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1.2 CRDS

1.2.3 modèle continu

La CW-CRDS consiste à accorder un laser monofréquence à émission

conti-nue à un mode de résonance d’une cavité optique de haute finesse. Donc la

technique apporte une difficulté en plus par rapport à la CRDS avec les

la-sers à impulsions car il faut injecter efficacement (pendant un temps suffisant)

le spectre fin du laser (par exemple de l’ordre du MHz pour une diode laser

telecom) dans le mode encore plus fin de la cavité (≃10 kHz).

Dans ce paragraphe, nous décrivons uniquement le schéma de la

CW-CRDS, développé par Romanini et al initialement en 1997 avec un laser à

colorant [89] puis avec une source laser à cavité externe [91] et en 2004 avec

une diode laser telecom fibrée (type DFB, Distributed Feedback) [67]. Ce

schéma est caractérisé par sa simplicité par rapport à d’autres schémas qui ont

été introduits par la suite, tels que [35, 36, 78].

Le principe est illustré par la figure (1.3). La cavité considérée est linéaire,

formée par deux miroirs de haute réflectivité. L’injection de la cavité est

ob-tenue simplement par un passage à la résonance, sans asservissement en

fré-quence. La longueur de la cavité est modulée en appliquant une tension

élec-trique sur un piézoélecélec-trique qui porte l’un de ses miroirs. Nous pouvons

ob-server l’intensité transmise par la cavité qui est acquise par une photodiode.

Grâce à la modulation considérée et à la présence d’une source à émission

continue et monofréquence, nous pouvons observer défiler les modes TEM

m,n

de la cavité. Cela permet d’effectuer avec précision un alignement optique pour

atteindre l’accord spatial entre le laser et un mode TEM

00

de la cavité.

Le signal produit est envoyé dans un circuit détecteur de seuil. Quand

la fréquence du laser (fixée) coïncide avec celle de la résonance et le champ

intracavité atteint une valeur seuil, le circuit interrompt alors rapidement (≃

<1µs) le modulateur acousto-optique qui normalement dévie le faisceau vers

l’entrée de la cavité. Ainsi le modulateur joue le rôle d’un interrupteur.

Un signal de déclin peut être enregistré avec un signal sur bruit élevé. En

effet, la valeur de l’intensité transmise peut théoriquement s’approcher de celle

de l’intensité incidente. A la fin de l’enregistrement, le modulateur renvoie le

faisceau laser dans sa position initiale jusqu’à une nouvelle injection de cavité.

Le signal de transmission de la cavité est numérisé et traité par logiciel.

Laser continu monofréquence P MAO modes de la cavité fréquence raie laser temps PD ordinateur Lentilles -50 0 50 100 -50 0 50 100 (A) (B) (C) A/D convertisseur R R (1) (2) circuit détecteur seuil Transmission cavité acquisition des temps de déclin balayage mode cavité

coïncidence entre laser et mode de cavité

Fig.1.3 –

Principe de la CW-CRDS : injection par passage en résonance développé par Romanini et al [90]. Une modulation de la longueur de la cavité est obtenue en appliquant une tension sur le piézoélectrique noté P sur lequel est monté un des miroirs de la cavité. L’accord spatial entre le laser monofréquence continu et le mode de résonance est obtenu par l’optique adéquate (ici deux lentilles).R coefficient de réflexion des miroirs de la cavité, P D photodiode, A/D convertisseur analogique numérique. Dans la position (2), le modulateur acousto-optique noté M AO est en marche : une fraction importante du faisceau laser (80 %) est envoyé vers la cavité. A la résonance (coïncidence entre la fréquence du laser (fixée) et celle du mode de la cavité), le champ intracavité atteint une valeur seuil notée (A). Le circuit détecteur seuil interrompt alors rapidement le M AO (position (1)) : toute la lumière laser passe sans déflection. (C) décroissance exponentielle de la radiation lumineuse dans la cavité. Une acquisition d’un temps de ring down est possible. (B) bruit de phase du laser avant coupure de l’injection de la cavité.

La durée de la mesure peut être inférieure à la seconde en moyennant une

centaine de temps de ring down. La mesure du temps de ring down n’est pas

affectée par le bruit d’amplitude qui dérive de la conversion du bruit de phase

du laser (dû à sa largeur plus élevée par rapport à celle du mode de la cavité)

par la cavité.

Typiquement la CW-CRDS permet une dynamique de détection couvrant 3

à 4 ordres de grandeur (variant de 10

−5

cm

−1

à 10

−9

cm

−1

) mais des coefficients

d’absorption minimales détectables inférieurs peuvent être également atteints.

A titre d’exemple, un coefficient d’absorption minimale détectable de l’ordre

de 2 × 10

−11

cm

−1

[46] a été obtenu en moyennant 30000 événements ring

down par point du spectre d’absorption.

Le taux de répétition des temps de déclin est limité par la fréquence de

modulation de la cavité (> 100 Hz) en CW-CRDS alors que dans la CRDS avec

les lasers à impulsions il dépend du laser utilisé (souvent ≃ 10 Hz seulement).

La reproductibilité des valeurs des temps de ring down d’un coup à un

autre est de l’ordre de 0.1% en CW-CRDS et de l’ordre de 1% avec les

sys-tèmes employant la CRDS avec les lasers à impulsions. Cette différence est

directement liée à la stabilité de la source laser. En effet, dans la CW-CRDS,

le laser est stable spectralement et spatialement alors qu’un laser à impulsions

présente des fluctuations de la distribution spectrale ainsi que des fluctuations

spatiales. Donc d’un coup à un autre, ce ne sont pas les même modes

trans-verses et longitudinaux qui sont excités induisant des valeurs différentes de

temps de déclin.

La largeur spectrale étant déterminée généralement par la largeur du laser.

La CW-CRDS permet un gain en résolution spectrale par rapport à la CRDS

avec les lasers à impulsions. Dans le premier cas, elle est de l’ordre du MHz

(pour une diode type DFB) et dans le deuxième cas elle est de l’ordre du GHz.

Ainsi, elle est plus appropriée pour la détection atmosphérique de gaz à l’état

de traces.

De plus, l’utilisation des diodes lasers dans la CW-CRDS permet une forte

réduction de la taille du système optique et de son coût.

Les diodes lasers sont caractérisées par leur compacité et leur faible

consom-mation en puissance, ce qui permet le développement d’instruments portables.

Cependant, un désavantage de la CW-CRDS est la disponibilité limitée des

sources lasers, surtout des diodes lasers dans certaines régions spectrales et qui

par ailleurs permettent une gamme de balayage limitée.