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,nde la cavité. Cela permet d’effectuer avec précision un alignement optique pour
atteindre l’accord spatial entre le laser et un mode TEM
00de 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
−5cm
−1à 10
−9cm
−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
−11cm
−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.
Dans le document
Cavités optiques de haute finesse pour la mesure de composés à l'état de trace en phase gazeuse
(Page 32-36)