Composition Triple d'Oxygène par Spectrométrie Laser – LITOS

L'application des techniques d'absorption laser à la géochimie des isotopes stables a progressé rapidement ces dernières années. Ces nouveaux instruments offrent des avantages spécifiques comme la capacité à distinguer des isotopologues isobares (ex : 16O-13C-16O et 16O-12C-17O). Cependant leur précision reste généralement inférieure à celle des spectromètres de masse modernes. Notre projet a pour ambition de développer un spectromètre laser capable de mesurer les rapports d'abondance des isotopologues du CO2 avec une précision interne de l'ordre de 0,01 ‰, et qui permettrait de déterminer précisément la composition triple de l'oxygène dans le CO2 atmosphérique ou les minéraux carbonatés. L'anomalie d'oxygène-17 déduite de ce type de mesures (Delta-17O) est un traceur géochimique important de la chimie atmosphérique et de la paléo-hydrologie. Si l'on sait aujourd'hui mesurer Delta-17O dans d'autres échantillons (O2, H2O), l'analyse du CO2 par spectrométrie de masse pose des problèmes importants d'interférence isobarique.

Le développement que nous proposons repose sur une collaboration poussée entre géochimistes et spectroscopistes, issus du Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE) et du Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (LIPhy). Dans le prolongement de nos travaux antérieurs et d'expériences préliminaires menés en 2012, nous proposons de réaliser le premier prototype d'une nouvelle génération de spectromètres laser ultra-précis fondés sur le principe de la CRDS ("cavity ring-down spectroscopy"), et de coupler cet analyseur à un système d'introduction de gaz de type "dual-inlet" inspiré de ceux utilisés en spectrométrie de masse. Afin d'atteindre l'extrême niveau de précision mentionné ci-dessus, notre stratégie est de tirer profit des propriétés d'"optical feedback" d'un laser DFB fonctionnant dans l'infra-rouge proche (1,6 microns), qui sera "verrouillé" à un mode propre d'une cavité optique ultra-stable de notre invention. La source ainsi obtenue présentera un spectre extrêmement étroit et stable, et servira ensuite à l'injection d'une ou de deux cavités de "ring-down" contenant l'échantillon et/ou le gaz de référence. La conception l'assemblage et la configuration initiale du prototype se feront au LIPhy avant validation, optimisation et premières applications géochimiques au LSCE. Ce processus fournira le cadre d'un projet de thèse, sous la supervision d'E. Kerstel (LIPhy) et de M. Daëron (LSCE).

L'aboutissement du projet se traduira par l'installation définitive du spectromètre laser au LSCE, ce qui ouvrira la voie à d'importantes nouvelles observations géochimiques, avec des applications atmosphériques et paléo-climatiques importantes. Les progrès technologiques élaborés dans le cadre de ce travail bénéficieront à la fois aux itérations futures de ce nouvel instrument, et seront certainement transférables à une large gamme de mesures isotopiques par spectrométrie laser.