentale de molécules exotiques. Toutefois, aucune de ces approches n’est parvenue jusqu’à maintenant à exploiter l’intégralité de la gamme spectrale offerte par ce type de source, réduisant ainsi le champ de chacune des applications. Mon travail de thèse s’est concentré sur l’étude et la mise en place d’un schéma de couplage particulier où les structures en peigne, respectivement du laser et des résonances de cavité, sont délibérément désaccordées de façon contrôlée à la manière d’un Vernier, faisant apparaître sur la transmission spectrale de la cavité un Moiré de fréquence. Au cours de mon exposé, je présenterai les caractéristiques de ce nouveau peigne de fréquences Vernier, et les méthodes que nous avons développées pour le stabiliser et l’accorder continuement sur l’intégralité du peigne de fréquence du laser. Je montrerai comment son exploitation à permis de faire émerger un nouveau type de spectromètre d’absorption combinant au mieux une haute sensibilité de mesure de coefficients d’absorption (alpha_min~10^9/cm), une haute résolution (~GHz), une plage spectrale s’étendant sur plusieurs dizaines de THz, tout en conservant un temps d’acquisition à l’échelle de la seconde. Je discuterai enfin des perspectives apportées par un tel instrument.''