Réalisation d’un Spectromètre THz innovant à très haute résolution spectrale – TIGER

La spectroscopie est un outil extrêmement puissant exploité dans de nombreux domaines tant fondamentaux qu’appliqués. Parmi les différents domaines spectraux et malgré les avancées de ces dernières années, le domaine TeraHertz (THz) s’avère bien moins mature que les ondes millimétriques, l’infrarouge ou l’ultraviolet. On parle parfois de « gap spectral ». A ce jour, l’une des applications les plus abouties des ondes THz reste l’étude des atmosphères (terrestre, planétaires ou cométaires) et du milieu interstellaire. Il faut pouvoir maintenir un effort important pour les études en laboratoire pénalisées par un déficit de solutions pour couvrir la gamme de fréquence comprises entre 1 et 4 THz avec des outils à très haute résolution spectrale. Il faut souligner que les données dans la région considérée se révèlent fondamentales pour la détermination des paramètres structuraux. A l’exception de quelques démonstrations, les spectromètres THz les plus performants utilisent une source microonde multipliée en fréquence. De mise en œuvre et d’utilisation simple, cette approche est privilégiée par la quasi-totalité des groupes travaillant dans le domaine, notamment en dessous de 1100 GHz qui n’exige pas de budgets prohibitifs. En revanche, cette solution se heurte à des investissements importants et des contraintes techniques au-delà de cette fréquence. Il est ainsi impossible de couvrir l’ensemble du domaine spectral visé (500 - 4000 GHz) avec un instrument unique. Il s’avère aussi que la bande spectrale comprise entre 2000 et 3500 GHz ne soit pas pleinement accessible (en tous cas avec des éléments commerciaux). A ce jour, les composants capables de fonctionner au-delà de 1 THz sont quasi exclusivement d’origine nord-américaine dont la diffusion est soumise au contrôle de son administration.

Nous proposons dans ce projet une alternative qui utilise les avantages de divers domaines, que sont l’optique, l’optoélectronique et l’électronique pour la conception d’un spectromètre THz unique aux capacités encore inédites qui exploite une détection hétérodyne de haute performance. L’objectif est de concevoir un unique spectromètre capable de travailler entre 500 et 4000 GHz associé à une excellente résolution spectrale (<50kHz) et métrologie de fréquence (<50 kHz). De telles caractéristiques en feront un instrument sans concurrence pour des études à haute résolution dans une bande spectrale aussi large.
Pour atteindre cet objectif, nous proposons d’utiliser une nouvelle génération de source THz comme oscillateur local, brevetée par l’un des partenaires de ce projet. Il s’agit d’un nouveau type de laser moléculaire qui exploite les avancées extraordinaires des lasers à cascade quantique oscillant autour de 10 microns. Un effort particulier portera également sur le développement d’un peigne de fréquence optique oscillant directement à 780 nm de longueur d’onde et à fort taux de répétition (>1 GHz) dans l’objectif d’optimiser la sensibilité du futur spectromètre. Nous mobiliserons le savoir-faire des partenaires pour la conception d’une nouvelle génération d’absorbant saturable associée à un déclanchement hybride passif-actif à une harmonique élevée de l’intervalle spectrale libre de la cavité laser. Un tel peigne de fréquence constitue une avancée majeure et son champ d’application dépasse très largement celui de la spectroscopie THz.
L’instrument sera validé et exploité par différentes études de spectroscopie déterminantes et encore inaccessible à ce jour sur des molécules clés de l’atmosphère terrestre ou de la planétologie.