Laboratoire de
Photophysique Moléculaire


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UPR 3361 CNRS

Pages élaborées  par N. Picqué
(Mise à jour: 14/8/2007)


Instrumentation laser et interférométrique pour la spectroscopie


Recherche:
Interférométrie de Fourier


Spectroscopie par transformation de Fourier

Article de vulgarisation sur la spectroscopie de Fourier paru dans Photoniques 29, 32-35 (2007) (Revue de la Société Française d'Optique): Spectroscopie par transformation de Fourier



La spectroscopie par transformation de Fourier fait partie des avancées majeures en instrumentation scientifique de la seconde moitié du XX siècle. Cette recherche fondamentale de méthodologie instrumentale a été motivée initialement par le besoin d’explorer le domaine infrarouge quasiment en friche. Ce domaine est la zone des transitions optiques intenses qui, observées en émission ou en absorption, permettent de comprendre la matière sous ses formes les plus diverses (atomes, molécules, en phases gaz, liquide, ou solide). Aujourd’hui, cette méthode couvre la totalité de la gamme spectrale s’étendant de l’infrarouge lointain à l’ultraviolet du vide.
    Les progrès spectaculaires apportés par la spectroscopie de Fourier résultent de l’utilisation optimale du temps d’observation et de la lumière disponible, proposées respectivement par le Britannique Peter Fellgett, et le Français Pierre Jacquinot. Ces progrès ont permis de réduire la durée d’une expérience d’un siècle à une heure.
    Sous la direction de Pierre Jacquinot, emmenée par Pierre et Janine Connes, l’équipe française principalement constituée de Hervé Delouis, Guy Guelachvili, Jean-Pierre Maillard, Guy Michel, et Jacques Pinard a exercé essentiellement sa recherche au sein du laboratoire Aimé Cotton du CNRS. Elle y a joué un rôle international de premier plan. Les principes de base exposés dans la thèse de Janine Connes en 1958 sont pleinement mis en œuvre en 1970 par un spectromètre de Fourier construit au laboratoire.
    Les domaines d’application de la spectroscopie de Fourier sont à l’heure actuelle très variés. Les spectromètres, presque toujours sous la forme optique d’un interféromètre de Michelson, équipent aussi bien les laboratoires de recherche fondamentale que les chaînes de production industrielle. On les trouve sous forme de nano objets (MEMS) ou d’appareils longs de 10 mètres. Embarqués sur des satellites, avions, ballons, ou du sol,  ils mesurent les spectres du fond du ciel, du milieu interstellaire, des atmosphères d’étoiles, de l’atmosphère terrestre (trou d’ozone,…), des pollutions diverses par détection de traces. Dans le cadre de la mission Cassini Huygens, des spectromètres de Fourier mesurent actuellement, au terme d’un voyage interplanétaire de 7 années, l’émission infrarouge de Saturne, de ses anneaux et de sa lune Titan.
     Les spectromètres de Fourier sont désormais des produits commerciaux de bonne qualité, proposés par plusieurs compagnies industrielles sous des formes et des performances diverses. Ces produits bénéficient des efforts de recherche instrumentale menés dans les années 80-90 qui ont permis la mise en œuvre de méthodes de spectro-imagerie, de spectroscopie à résolution temporelle, de spectroscopie sélective. Ces méthodes, couplées souvent à des techniques complémentaires, sont mises en application à grande échelle en physique, chimie, biologie, médecine. Les développements actuels de recherche sur l’accroissement de la sensibilité de mesures spectrales permettant la détection d’atome ou de molécule individuels, fondés sur les techniques laser de pointe (peignes de fréquences femtosecondes), utilisent la spectroscopie de Fourier comme pilier essentiel.
    La spectroscopie de Fourier, méthode conceptuellement vieille d’un demi siècle, a nécessité, dans les années 60, plus d’une décade de recherche pour atteindre sa maturité. Elle se trouve au cœur d’un foisonnement d’applications et de projets dont la plupart étaient alors totalement imprévisibles.

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Notre équipe joue un rôle majeur dans le domaine de la méthodologie instrumentale en spectroscopie de Fourier depuis les années 60, d'abord au laboratoire Aimé Cotton, puis au Laboratoire d'Infrarouge, au Laboratoire de Physique Moléculaire et Application et maintenant au Laboratoire de Photophysique Moléculaire. Les avancées ont successivement concerné la réalisation du premier interféromètre de Fourier capable d’enregistrer des spectres à très haute résolution sur un très large domaine spectral , l'étude des divers effets systématiques possibles affectant les mesures par spectroscopie de Fourier, la mesure de la vitesse de la lumière, la comparaison de positions de raies à 30 kHz près (soit 5 10-10 en mesure relative), une limite de résolution instrumentale de 10-3 cm-1 (27 MHz), la mesure d'étalons de nombres d'ondes, la mesure de paramètres spectraux comme l'intensité ou la forme des raies,  l'observation de spectres de molécules instables, la spectroscopie sélective qui ne retient que les transitions de certains types de molécules (ions, molécules paramagnétiques), la spectroscopie résolue en temps, le couplage de sources laser à des interféromètres pour la réalisation de spectres de très haute sensibilité. Les développements en cours incluent de nouvelles méthodes de mesure: elles visent à l'obtention de très hauts rapports signal-sur-bruit par détection hétérodyne.
 


Pour plus de détails:

Interférométrie de Fourier:
               L'interféromètre
               Résolution temporelle
               Détections sélectives

Pour en savoir plus sur cette activité:

Frequency modulation Fourier transform spectroscopy: a broadband method for measuring weak absorptions and dispersions

Julien Mandon, Guy Guelachvili, Nathalie Picqué,
Optics Letters 32, 2206-2208 (2007)

Femtosecond frequency combs : new trends for Fourier transform spectroscopy, 
N. Picqué, G. Guelachvili,
Fourier Transform Spectroscopy/Hyperspectral Imaging and Sounding of the Environment Topical Meetings on CD-ROM
 (The Optical Society of America, Washington, DC, 2005), paper FTuA2
, 3 pages (2005).

High-resolution Fourier transform Spectrometry of Gases
G. Guelachvili and N. Picqué, in Handbook of Vibrational Spectroscopy , J.M. Chalmers and P.R.Griffiths (Eds), John Wiley & Sons, Ltd, Volume 1, 150 – 164, 2002.

Sensitive instrumental developments in high-resolution laser and Fourier transform spectroscopies
N. Picqué, Vibrational Spectroscopy 29, 83-88, 2002.

Time-resolved spectroscopy of stable molecules
G. Guelachvili, Vibrational Spectroscopy 29, 21-26, (2002)

Fast phase-selective detection of transient species with step-scan Fourier transform spectroscopy
Nathalie Picqué, Journal of the Optical Society of America B 19, 1706-1710, 2002.

High information time-resolved Fourier transform spectroscopy at work
N. Picqué, G. Guelachvili, Appl. Opt. 39, 3984-3990, (2000)

High-resolution multimodulation Fourier-transform spectroscopy
Picqué, N., Guelachvili, G.,  Appl. Opt., 38, 1224-1230, (1999)