Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
����������������������������������������� � ���� � ���� � ���� � ���
�������� � �� � � �� ��� ��������� � �� � � �� ��� ��������� � �� � � �� ��� ��������� � �� � � �� ��� �
� � � � �� �� � �� ����� � � ��� ��� � � � �� �� � �� ����� � � ��� ��� � � � �� �� � �� ����� � � ��� ��� � � � �� �� � �� ����� � � ��� �� ����� � � � � �� �� � � � � �� �� � � � � �� �� � � � � �� � ���� ����
����������� �� ���� � ��������
�������������������������������������
� ��������� � �� �������! " ����� �� �# $ %&
lo n g u e u r d 'o n d e
�������'����(����
������������
(����������������
) ������*++�+++,
����������
���� ����������
� � ��� �� �������� � ��� �
� � � �� �� �� � � � �� � � � ��
τ(ν)
τ0
����
��
��������-.��/ ��������������
��
������ �������������������������������0
�� � ��� � �� � � �� � ��� �� �������! � � �� ��
�νννν�����
��������������
∆ν ���� *�1) 23� 4155623�&% �
��
∆ν���7�∆ν ����*�15.8%������������
∆ν������*�15623
νννν
%����������9����������������(� �:
� � � �
��
; � � <
%������������������0
���� '�∆ν���7�∆ν ����=5�1� *>55�α=?&.@7������
�� � ��� � �� � � �� � ��� ��� � �
Cavity Enhanced?
�������� � �� � � �"�� � �� �� ��� ��#
�������� � �� � � �"�� � �� �� ��� ��#
after averaging >10s !
�� � � �$ � � � � ��� �� % � � � � �� � ��� &% &�
������������������ ��∆ν∆ν∆ν∆ν�������� ��
����� ��
!�A
�" !
��
#�� ���#�� $ ����%���##� &�#��
����'
&��� # ����
∆∆∆∆A�∝∝∝∝ ∆ν∆ν∆ν∆ν
∆∆∆∆�
B� �
��������! � � �� �� ����� � � � �� �� � �
$ ��B� �
�����(�������������
%������������������
C�15�D
�� ��
����
�����
�����������������
E
������������
ν
����
��6��-����-�
F ����B� �
� % ��� � � �'�� � � � ����( � � �� ��( � �
� � � � � � ( �
A��������
�������/ �
�
%������E�����������
�����;��<
�������*�85555
� ) � � ) * + ) � + ) *�
+
�
,
�
*
�
1�������7������=G���-������������(������������ ��D
�� ������/ ��������� ;��.1<�
����
������
�;15
.H7�
�<�
F ������������������������
∆α���*�?C15.157��
# ����������������'�155�������I �15�23
5 � 5 5 � ? 1 � 5 1 � ? 8 � 5- �
�
�
�
�
(
+ �
+ �
+ �
�;15
.H
7��<
� � � � � � � � / � � � � � � � � � � ; � �. 1<
� % ��� � � � � � � ��������) �� ��( �� ����
τ��=1J �8?�K�
=1L?55
� ) + � ) � � ) , � ) � � ) *�
*
+ �
+ *
� �
� *
;15
.L
7��<
� ) + � ) � � ) , � ) � � ) *�
*
+ �
+ *
� �
� *
88�15.L7��
5 � 5 5 � ? 1 � 5 1 � ? 8 � 5- �
�
�
�
�
(
+ �
+ �
+ �
�;15
.H
7��<
� � � � � � � � / � � � � � � � � � � ; � �. 1<
1> �15.?7��
�)� +). ,), *)� �). (), +�)�
+ -*
+ -�
+ -,
�)�+
�)+
+
5�5 5�? 1�5 1�? 8�5
5
8
@
H
L
15
18
1@
1H
1L
�%��
��#��
�/+�
-�01
�2
����#�3��4�3� &�%���/1�-+2 ;2 <��� M ���
#����/�� )2
/���
2
��������������=�5�1����
?���� 2
*% �� � �� � �� �
28B
I 1>18���
� % ��� � � ��� � �� � � �
(Patent pending)
F ��-���' *15�-�(��������������� ������ ��/ �������������-�����9���������� � ���� ����-���������������������� �3��:�
*15�-�(������������ ��%���� ����-���/ ������� �
& �������������������'�M�?5F ���������-�
��������123������������
�����;���<��;��<�
5 �� >55� 1?L5��
5 � >55� 1?HH�
���� >55� 1?+5�
��� 1� 1HH5�
6 �,� 1� 1?>5�
��� 1� 1J@8�
��� 5�?� 1>18�
�
N2AE�# $ O �����������1.8�K�����-��'
9�����.E�������� ����������������������D�:
� % ��� � � �'��� � �� � �� �� �( ���
06/11/200307/11/2003
08/11/200309/11/2003
10/11/200311/11/2003
12/11/200313/11/2003
14/11/200315/11/2003
16/11/200317/11/2003
-40
-20
0
20
40
1800
1900
2000
2100
2200
2300
2400
Dev
iatio
n (p
pb)
ppb
CH
4
Chromatograph LSCE (5 min/sample, calibration every 30')
LSP OF-CEAS detector(5 sec/sample, calibration one time)
�*+ � � �� � �� �'� ��� �( �� � �� �( �� � &, , �� ��� �� ( � ���� �� ��� ���� �� �� ���� � �� � � ( �� ��� �
+/- 20ppb(+/- 1%)
%� ����������) ��������� ����������������������������% ����������� P&�������������9��� �� �����:�
- � � � � � � ��� ( � �� $ �� ( � �� � � ��� ���. � � � �� �/ �'�
*0� ��� � � � ����� � ��� ��*+ � � � �����
A���-��������(��/ � B .%&# ��������������� %.L������������ ���6��E������ ('�F ������������������������������� ������� ������ �-������6��������'����������Q� �(���������'���������������� �������������
%� ����������2�.� ��� ��� ���$ # �# .# ) &��9� �# :& �������� �%AB�� �����" �����-���9E���$ ����� ����:
� �( � � � � ��� ���*+ �� ��� ���. � � � �� �/
16:40 16:50 17:00 17:100.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
CH
4 co
ncen
tratio
n (p
pm)
time
10ppb noise level2s averaging
% $ ( �� � � � � � �
F ��������-������(����(������� " ���(�����
/ ����������������������-������������
�����(����� ���(���������� �/ �����
������ ������ ������� ���� ���'
$ 2>�M�5�?����
%2@�*�H5����
%B���*�8�?����
, 1 2 ��� � �� � �$ � ��+� ( ��� �� � �
4295 4296 4297 4298 4299 4300 4301 4302
02468
10
Abs
orpt
ion
(10-6
cm-1)
Frequency (cm-1)
Experimental
02468
10
�
Hitr
an 2
004
Sim
ulat
ion
CH4 : 60.2 ppm
0.00.20.40.60.81.0
x10
x10
H2O : 8500 ppm
0.00.20.40.60.81.0
CO : 2.1 ppm
T=288K, P=100 mBar
� � � ����� � � � � ��. �� � �� 3��� ���
2.36 DFB by CEM2 (Montpellier) & Nanoplus
Col de porte 2005
Cavity ring-down and
Cavity Enhanced with
Diode lasers ( and optical-feedback… )
����������� �� ���� � ��������
�������������������������������������
� ��������� � �� �������! " ����� �� �# $ %&
Col de porte 2005
Distributed Feed-Back (DFB) diode lasers
Sources Télécoms :
• Compactes et robustes
• Fonctionnent à la température ambiante
• Balayage CW (~ 10 mW)• Monomode sur ~ 5 nm, ∆ν = 1 MHz• λ : 1.3… ou 1.48 - 1.65µm
Détection :• Photodiodes performantes à l’ambiante…• Encombrement réduit
1-2 µm � prix élevé
>2 µm � technologie (GaSb) en développement
Col de porte 2005
Loi de Beer-Lambert
'��� (�'�� )*+ α �,
' �-���������������∆' )�����,�.��������/�������� !
�out = �in e - α L
αL << 1
∆�/� = (�out – �in )/ �in = - α L
�in
Seuil de détection
Col de porte 2005
*00�1�� �����������/���
�����*00�1������������ ����2
Augmenter le trajet
�
%���������������
&����� ������
$ ���
3 3
4������������������ �
�
%� � ���� �������/�
&�����
������
������
�
�������
����
R = 1-T- pertes ~ 99,999%
Col de porte 2005
Que faire avec la cavité ?
Transmission (Cavity Enhanced)
�out / � in = f (ν)
Résonance (Cavity Ring-Down)
Temps de vie des photons τ = f (ν)
Col de porte 2005
Cavity Ring Down
Col de porte 2005
Cavity Ring Down
����� ������
3
�����
'�������
3
������� � �� �
Col de porte 2005
Cavity Ring Down
������
3
�����
'�������
3
������� � �� � � ��
�� �� �� ���)*�5 600�7�,
Col de porte 2005
Cavity Ring Down
����� ������
33
τ �����
'�������� + 5 ����
τ0
+ ��������/�8
���������������������
Col de porte 2005
Cavity Ring Down
����� ������
33
Spectre
Ring down
Balayage duspectre
variations duRing down
Col de porte 2005
Montage pour CRDS
��������������������������������������������
photodiode
Isolateuroptique
Diode laser
Coupleur
Cavité optique
ModulateurAO
�����9 $ ������9
+:0 0 :0 *00
seuil
ν=f(T,I)
Col de porte 2005
CW CRDS : Spectre de l’eau
���
���������
���
���������
�� ������������
������
������������������������ �
�
�
�������!����������
�"��#�$� ������$�$� ��������
%$�� �����
���
���������
�
�������������������������
� �& � �����
���������
�'����������� �
�
(����)
�����*
��+��,�� ����
�����-
&����-
�����-
.���
����
�����
Col de porte 2005
CW-CRDS : (02 )2 en jet supersonique en fente
�()�& �()�� �()�) �()�� �()��
�&
/������01� 0���������
2�"��#�$� �����)��!���
�
(
�� �� �& �&�)�����������
�������3�� �� �&�)
�
#����������)�*0+;� <��
�,
������������������� � ���� ���)6004= 8� ���> ����,
������������������� � ���� ���)6004= 8� ���> ����,
Diode ECDL, concaténation de 8 scans
Col de porte 2005
Spectroscopie CRDS très rapideavec une ECDL (~680 nm)
Col de porte 2005
I. Debecker, A. Mohammed, ONERA (Palaiseau) article soumis
Spectroscopie CRDS très rapideavec une ECDL (~680 nm)
O2 lineO2 line
Col de porte 2005
I. Debecker, A. Mohammed, ONERA (Palaiseau) article soumis
Spectroscopie CRDS très rapideavec une ECDL (~680 nm)
O2 lineO2 line
Col de porte 2005
Cavity Enhanced
Col de porte 2005
Cavité résonante
La longueur de la cavité doit être un multiple de la demie longueur d’onde
Col de porte 2005
Modes de cavité
Fréquence
Inte
nsité
L
f 2f 3f
FSR
Le peigne de mode évolue avec la longueur de cavité
FSR=c/2L
Col de porte 2005
Injection de lumière
Seules les fréquences de résonance optique sont transmises
Lumière blanche
Fréquence Fréquence
Lumière « grise »Cavitérésonante
Col de porte 2005
Mesures quantitatives
Le trajet des photons est multiplié par 2� /ππππ
LASER
� �
�� −=
�
π
Leff=2Lx / π
Cavité résonante
> 10000 !in
tens
ité
fréquence
L
Col de porte 2005
Mesures quantitatives
Attention, les profils de raie ne suivent pas la loi de Beer-Lambert !
���
��� ����
�
��� να−−
= 4��
� ��α
�� =�
LASER
� �
inte
nsité
fréquence
L
Col de porte 2005
Résumé
miroirsR~99.999%
���� ����������
Echantillon gazeux
Un même système pour deux types de mesures
Col de porte 2005
Résumé
Enregistrement d’un spectre « cavity enhanced »
inte
nsité
fréquence
miroirsR~99.999%
���� ����������
Echantillon gazeux
CEAS
Col de porte 2005
Résumé
Enregistrement en « cavity ring-down »
inte
nsité
fréquence
miroirsR~99.999%
���� ����������
Echantillon gazeux
�� �
τ beaucoup de pertes
temps
τ peu de pertes
temps
Col de porte 2005
Pourquoi moduler la cavité?in
tens
ité
fréquence
~100 MHz
qq kHz
1 MHz
Le largeur du laser est 100 fois plus petite que le FSRIl faut provoquer le passage en résonance
Rappel : FSR=c/2LRappel : FSR=c/2L
Col de porte 2005
Pourquoi moduler la cavité?
fréquence
Les modes optiques sont les 106èmes modes de résonanceChanger la longueur de la cavité revient en pratique à déplacer les modes
Rappel : FSR=c/2LRappel : FSR=c/2L
Col de porte 2005
En bref
Laser monochromatique :- Tout est simple !- On module la cavité
Laser réel :- jitter, bruit de phase- la CEAS est bruitée- les signaux CRDS sont faibles