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Nous avons développé un spectromètre à diode laser robuste et portable, où une cavité optique de haute finesse est excitée à des fréquences bien définies (les résonances). La lumière résonante interagit sur plusieurs milliers de passages avec le gaz circulant dans la cavité avant d'être détectée pour obtenir un spectre d'absorption avec un chemin effectif d'une dizaine de km.
Un effet de rétroaction optique est exploité pour optimiser l'injection de la cavité, résonance après résonance, en succession rapide. L'application à la mesure d'espèces chimiques à l'état de traces est démontrée à travers plusieurs exemples.
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2. Absorption de la lumière
2.1 Absorption : loi de Beer-Lambert
La lumière transmise par un milieu de longueur L et éclairé avec une intensité I0 suit une loi de décroissance exponentielle connue sous le nom de loi de Beer-Lambert :
avec :
-
![]()
: - (exprimé en cm–1) coefficient d'absorption du gaz dépendant directement de la longueur d'onde λ considérée (spectre d'absorption σ(λ)) et de la concentration n de l'espèce moléculaire considérée.
Mesurer une concentration très faible implique donc la mesure sensible de l'absorbance α, mais aussi un choix de longueur d'onde pour laquelle σ(λ) est élevée.
Optimiser le rapport signal à bruit de I et I0 est donc très important, mais il est tout aussi fondamental d'augmenter autant que possible le trajet de la lumière à travers l'échantillon.
Mais, quelle est la meilleure méthode pour augmenter ce trajet ? Réaliser une cellule longue de 50 m, plutôt que de 50 cm, permet, certes, d'améliorer les performances d'un spectromètre optique, mais ne saurait conduire à la réalisation d'un système portable. En revanche, placer deux miroirs à 50 cm l'un de l'autre et injecter le faisceau à travers un trou dans un miroir, de façon à ce qu'il soit réfléchi une centaine de fois avant de ressortir à travers le même, ou un autre trou, est une bonne solution. Ces cellules multipassages sont exploitées dans nombre d'appareils commerciaux compacts.
Le nombre maximum d'allers-retours dans la cellule est toutefois vite limité par le recouvrement des faisceaux réfléchis, qui doivent rester bien distincts spatialement. De plus, ces systèmes souffrent de l'interférence entre le faisceau principal et la lumière diffusée sur les surfaces des miroirs. Cette lumière suit des chemins optiques différents et donc arrive sur le détecteur déphasée par rapport au faisceau principal. Le déphasage dépend de la longueur...
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