Il y a quelques années, le professeur Birgitta Bernhardt et son groupe de l'Institut de physique expérimentale de l'Université de technologie de Graz (TU Graz), en Autriche, ont conçu le premier spectromètre UV à double-peigne à large bande au monde pour détecter et mesurer les polluants atmosphériques (gaz) en temps réel. Et maintenant, ils ont créé une version mobile compacte (voir vidéo)-encore plus sensible et précise-pour capturer les empreintes moléculaires des polluants atmosphériques à haute résolution spectrale (1 GHz), à large bande passante (12 THz) et en moins-seconde d'acquisition dans un rayon de 2,5 kilomètres (1,55 miles).
La spectroscopie à double-peigne combine une résolution spectrale élevée, une large couverture spectrale et des temps d'acquisition courts. Bien que l'approche soit connue pour ses atouts dans la région spectrale infrarouge (IR), la région spectrale UV reste quelque peu sous-explorée en raison du manque de sources en peigne de fréquence directe.
Mais la région spectrale UV "est extrêmement importante, et notre appareil vous permet non seulement d'accéder aux informations de rotation et de vibration des échantillons moléculaires, mais également d'exciter les transitions électroniques", explique Bernhardt. "Ce sont les déclencheurs de diverses réactions photochimiques très pertinentes pour la photochimie de notre atmosphère."
Deux peignes de fréquence laser
La spectroscopie à double-peigne combine deux peignes de fréquence laser avec des taux de répétition légèrement différents, et lorsque ces trains d'impulsions interfèrent vers le bas,-convertit efficacement les hautes fréquences optiques dans le domaine des radiofréquences directement accessible.
"Nous pouvons également mesurer les propriétés optiques-absorption ou dispersion-des échantillons examinés via une simple photodiode", explique Bernhardt. "Cette technique est maintenant exploitée dans la région UV en triplant la fréquence de sortie IR d'un laser à peigne compact à une seule -cavité double-."
Grâce au principe du double-peigne, leur spectromètre atteint des pouvoirs de résolution d'un million en moins de-secondes de mesure. "C'est une combinaison unique que vous ne pouvez pas atteindre avec les spectromètres à réseau ou les monochromateurs conventionnels", explique Bernhardt.
Main benefits of the group's design changes? Broad spectral coverage of >10 THz, temps d'acquisition courts (une demi-seconde), pouvoir de résolution élevé de 1 000 000, haute sensibilité (sections efficaces d'absorption aussi faibles que 10-22cm2/molecule) et une haute précision-le tout dans la région spectrale UV sous-explorée.
"Notre configuration est mobile et ne nécessite aucun équipement de stabilisation électronique compliqué", souligne Bernhardt. "Notre projet précédent incluait un rack électronique supplémentaire. En le simplifiant, le spectromètre est en passe de devenir convivial-et pas seulement par les experts en spectroscopie."
Précision sans précédent du spectromètre UV à double-peigne
Le spectromètre UV mobile à double-peigne du groupe a permis aux chercheurs de mesurer avec précision les modèles d'absorption de la lumière UV du formaldéhyde (un polluant atmosphérique et un composé organique volatil). Ces mesures étaient si précises que "nous avons détecté une multitude de résonances de formaldéhyde jamais observées expérimentalement auparavant", explique Bernhardt. "C'était un grand moment !"
En fait, leurs mesures ont révélé que les constantes de rotation du formaldéhyde contenues dans les manuels de physique depuis les années 1960 sont inexactes. En collaboration avec la division Atomique et Physique Moléculaire du Centre d'Astrophysique de Harvard & Smithsonian aux États-Unis, Bernhardt et son groupe ont corrigé les valeurs de ce paramètre spécifique à la molécule fondamentale-jusqu'à 15 %.
Le professeur Rolf Breinbauer et son groupe de l'Institut de chimie organique de la TU Graz ont contribué à ces travaux en fournissant du formaldéhyde de haute-pureté.
Crédit : Wolf/TU Graz
Les chercheurs du laboratoire équipé du spectromètre UV mobile à double-peigne-(de gauche à droite) Rolf Breinbauer, Birgitta Bernhardt, Clemens Hoffman et Mithun Pal.
Ensuite : Encore plus compact et stable ?
Partout où les signatures spectrales peuvent présenter un intérêt, il existe des applications pour un spectromètre UV mobile à double-peigne. Il peut être utilisé pour la spectroscopie fondamentale (pour explorer les propriétés optiques fondamentales de toute espèce), les mesures de la qualité de l'air (chimie atmosphérique des polluants), la biodétection et même pour l'analyse médicale de l'haleine.
De toute évidence, l’amélioration de la précision des mesures de la qualité de l’air se distingue par son potentiel à aider à démystifier la pollution atmosphérique et son impact sur la Terre.
"Notre spectromètre est toujours en fonctionnement dans mon groupe Coherent Sensing à la TU Graz", explique Bernhardt. "Comme il existe de nombreuses espèces à étudier, nous étudions des moyens de rendre l'instrument encore plus compact pour pouvoir effectuer des campagnes de mesure de la qualité de l'air sur le terrain."
