Spectroscopie adaptative à deux peignes de fréquences

La spectroscopie par transformation de Fourier par peignes de fréquences femtosecondes tire parti d un interféromètre sans partie mobile. Il mesure les interférences entre deux peignes de fréquences, sources lasers à large bande spectrale constituée de raies fines et équidistantes. Il améliore significativement le temps de mesure et la limite de résolution spectrale des spectromètres de Fourier. Néanmoins, les conditions sur la stabilité à court terme des peignes ne peuvent pas être remplies par les techniques d asservissement classique. Jusqu à présent, aucun spectre de qualité n a pu être mesuré avec un très faible temps d acquisition. Cette thèse présente le développement d une méthode de correction en temps réel capable de compenser les fluctuations résiduelles des peignes et de restituer des spectres sans artefacts. La méthode, analogique, ne nécessite aucun asservissement ou traitement informatique a posteriori. Ses performances sont démontrées dans le proche infrarouge (1,5 m) et le visible (520 nm), à l aide d oscillateurs femtosecondes fibrés. Des spectres moléculaires couvrant 12 THz sont mesurés en 500 s à limite de résolution Doppler. Ils sont en excellent accord avec les données de la littérature. Pour la première fois, le plein potentiel de la spectroscopie de Fourier par peignes de fréquences est démontré. Le domaine de l infrarouge moyen est la région de prédilection de la spectroscopie moléculaire car la plupart des molécules y présentent des absorptions fortes et caractéristiques. Étendre la spectroscopie par peignes de fréquences à cette région est donc l objectif suivant à atteindre. Dans cette optique, un peigne émettant autour de 3 m est caractérisé. Il est basé sur la conversion non-linéaire par différence de fréquences d un oscillateur à erbium élargi spectralement par une fibre fortement non-linéaire.Dual-comb Fourier-transform spectroscopy takes advantage of an interferometer without moving parts. Interferences pattern between two femtosecond frequency combs, broadband laser sources whose spectra consist of evenly-spaced narrow lines, is measured. The measurement time and the spectral resolution are significantly improved compared to traditional Fourier spectrometers. However, the required short-term stability of the combs cannot be achieved by classic locking methods. Until now, no high-quality spectra could be recorded within a very short acquisition time. This thesis reports on the development of a real-time correction method able to compensate for the combs residual fluctuations and to restore non-distorted spectra. This analog technique does not require any locking system or a posteriori calculation. Its performance is demonstrated in the near-infrared (1.5 m) and in the visible (520 nm) with fiber-based femtosecond lasers. Doppler-limited molecular spectra spanning 12 THz are measured within 500 s. They are in excellent agreement with databases. For the first time, the full potential of dual-comb spectroscopy is demonstrated. The mid-infrared region is an attractive spectral range for molecular spectroscopy due to the molecules strong and characteristic absorptions. Therefore, extending dual-comb spectroscopy to this region is the next goal to achieve. Toward this goal, a comb emitting around 3 m is characterized. It is based on the non-linear difference frequency generation from an erbium oscillator spectrally broadened with a highly non-linear fiber.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Low-repetition-rate Integrated Electro-optic Frequency Comb Sources

We demonstrate a low-repetition-rate lithium niobate based electro-optic (EO) frequency comb operating with 3.481 GHz line spacing, by integrating a cavity-based EO comb source with traveling-wave phase-modulators on the same chip

A phase-stable dual-comb interferometer

Laser frequency combs emit a spectrum with hundreds of thousands of evenly spaced phase-coherent narrow lines. A comb-enabled instrument, the dual-comb interferometer, exploits interference between two frequency combs and attracts considerable interest in precision spectroscopy and sensing, distance metrology, tomography, telecommunications, etc. Mutual coherence between the two combs over the measurement time is a pre-requisite to interferometry, although it is instrumentally challenging. At best, the mutual coherence reaches about 1 s. Computer-based phase-correction techniques, which often lead to artifacts and worsened precision, must be implemented for longer averaging times. Here with feed-forward relative stabilization of the carrier-envelope offset frequencies, we experimentally realize a mutual coherence over times approaching 2000 s, more than three orders of magnitude longer than that of state-of-the-art dual-comb systems. An illustration is given with near-infrared Fourier transform molecular spectroscopy with two combs of slightly different repetition frequencies. Our technique without phase correction can be implemented with any frequency comb generator including microresonators or semiconductor lasers

Silicon-chip-based mid-infrared dual-comb spectroscopy

The development of a spectroscopy device on a chip that could realize real-time fingerprinting with label-free and high-throughput detection of trace molecules represents one of the big challenges in sensing. Dual-comb spectroscopy (DCS) in the mid-infrared is a powerful technique offering high acquisition rates and signal-to-noise ratios through use of only a single detector with no moving parts. Here, we present a nanophotonic silicon-oninsulator platform designed for mid-infrared (mid-IR) DCS. A single continuous-wave low-power pump source generates two mutually coherent mode-locked frequency combs spanning from 2.6 to 4.1 mu m in two silicon microresonators. A proof-of-principle experiment of vibrational absorption DCS in the liquid phase is achieved acquiring spectra of acetone spanning from 2900 to 3100 nm at 127-GHz (4.2-cm(-1)) resolution. These results represent a significant step towards a broadband, mid-IR spectroscopy instrument on a chip for liquid/condensed matter phase studies

Spectroscopie d absorption ultrasensible dans l infrarouge des molécules d intérêt astrophysique N2 et C2H2

Cette thèse concerne le développement et l exploitation d une nouvelle méthode de spectroscopie infrarouge ultrasensible en phase gazeuse basée sur le couplage de la spectroscopie de Fourier résolue en temps (SFRT) et de la spectroscopie d absorption intracavité laser (ICLAS). Ce couplage permet d'associer les avantages de ces deux techniques: grande sensibilité, limite de résolution Doppler et domaine spectral étendu. Une expérience ICLAS-SFRT basée sur un laser à solide Cr4+:YAG a été mise en place. En accordant l émission de ce laser, il est possible de la placer à l intérieur d une fenêtre atmosphérique où l absorption de l eau dans l air ambiant est moins importante. À ce jour, l accordabilité a été obtenue sous vide entre 1,442 et 1,557 m. L azote et l acétylène sont des molécules d intérêt astrophysique puisqu elles font partie de l atmosphère de nombreuses planètes et satellites. Une expérience ICLAS-SFRT basée sur un laser à semi-conducteur à émission par la surface de type VCSEL a permis d enregistrer entre 1,028 et 1,054 m des spectres d un plasma d azote. Des raies de la bande (0 0) du système B 3 g A 3 u+ de l isotopologue 14N15N ont pu être rapportées pour la première fois, ainsi que des raies des bandes (4-5) et (5-6) du système B 3 g A 3 u+ et (2-0) du système B' 3 u- B 3 g de l isotopologue 14N2. Ensuite, une expérience ICLAS-SFRT basée sur un laser à solide Cr2+:ZnSe a permis l enregistrement de spectres d acétylène entre 2,424 et 2,561 m. Ceci représente l extrême limite atteinte par ICLAS vers l infrarouge. De plus, deux bandes froides 1 + 41 et 3 + 51 de l isotopologue 12C13CH2 ont été attribuées pour la première fois.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Interférométrie avec des lasers femtosecondes infrarouges

En plus de 40 ans d existence, la spectroscopie de Fourier, basée sur l interféromètre de Michelson,a permis des progrès considérables dans notre connaissance de la structure des atomes et des molécules s imposant peu à peu comme un outil de base pour le diagnostic optique. Aujourd hui, dépasser ses performances en terme de limite de résolution, rapidité, sensibilité et exactitude permettrait de répondre à de nouveaux enjeux. Cette thèse porte sur le développement expérimental de la spectroscopie de Fourier par peignes de fréquences femtosecondes. Deux peignes de fréquences, lasers composés de centaines de milliers de raies fines dont la position est parfaitement contrôlée, sondent l échantillon et la transformation de Fourier de leurs interférences temporelles fournit le spectre. Trois dispositifs basés sur des lasers femtosecondes à fibres dopées (à 1 m et 1.5 m) ou à solides (à 2.4 m) illustrent les performances de la méthode. Par comparaison à la spectroscopie de Fourier traditionnelle, les temps de mesure ont été réduits de la seconde à la microseconde, pour des spectres de molécules en phase gazeuse couvrant une centaine de nanomètres à des limites de résolution du GHz. La sensibilité atteint celle des spectromètres par laser accordable les plus performants grâce à des méthodes de détection différentielle ou d utilisation de cavités multipassages ou résonnantes. Augmenter le temps de mesure et résoudre les raies individuelles du peigne permet une spectroscopie de précision à large bande spectrale, car la fréquence absolue de chaque raie de peigne peut être connue avec l exactitude d une horloge atomique.For four decades, Fourier transform spectroscopy has greatly improved our atomes and molecules structures knowledges, and thus became a widely used tool for optical diagnosis. However, today it is useful to overcome some of its limitations in order to address new challenges. This thesis is about experimental developpement concerning frequency comb fourier transform spectroscopy. Two frequency combs, made of thousands of very narrow frequency lines perfectly known and controlled, are probing an absorbing sample. The fourier transform of their temporal interference pattern provides the optical spectrum. Three devices based on fiber doped lasers (emitting at 1 m and 1.5 m) and solid lasers (at 2.4 m) are used to demonstrate the method advantages. Compared to traditional Fourier transform spectroscopy the recording time has shrunk by one million for the acquisition of spectra spreading on a hundred of nanometers at GHz resolution. Using multipass cells of differential detection devices, the sensitivity reached is comparable to that provided by the most efficient laser based methods. Increasing the resolution allows for clear observation of the comb individual tooth which position can be measured with the accuracy of an atomic clock, providing thus a simple and accurate method for auto calibrated spectra.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Logiciel PreMatuBay (Prédiction de la Maturation des baies de raisin par réseau Bayésien dynamique)

PreMatuBay, un outil innovant pour prédire la maturité des baies de raisin. L’évolution de la composition des baies de raisin au cours de la maturation est un facteur déterminant pour le choix de la date de récolte et des itinéraires technologiques. Un réseau bayésien dynamique couplé à un système expert flou intégrant des données d’expertise et météorologiques (température, ensoleillement, hygrométrie, pluviométrie) a permis de modéliser l’évolution de trois paramètres représentatifs de la maturité des baies (acidité totale, concentrations en sucre et en anthocyanes). Ce réseau a été validé sur trois millésimes. Un logiciel a été développé pour sa mise en oeuvre auprès des professionnels. Il gère l’acquisition des données météorologiques et calcule les valeurs des variables de maturation à un horizon de 7 à 10 jours sur la base des prévisions météorologiques. Il peut être consulté par les viticulteurs pour suivre et anticiper la maturation des baies sur leurs parcelles à l’aide d’une interface web conviviale. La qualité des estimations pourra être améliorée en intégrant d’autres millésimes. Il est également envisagé d’adapter le modèle à la détermination d’autres variables de maturation, à d’autres cépages et dans d’autres régions viticoles

Dual-comb hyperspectral digital holography

Holography(1) has always held special appeal as it is able to record and display spatial information in three dimensions(2-10). Here we show how to augment the capabilities of digital holography(11,12) by using a large number of narrow laser lines at precisely defined optical frequencies simultaneously. Using an interferometer based on two frequency combs(13-15) of slightly different repetition frequencies and a lensless camera sensor, we record time-varying spatial interference patterns that generate spectral hypercubes of complex holograms, revealing the amplitudes and phases of scattered wave-fields for each comb line frequency. Advancing beyond multicolour holography and low-coherence holography (including with a frequency comb(16)), the synergy of broad spectral bandwidth and high temporal coherence in dual-comb holography opens up novel optical diagnostics, such as precise dimensional metrology over large distances without interferometric phase ambiguity, or hyperspectral three-dimensional imaging with high spectral resolving power, as we demonstrate with molecule-selective imaging of an absorbing gas