Spectroscopie à double peignes de fréquences générés électro-optiquement pour des applications dans le moyen infrarouge – ELECTROCOMB

La spectroscopie à deux peignes de fréquences (DCS) constitue l'avancée instrumentale novatrice la plus avant-gardiste dans le domaine de la spectroscopie. Elle présente des performances spectaculaires en termes de temps d’acquisition, sensibilité, résolution et calibration en absolu des fréquences. Cependant sa mise en œuvre nécessite une très haute stabilité en fréquence des deux peignes et des techniques d’asservissement complexes doivent être déployées qui constituent un frein majeur à la démocratisation de la technique. C’est ainsi que nous avons levé un verrou technologique en inventant la spectroscopie à deux peignes électro-optiques (EO-DCS). L’idée consiste à générer les deux peignes à partir d’une source laser unique, garantissant ainsi une cohérence mutuelle intrinsèque sans aucun système d’asservissement. Les peignes sont générés par modulation de l’intensité d’un laser continu monofréquence à l’aide de deux modulateurs électro-optiques rapides. Les peignes sont alors élargis dans une fibre optique pour générer des peignes plats, faiblement bruités et de quelques nanomètres de large.

Le spectromètre à deux peignes électro-optiques consiste en la création d’impulsions courtes (50 ps) grâce à des modulateurs d’intensité (MI) et un laser continu fonctionnant à la longueur d’onde de 1064 nm ou de 1550 nm selon la configuration choisie. Ce laser initial possède une largeur spectrale relativement fine (quelques kHz) afin d’éviter la génération d’une trop grande quantité de bruit de phase dans la suite du montage expérimental. Au regard de la puissance optique disponible du laser continu, il convient de l’amplifier. De la même manière que le laser initial, il a fallu rechercher des amplificateurs optiques générant peu de bruit de phase. La génération des peignes de fréquences doit s’effectuer à des fréquences centrales légèrement différentes afin d’éviter des problèmes d’aliasing lors de la détection radiofréquence RF. Ceci est géré en décalant la fréquence centrale d’un des deux trains d’impulsions (ou peignes) à l’aide d’un modulateur acousto-optique (MAO). Ici, nous avons utilisé un MAO de fréquence centrale de modulation autour de 50 MHz. De la même manière que les composants précédents, le MAO a été judicieusement choisi afin d’éviter l’accumulation de bruits.

Dans une première configuration la longueur d’onde de 1560 nm a été choisie afin d’exploiter les composants télécom matures disponibles au laboratoire. Dans une seconde configuration la longueur d’onde de 1064 nm a été sélectionnée pour faciliter la mise en œuvre de composants à maintien de polarisation, notamment la fibre non linéaire servant à l’élargissement spectral des peignes. Notre challenge a été d’étendre la technique au moyen infrarouge MIR (jusqu’à 4.5 µm) où les gaz absorbent fortement.

Différents tests de validation du spectromètre à deux peignes de fréquences électro-optiques ont été effectués.

Dans une première phase nous avons développé le spectromètre à deux peignes de fréquences au voisinage de 2 µm à l’aide d’une fibre non linéaire présentant des paramètres de dispersion parfaitement contrôlés. Chaque peigne généré au voisinage de 1.56 µm est mélangé à une onde seed à 1.3 µm à l'aide d'un multiplexeur de longueur d'onde (WDM) 1.3/1.5 µm, puis injecté dans la fibre à dispersion contrôlée à l'aide d'un autre coupleur WDM. Le dispositif a été validé en mesurant la largeur collisionnelle des pics d'absorption de CO2 et N2O en fonction de la pression. Les résultats obtenus sont compatibles avec les valeurs issues de la base de données spectroscopiques HITRAN. Plus de détails sont accessibles dans la revue ACS Photonics de facteur d’impact 6.6 : A. Malfondet, M. Deroh, S.-E. Ahmedou, A. Parriaux, K. Hammani, R. Dauliat, L. Labonté, S. Tanzilli, J.-C. Delagnes, P. Roy, R. Jamier, G. Millot, “Near-Infrared Dual-Comb Spectroscopy of CO2 and N2O with a Discretized Highly Nonlinear Fiber,” ACS Photonics 11(2) 762-771, 2024. doi.org/10.1021/acsphotonics.3c01625; hal-04927466

Dans une seconde phase le spectromètre a été développé au voisinage de 4.3 µm en convertissant les peignes du proche infrarouge à 1560 nm vers le moyen infrarouge par différence de fréquence (DFG) dans un cristal non linéaire PPLN. C’est avec cette configuration que le résultat le plus marquant a été obtenu en mesurant de façon très précise des rapports isotopiques, ce qui constituait l’objectif majeur du programme ELECTROCOMB. En effet nous avons mesuré le rapport isotopique 13C/12C dans un mélange à 2.5 % de dioxyde de carbone CO2 et à 97.5 % d'air en exploitant judicieusement une zone spectrale contenant des raies d’absorption de 12CO2 et 13CO2. Le rapport isotopique relatif δ13C a été mesuré avec une précision meilleure que 2‰ validée par un spectromètre de masse dans le cadre d’une nouvelle collaboration initiée avec le laboratoire Biogéosciences de Dijon. Notons que la précision obtenue permet d’envisager plusieurs applications, par exemple le diagnostic de l'infection gastrique à Helicobacter Pylori (analyse de l’air expiré), connue pour être la principale cause d'ulcères peptiques chez l'être humain et qui nécessite un seuil de détection autour de 3‰. Notre précision est même comparable à la précision du spectromètre embarqué sur le rover martien Curiosity qui est environ de 2‰. Les résultats ont été publiés dans la nouvelle revue Physical Review Research de facteur d’impact 3.3 : A. Parriaux, K. Hammani, C. Thomazo, O. Musset, G. Millot, “Isotope ratio dual-comb spectrometer,” Physical Review Research 4 (2), Article number: 023098, 2022. doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.023098; hal-03584429

Les peignes de fréquences électro-optiques sont un sujet de recherche en pleine expansion au niveau international et différents groupes de recherche se sont inspirés de nos travaux. Les résultats de nos recherches fondamentales soutenus par différents programmes de recherche (ANR dont ELECTROCOMB, ISITE, IUF) ont débouché sur un programme de prématuration du CNRS qui a initié un programme de maturation financé par la SATT Grand Est SAYENS qui a permis de développer un prototype fonctionnel mobile du spectromètre EO-DCS couvrant la plage de 4.1 à 4.8 µm. Une première version du prototype a été présentée au colloque EOSAM à Dijon en septembre 2023. Le dispositif est tout fibré et à maintien de polarisation y compris la partie conversion des peignes dans le moyen infrarouge. Le module de conversion DFG a été conçu avec l’aide de l’équipe de l’atelier de mécanique de l’ICB. La conversion des peignes du proche au moyen infrarouge réalisées dans une première phase en espace libre a été fibrée pour une meilleure stabilité.

Le spectromètre permet l’acquisition de spectres de 5 à 10 nm de large en quasi-temps réel avec une précision accrue du fait de la capacité à analyser simultanément plusieurs constituants et une résolution accrue permettant de distinguer des constituants avec des signatures proches. La plage de longueurs d’ondes obtenue va de 4.1 à 4.8 μm est liée au choix de la source laser de pompe permettant la conversion par DFG, accordable. Notons que le même type de source de pompe est disponible dans d’autres plages spectrales pour convertir les peignes à d’autres longueurs d’ondes comprises entre 2.6 μm et 12 μm, permettant de couvrir tout le moyen infrarouge d’intérêt pour la spectroscopie d’absorption.

Avec ce module de conversion compact et fibré le spectromètre pourra être déplacé facilement et proposé à des non-experts afin de favoriser l’interdisciplinarité. Un projet de START-UP a été envisagé avec un CEO visant à transformer notre prototype mobile en un instrument commercial. Ce projet est actuellement mis en veille, compte-tenu d’une dernière étude de marché insuffisamment porteuse. Les industriels considèrent à ce jour l’instrument trop performant par rapport aux besoins actuels et eu égard à son coût assez élevé (200 à 300 k€).

Nos travaux actuels visent donc à simplifier le dispositif en se limitant au domaine du proche infrarouge (1064-2000 nm). La conversion dans le moyen infrarouge est très opportune mais complexifie énormément le dispositif. Dans le proche infrarouge le spectromètre peut être plus facilement tout fibré et à maintien de polarisation garantissant une haute stabilité propice au déplacement du dispositif. Le coût de développement pourra être drastiquement réduit (au moins des deux tiers) en employant essentiellement des composants Télécom produits en grande série. Des applications, autres que spectroscopiques, peuvent et doivent être envisagées, nos efforts portent dans cette direction.

Le projet ELECTROCOMB vise à générer des peignes de fréquences flexibles en longueur d'onde dans l'infrarouge moyen comme outil puissant pour la spectroscopie à double peigne (DCS) en s'appuyant sur la génération de peigne par modulation électro-optique d'un laser continu. Cette technique présente de nombreux avantages mais est actuellement essentiellement limitée aux domaines des télécommunications optiques principalement pour des raisons techniques. ELECTROCOMB vise à surmonter ces handicaps. Le projet permettra d'améliorer la compréhension fondamentale du peigne électro-optique afin d’augmenter l’élargissement spectral et de réduire le niveau de bruit plus près des limites fondamentales. Ceci sera combiné avec des approches nouvelles et efficaces pour la conversion de fréquence optique non linéaire dans le domaine de l'infrarouge moyen (3 - 5 µm ). Cela nous permettra de viser des applications centrées sur l'analyse des gaz à des concentrations très faibles.