Conception de détecteurs heterodyne optimisés pour les sources synchrotron – HEROES

Le projet HEROES ambitionne de mettre à disposition de la communauté scientifique nationale et internationale, au sein du synchrotron SOLEIL (ligne AILES), des outils de travail à très haute résolution spectrale, par l'utilisation de techniques hétérodynes dans les gammes du THz (0.1 THz- 1.1 THz) et de l’infrarouge lointain IRL (1-6 THz).

La ligne AILES extrait l’émission synchrotron issue des différents modes d’opération de l’anneau SOLEIL dans une large gamme spectrale qui couvre les fréquences THz et IRL. Cette ligne est dédiée à la spectroscopie d'absorption de nombreux types de matériaux et molécules. Si les techniques infrarouges sont matures, il n'en est pas de même des techniques THz et IRL (8-150 cm-1) et ce malgré d'importants progrès durant la dernière décennie. Les techniques souffrent toutes, soit d'une puissance d'émission limitée, soit d'une résolution spectrale faible, soit d’une couverture spectrale réduite voire des trois pour certaines. La ligne AILES a déployé depuis 10 ans d'importants moyens pour extraire un rayonnement de grande brillance dans le THz. Comme toute les autres lignes de lumière dédiée au THz de part le monde, elle utilise un système de détection basé sur un spectromètre à transformée de Fourier qui par nature présente une résolution spectrale limitée à 30 MHz due à la longueur maximale de la ligne à retard (10 m). Dès son ouverture, la ligne AILES a joué un rôle fédérateur au sein de la communauté scientifique, permettant la création de consortia scientifiques sur des thématiques tant fondamentales que techniques. C'est le cas de ce projet, liant les compétences des laboratoires ISMO (UMR 8214 – U-PSUD), IEMN (UMR 8520 – U-Lille), LPCA (EA 4493- ULCO), la ligne AILES (SOLEIL Saclay) et exploitant d'une part un tout récent brevet de l'IEMN sur le renouveau des lasers moléculaires IRL et d'autre part la mise en évidence de la nature discrète du mode de rayonnement cohérent de la ligne AILES.

Dans une première implémentation, le consortium HEROES propose de mettre à disposition de la communauté scientifique une expérience de détection hétérodyne à très haute résolution du rayonnement synchrotron dans la gamme 1- 6 THz (30-150 cm-1) basée sur l’utilisation d’un mélangeur HEB et d’une nouvelle source laser THz en tant qu’oscillateur local. Cette source repose sur les toutes dernières avancées de l'IEMN concernant le développement des lasers THz à gaz pompés par laser à cascade quantique infrarouge. Cette approche a fait récemment l’objet d'un dépôt de brevet. L’accordabilité du laser à cascade quantique donne accès à une couverture spectrale exceptionnelle et révolutionne ainsi les possibilités des lasers à gaz THz qui étaient jusqu’ici pompés par des lasers CO2. La précision de fréquence sera intrinsèquement bonne (<1 MHz) et pourra ensuite être encore grandement améliorée. Cette approche, unique au monde, ouvrira des perspectives immenses pour la spectroscopie moléculaire dans l’IRL.

La deuxième implémentation est issue du travail du consortium HEROES sur le mode de stockage CSR (Coherent Synchrotron Radiation). Il a permis de montrer que le rayonnement THz émis, en plus d’être très intense présente un spectre composé d'un peigne de fréquences espacé de 846 kHz. Nous proposons de mettre en place un système de détection par double peignes de fréquences. Il s'agit de sonder l’émission CSR par un 2ième peigne de fréquences dont le taux de répétition est proche de celle du synchrotron. On effectue alors une translation du peigne THz vers les radiofréquences pour lesquelles les techniques d'analyses existent. On disposera d'un spectromètre alliant la brillance du CSR, la couverture spectrale du rayonnement synchrotron, la très haute résolution spectrale (de l'ordre de 846 kHz) et une très grande vitesse d’analyse de la technologie « dual-comb » qui a révolutionné la spectroscopie moléculaire dans les gammes spectrales du visible et de l’infrarouge proche.