Pages
élaborées par N. Picqué
(Mise
à jour: 14/8/2007)
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Instrumentation
laser et interférométrique pour la spectroscopie
Recherche:
Interférométrie de Fourier
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| 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
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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.
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Pour plus de détails:
Interférométrie
de Fourier:
L'interféromètre
Résolution
temporelle
Détections
sélectives
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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)
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