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HORUS

Horloge Optique comme Référence Ultrastable pour la Spectroscopie

2025-02-19

 Contexte

Le Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE) développe depuis plus de dix ans des techniques instrumentales innovantes dédiées à l'analyse isotopique d'échantillons géologiques (carbonates marins, calottes de glace, spéléothèmes...) qui permettent d'éclairer l'histoire géologique, climatique, environnementale et biogéochimique de notre planète. En collaboration avec le Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (LIPhy, Grenoble), nous avons perfectionné diverses techniques relevant de la spectroscopie d'absorption moléculaire dans l'infra-rouge proche (1.4 à 1.6 μm), ouvrant la voie à des instruments uniques au monde, capables par exemple de mesurer avec une précision inégalée les anomalies d'oxygène-17 (Δ17O) dans la vapeur d'eau de l'atmosphère Antarctique (sur le terrain) et dans le CO2 ou les minéraux carbonatés (en laboratoire). Ces réalisations passées reposent sur des équipements de pointe comme des cavités optiques ultra- stables ("V-Cavity Optical Feedback") reposant sur un savoir-faire spécifique. Cependant chacune de ces cavités est assez chère (80 k€) et ne donne accès qu'à une gamme limitée de longueurs d'onde.

 Projet HORUS

Dans ce contexte, nous proposons de remplacer, pour les mesures en laboratoires, le module VCOF par un autre type de dispositif permettant de stabiliser les sources laser que nous utilisons en les asservissant non pas à une VCOF mais à l'une des "dents" (Dirac de fréquence) d'un peigne optique lui-même référencé à un standard de fréquence parfaitement connu (REFIMEVE), issu d'une horloge optique située au laboratoire SYRTE (Systèmes de Référence Temps-Espace, à Paris), et distribué par fibre optique dans toute la France. La technique sur laquelle repose notre projet est déjà connue [Fleurbaey et al., 2023]. Notre objectif est de reproduire ce dispositif pour le combiner aux équipements déjà existants au LSCE (connexion à REFIMEVE, peigne de fréquence 8 canaux, cavités d'analyse CRDS optimisées pour la mesure des isotopologues du CO2), et ainsi disposer d'une nouvelle technique spectroscopique unique au monde, applicable à faible coût à une large gamme de longueurs d'onde (de 600 nm à 2.2 μm) et de molécules d'intérêt (bio)géochimique (CO2, H2O, CH4, H2, H2S...).

Le financement demandé correspond à l'achat du matériel pour construire un instrument OCR-CRDS (Optical-Clock Referenced Cavity Ring-Down Spectroscopy) dédié à l'isotopie du CO2. Il permettra de cibler une zone spectrale (2 μm) cent fois plus absorbante que celle accessible actuellement par VCOF-CRDS, et ainsi de mesurer simultanément δ13C + δ18O + Δ17O + Δ47 + Δ48. Par la suite (non inclus dans le financement demandé ici), le dispositif pourra être étendu pour accéder à une très large gamme de longueurs d'onde (0.6 à 2.2 μm), permettant ainsi de cibler d'autres molécules que le CO2. Chaque extension de ce type ne demandera que ~15 k€ par nouvelle région spectrale, ouvrant sur des applications couvrant un très large spectre de thématiques relevant du DIM PAMIR.

Politique d'accès à l'équipement

Ce nouvel instrument OCR-CRDS sera ouvert de manière transparente à la communauté nationale et internationale via son intégration à la plateforme analytique PANOPLY et à RéGEF.

Contact

N'hésitez pas à contacter Mathieu Daëron (daeron@lsce.ipsl.fr) ou Justin Chaillot (justin.chaillot@lsce.ipsl.fr). Nous sommes tout particulièrement ouverts aux perspective d'extension du système à d'autres molécules que le CO2.