CNRS - GdR SpecMo n°3152 - Spectroscopie Moléculaire

Développements instrumentaux en spectroscopie

La spectroscopie moléculaire est un domaine de recherche où l’innovation instrumentale, telle que le développement de nouvelles sources de lumière et de molécules ou de nouvelles méthodes de détection, joue un rôle clé. Comme dans de nombreux autres secteurs de recherche, la recherche instrumentale en spectroscopie est une condition sine qua none à l’approche de problèmes nouveaux, telles l’étude de molécules aux spectres encore inconnus ou l’observation d’interactions faibles.

L’ensemble des instruments et des compétences instrumentales des laboratoires du GdR est vaste et notre but n’est pas ici de faire une liste exhaustive. Citons par exemple :

  • Le développement de la spectroscopie au synchrotron SOLEIL : SOLEIL est une source optimisée de rayonnement synchrotron de 3ème génération, d’une énergie de 2.75 GeV, dont la double vocation est de mettre à la disposition de ses utilisateurs des installations expérimentales les plus performantes possible et développer une recherche scientifique interne de référence. La mise en service des 11 premières lignes de lumière, a démarré en 2008 et a coïncidé avec le début de notre GdR . Au total, 25 lignes de lumière, couvrant un éventail complet d’outils expérimentaux uniques pour la physique, la chimie, la biologie, les sciences de la terre et de l’environnement, sont opérationnelles.
  • Dans les domaines spectraux s’étendant de l’infrarouge à l’ultraviolet, les développements instrumentaux dans les laboratoires du GdR portent sur la mise au point de nouvelles sources lasers (lasers continus, femtosecondes, impulsionnels de type variés : lasers à semi-conducteurs de type vecsel ou à cascades quantiques largement accordables , lasers à solide infrarouges de type Cr4+:YAG, Cr2+:ZnSe, lasers à différence de fréquences…) et de nouvelles méthodologies optiques.
    Une préoccupation partagée par plusieurs équipes du GdR est l’augmentation de la sensibilité des méthodes spectroscopiques. Ce thème contribue à résoudre des problèmes d’importance majeure aussi bien en physique moléculaire fondamentale (molécules instables, tests fondamentaux,...) que dans les secteurs utilisateurs de spectroscopie (détection de traces, physique atmosphérique, astrophysique...).
    Un des objectifs majeurs en terme de recherche instrumentale pour la spectroscopie ultrasensible vise aujourd’hui à combiner ces hautes sensibilités à des temps de diagnostic très courts et/ou à l’analyse simultanée de plusieurs composés gazeux. D’autres développements instrumentaux, de caractère plus fondamental concernent la ultra-haute résolution, la formation de molécules froides par photo-association et la spectrométrie par peignes de fréquences femtosecondes.
  • Le développement de la spectroscopie micro-onde, millimétrique et THz reste un enjeu majeur de la spectroscopie. D’une part parce que l'évolution de la radioastronomie vers le domaine submillimétrique, avec en particulier, les nouveaux observatoires Herschel et ALMA, impose l'étude dans ce domaine de longueur d'onde des espèces abondantes du milieu interstellaire. C’est à ces longueurs d’onde qu’on étudie en effet la matière interstellaire froide et tiède (de quelques Kelvins à quelques centaines de Kelvins) et qu’on peut regarder au sein des nuages interstellaires qui sont opaques à d’autres longueurs d’ondes.

Instrumental developments

Innovation in instrumentation, be it in new light sources, sample preparation or methods of detection, form a key rôle in modern laboratory spectroscopy. It is the sine qua non for the study of new problems – yet unknown spectra, or observation of weak or subtle effects in spectra. The resources contained within the GDR are varied and numerous, some of the highlights include :

  • Spectroscopy at the Synchrotron Soleil Light Source
    SOLEIL is a third-generation synchrotron, built to provide users with state-of-the-art facility and to support its own world-class research programme. The first 11 beam-lines were opened in 2008, just as GDR SpecMo began. Today, 25 beam-lines are operating at SOLEIL, offering a wide range of experimental options for scientists from many disciplines, including physics, chemistry, biology, earth sciences and environmental studies. Two of them, AILES and DESIRS, are particularly well-used by the SpecMo community.
  • Teams belonging to GdR are also working to implement new laser sources, ranging form the infrared to the ultraviolet domains, and using cw or pulsed technology (cw lasers, femtosecond lasers, semi-conductor based pulsed laser (VECSEL or quantum cascade) , solid-state infrared lasers (eg Cr4+/YAG or Cr2+/ZnSe), difference frequency laser sources), and introducing novel optical methods, notably intracavity techniques, and frequency combs.
  • Increased spectral sensitivity is a primary objective for several groups. In the academic environment, increased sensitivity is forever at a premium, whether it be to reduce recording times to study transients and radicals, or to reveal the smallest spectral details needed to describe minority isotopologues, or to test fundamental constants. Sensitivity is obviously important in applied spectroscopy, to recognise the signatures of trace gas species for air quality control, atmospheric or astrophysical studies. Considerable effort is focused on combining high sensitivity, fast response time and multi-component analysis.
  • The microwave, millimeter and THz regions hold a special place in laboratory spectroscopy in France, where instrumental design and evolution parallel the extension of radioastronomy to the sub mm region. New observations from Herschel and Alma have renewed interest in the studies of species present in the interstellar medium. Cold interstellar matter (from a few up to a few hundred Kelvin) can effectively be observed in interstellar clouds beyond the traditional 'far infrared', the clouds being opaque to other wavelengths.