Cavités de haute finesse pour la spectroscopie d'absorption haute sensibilité et haute précision : Application à l'étude de molécules d'intérêt atmosphérique.
High finesse cavities are used to measure very weak absorption features. Two different methodologies are investigated and applied to the study of molecules with atmospheric interest.First, Continuous Wave - Cavity Ring Down Spectroscopy (CW-CRDS) is used to study the atmospheric spectra of water vapour in the near infrared range. These measurements are performed for temperature and pressure of atmospheric relevance for DIAL applications (Differential Absorption Lidar). This study, financed by the European Space Agency (ESA), goes with the WALES mission (Water Vapour Lidar Experiment in Space). The experimental setup was conceived in order to control pressure, temperature and relative humidity conditions. A particular attention is done to characterize and describe the spectrometer.Then, measurements of red Oxygen B band are performed to demonstrate the huge performance of Optical Feedback Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy (OF-CEAS). The desired optical feedback is obtained by light injection into the high finesse cavity through a glass plate placed inside the cavity and closed to the Brewster angle. We show a measurement dynamical range of 5 orders of magnitude (1e-5 to 1e-10 /cm) and a sensitivity of 1e-10 /cm/Hz^(1/2). Also, sampling absorption spectra by the super linear cavity frequency comb allows very precise frequency measurements. This is demonstrated by the determination of Oxygen pressure shifts with an absolute accuracy of around 5*1e-5 cm^(-1)/atm. To our knowledge, we provide the highest accuracy ever reported for this spectroscopic parameter.La haute sensibilité permise par l'emploi des cavités optiques est exploitée pour caractériser la signature spectrale de molécules d'intérêt atmosphérique. Deux méthodologies différentes sont abordées.Tout d'abord, la technique CW-CRDS (Continuous Wave – Cavity Ring Down Spectroscopie) est utilisée pour étudier l'évolution avec la pression et la température des spectres atmosphériques de la vapeur d'eau dans le proche infrarouge. Cette étude, destinée à calibrer des mesures d'absorption différentielle par Lidar, entre dans le cadre de la mission WALES (Water Vapour Lidar Experiment in Space) proposée par l'Agence Spatiale Européenne. Une attention particulière est portée pour décrire et caractériser le système expérimental.Ensuite, la technique OF-CEAS (Optical Feedback Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy) et ses performances pour la spectroscopie sont mises en évidence avec l'étude de la bande B de l'oxygène dans le rouge. Cette technique repose sur un schéma d'injection avec rétroaction optique (de la cavité vers le laser) qui permet d'augmenter la cohérence de son émission pour mesurer les maxima de transmission des modes même avec des cavités de haute finesse. Une configuration nouvelle permettant ces effets est proposée (la cavité Brewster). Une gamme dynamique sur la mesure d'absorption d'environ cinq ordres de grandeurs est démontrée (1e-5 à 1e-10 /cm) ainsi qu'une sensibilité < 1e-10 /cm/Hz^(1/2). Un schéma d'acquisition mode par mode est employé et permet d'exploiter la linéarité du peigne de mode pour atteindre des hautes précisions sur la fréquence. La pertinence de cette approche est mise en évidence par la mesure de « pressure shifts » de l'oxygène obtenus avec une précision absolue record inférieure à 5*1e-5 cm^(-1)/atm