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Référence de fréquence pour la détection du CO2

Chercheurs clés:

Afin d’améliorer la compréhension de l’impact du CO2 sur les changements climatiques et d’en améliorer les projections d’évolution, une mission satellite emportant un instrument LIDAR (light detection and ranging, soit un radar optique) à son bord et basée sur la technique IPDA (Integrated Path Differential Absorption) est envisagée. Cette technique consiste à mesurer la concentration de CO2 dans l’atmosphère par absorption de lumière laser émise dans le proche infra-rouge. Cependant, une mesure précise de la quantité de ce gaz à effet de serre impose de sévères exigences techniques sur l’instrument, et plus particulièrement sur la fréquence d’émission du laser sondant le CO2. , et sa stabilité dans le temps.

Dans ce but, le LTF développe un système laser de référence optique pour le CO2, opérant à une longueur d’onde de 1.57 µm correspondant à une raie d’absorption du CO2, et qui est stabilisé en fréquence. L’atome du rubidium (Rb) a été préféré à la molécule de CO2 en tant que référence absolue de fréquence. En effet, les transitions sub-Doppler (~20 MHz, FWHM) à 780 nm du Rb peuvent être résolues par un laser monomode à raie étroite et à faible puissance. Une cellule en verre de deux centimètres de long contenant de la vapeur de Rb est suffisante pour asservir un laser en fréquence, alors que plusieurs mètres de chemin optique sont nécessaires pour les transitions Doppler du CO2 (~400 MHz, FWHM).  La très grande stabilité observée à 780 nm sur une transition du Rb est transférée à 1.57 µm pour le CO2 par des techniques de conversion et modulation de fréquences optiques. Basés sur des composants fibrés, le système présente un faible encombrement.
Ce projet est en collaboration avec le Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) et Kayser-Threde GmbH et est financé par l’Agence spatiale européenne (ESA).

Flyer de la présentation finale
 

Spectre de rubidium à une longueur d’onde de 780.24 nm, utilisé comme référence pour la détection du CO2 à 1572 nm.

Publications clés:

  1. C. Affolderbach, G. Mileti, “A compact laser head with high-frequency stability for Rb atomic clocks and optical instrumentation”, Review of Scientific Instruments, vol. 76, 073108, 2005.
  2. F. Gruet, M. Pellaton, C. Affolderbach, T. Bandi, R. Matthey, G. Mileti, “Compact and frequency stabilized laser heads for Rubidium atomic clocks”, Proceedings of the International Conference on Space Optics (ICSO), Ajaccio, Corsica, 9 – 12 October 2012, paper 0048, 2012.
  3. R. Matthey, F. Gruet, S. Schilt, G. Mileti, “Rb-based Stabilized Laser System as Frequency Reference for CO2 Monitoring”, Proceedings of the European Frequency and Time Forum (EFTF), Neuchâtel, Suisse, 23 – 26 June 2014, to be published, 2014.
  4. A. Fix, R. Matthey, A. Amediek, G. Ehret, F. Gruet, C. Kiemle, V. Klein, G. Mileti, J. Pereira do Carmo, M. Quatrevalet,  PDF Proc. International Conference on Space Optics, Tenerife, (2014)
  5. R. Matthey, F. Gruet, S. Schilt, and G. Mileti, Compact rubidium-stabilized multi-frequency reference source in the 1.55- μ m region , Optics Lett. 40 (11), 2576-2579 (2015) PDF