La source accordable pr´esent´ee dans la partie4.3 a pu ˆetre utilis´ee pour une d´emonstration de d´etection de gaz en cellule par mesure directe, en simple passage. Le choix du gaz s’est port´e sur le N2O qui poss`ede des raies d’absorption intenses autour de 3,88 �m. Le montage exp´erimental utilis´e est pr´esent´e sur la figure 4.6. Le faisceau compl´ementaire accordable est s´epar´e en deux voies, une voie d’analyse contenant une cellule de gaz et une voie de r´ef´erence.
Le rapport entre les deux voies est mesur´e, pour cela le faisceau est focalis´e sur des d´etecteurs HgCdTe photovolta¨ıques de la marque Vigo System. La lame s´eparatrice choisie est tr`es fine, de type pellicule (Thorlabs BP145B4) de fa¸con `a s’affranchir des effets Fabry-Perot observ´es avec des lames minces classiques. Dans un premier temps une ligne de base avec la cellule de gaz vide est mesur´ee, puis ensuite le rapport des deux voies lorsque la cellule contient du N2O. Le spectre de transmission correspond au rapport mesur´e avec la cellule pleine divis´e par
4.4 D´etection de gaz le rapport obtenu avec la cellule vide. Cette m´ethode permet de s’affranchir des fluctuations dues `a l’adaptation spatiale du faisceau1 [Lap14] ou aux ´eventuelles variations du coefficient de transmission/r´eflexion de la s´eparatrice en fonction de la longueur d’onde. La longueur d’onde signal est mesur´ee `a l’analyseur de spectre et utilis´ee pour d´eduire la longueur d’onde compl´ementaire envoy´ee dans la cellule. La valeur de la longueur d’onde est v´erifi´ee pour chaque point dans les exp´eriences pr´esent´ees ici, mais une fois la longueur d’onde de l’OPO calibr´ee, la mesure d’une longueur d’onde initiale de r´ef´erence et la connaissance de la consigne appliqu´ee au miroir mobile permettent de connaˆıtre pr´ecis´ement la longueur d’onde ´emise par l’OPO sans n´ecessiter une mesure `a l’analyseur de spectre optique.
Lame mince Lentille
Lentille
Détecteurs Faisceau
Complémentaire accordable
Voie de référence Voie de mesure
Oscilloscope Cellule de gaz : N2O
Figure 4.6: Montage exp´erimental de d´etection directe de gaz en cellule par simple passage.
L’accordabilit´e de l’OPO se fait en modifiant uniquement l’angle de d´eflexion du miroir M1, tous les autres param`etres restant inchang´es. La longueur d’onde compl´ementaire utilis´ee a ainsi ´et´e accord´ee sur plus de 160 nm autour de 3,88 �m permettant d’obtenir les profils de transmission des figures 4.7 et4.8. L’ajustement th´eorique, trac´e en orange correspond `a la convolution du profil de transmission attendu selon la base HITRAN [Rot09] avec une impulsion gaussienne de largeur `a mi-hauteur 5 nm. Cette largeur `a mi-hauteur correspond `a la largeur moyenne du spectre de l’onde compl´ementaire, d´eduite de la largeur effectivement mesur´ee pour les spectres de l’onde signal. Dans le cas pr´esent´e sur lafigure 4.7, les pressions attendues (pressions de N2O initialement introduit dans la cavit´e, mesur´ees au manom`etre) et les pressions d´eduite de nos mesures exp´erimentales par un ajustement du spectre, pr´esentent un d´esaccord de typiquement 15 `a 20 %. L’ajustement qui correspond aux valeurs exp´erimentales est celui calcul´e pour une pression partielle de N2O de 1,1.104 Pa soit une pression inf´erieure aux 1,3.104 Pa que l’on attendait. Dans le second cas pr´esent´e sur lafigure4.8, on r´ealise une mesure de l’absorption pour une valeur de pression diff´erente soit 2,0.104 Pa. On observe une ´evolution de la courbe de transmission en accord avec l’augmentation de la pression. Mais de la mˆeme fa¸con que pour lafigure 4.7, la diff´erence entre pression attendue et calcul´ee persiste. L’ajustement est calcul´e
1. Les fluctuations dues `a l’adaptation du trajet optique du faisceau sont reproductibles d’un balayage `a l’autre.
3800 3840 3880 3920 3960
Figure 4.7: Pour lesfigures (a) et (b) la transmission du N2O mesur´ee en simple passage dans une cellule `a pression atmosph´erique pour une pression partielle de N2O de 1,3.104 Pa est repr´esent´ee par les carr´es noirs (donn´ees exp´erimentales). Le profil de transmission de la base HITRAN est repr´esent´e en gris sur la figure (a) tandis que cette transmission th´eorique, convolu´ee par une gaussienne de largeur ´egale `a la largeur typique des spectres de l’onde compl´ementaire utilis´ee pour la mesure est repr´esent´ee en orange sur lesfigures (a) et (b).
pour une pression partielle de N2O de 1,7.104Pa diff´erente des 2,0.104Pa attendus. La diff´erence entre ces valeurs calcul´ees avec l’ajustement th´eorique et les pressions partielles effectivement mesur´ees avec un manom`etre (avec une pr´ecision de 3.102 Pa) pendant le remplissage de la cuve persiste donc pour diff´erentes valeurs de pression initiale test´ees. Le rapport d’erreur entre la pression attendue et la pression calcul´ee est proche pour les deux cas pr´esent´es ici, ce qui pourrait ˆetre li´e `a des fuites dans la cellule ou une erreur sur la mesure initial de la pression.
Les barres d’erreur y repr´esent´ees sur les figures 4.7 et 4.8 correspondent `a l’´ecart-type du rapport entre la voie de mesure et la voie de r´ef´erence mesur´e par l’oscilloscope. Cette erreur est plus importante sur les bords de la fenˆetre d’acquisition ou d’accordabilit´e car l’OPO fonctionne alors proche de son seuil d’oscillation, ce qui induit des instabilit´es en intensit´e plus importantes qu’au centre de la zone d’´emission spectrale. Les barres d’erreur en abscissex, correspondent `a l’´ecart type de la longueur d’onde centrale pour une position fix´ee du miroir mobile M1. Elles sont plus petites que la taille des symboles utilis´es et ne sont donc pas repr´esent´ees ici.
Comme attendu, les mesures montrent que la largeur du spectre de l’OPO picoseconde ne permet pas de r´esoudre les raies d’absorption fines du N2O. Toutefois, l’OPO est accord´e sur une large plage spectrale qui permet d’exploiter le profil convolu´e pour se tourner vers la spectroscopie de convolution. Ainsi le dispositif pr´esent´e ici, avec un OPO `a base de cristaux non lin´eaires ap´eriodiques large bande associ´e `a un filtre rapide intracavit´e poss`ede un fort potentiel pour la d´etection de gaz rapide. Sur la figure 4.7, chaque point mesur´e correspond
`a un moyennage sur 200 impulsions (soit un temps d’acquisition de 2,6 �s). En termes de