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CHRONO - Caractérisation Haute Résolution pour l’Observation de la Nature par l’Optique

LSCE - Justin Chaillot

Les instruments optiques d’absorption moléculaire permettent depuis une décennie les mesures dans les gaz (traces, isotopes). Leur démocratisation dans les années 2010 a permis notamment de multiplier les analyses isotopiques de l’eau dans la phase liquide et vapeur et de développer le suivi environnemental en temps réel des concentrations en polluant ou en gaz à effet de serre dans des observatoires. Aujourd’hui les instruments laser cherchent à devenir multi traceurs et compétitifs sur les traceurs de nouvelle génération (anomalies isotopiques : Δ¹⁷O,Δ₄₇ et Δ₄₈). La mesure multi traceurs non destructrice (le laser n’altère pas le gaz lors de la mesure) est un avantage pour des analyses d’échantillons patrimoniaux, car la parcimonie de prélèvement, est indispensable à la conservation de ces derniers et le gaz reste ainsi disponible pour d’autres types d’analyses.

Les instruments actuels ne répondre qu’en partie à nos besoins : ils ne permettent pas de mesurer avec grande précision/justesse les anomalies isotopiques. De plus, la dépendance à des fournisseurs industriels devient de plus en plus une source d’arrêt prolongé d’équipement avec des coûts de maintenance importants. Le LSCE et ses partenaires ont donc fait le choix de devenir autonomes sur la conception, la fabrication et le déploiement de cette nouvelle génération de machines laser basée sur les techniques issues du monde des horloges optiques et des lasers ultra stables pour la mesure de l’eau et du CO₂.

Notre stratégie commence aujourd’hui à porter ses fruits, comme l’illustrent les récents résultats obtenus dans le cadre du post-doctorat DIM PAMIR du projet « paleolaser ». En effet, les instruments de mesures des isotopes de l’eau et du dioxyde de carbone mis en œuvre au LSCE sont aujourd’hui opérationnels et nous permettent de valoriser des données isotopiques avec une qualité de mesures à la pointe et faisant aujourd’hui référence en géosciences.

Pour poursuivre le développement de ces instruments, il s’avère nécessaire d’installer un peigne de fréquence, outil devenu la norme dans la mesure de fréquence laser. Le peigne agit comme une « règle » nous permettant de comparer la fréquence de nos lasers à celle, ultra stable et régulière, de dents du peigne. Il constitue un module clé pour notre infrastructure structurée autour de REFIMEVE en cours de développement permettant de disposer d’un outil unique à l’échelle internationale pour toute la plateforme analytique régionale LSCE-GEOPS Panoply. Nous capitalisons aussi sur le fait que l’Île-de-France bénéficie d’un écosystème très développé d’écoles, de laboratoires et d’industriels en optique pour nous appuyer ainsi que sur le réseau REFIMEVE de distribution de signal d’horloge.

Le projet Chrono a donc pour objectif d’acquérir un peigne de fréquence métrologique allant du visible à l'infrarouge moyen (650 nm – 2500 nm).  La communauté scientifique d’Île de France renforcera ainsi son savoir-faire en mesures optique avec des mesures plus autonomes et économiques. Nous appliquerons les premières mesures dans l’eau et le dioxyde de carbone dans le cadre des projets en cours. Dans un second temps, nous développerons ces mesures sur le dioxygène – O₂ en lien avec des équipes de l’ENS et sur le dihydrogène – H₂ en lien avec des équipes de GEOPS dans le cadre de futurs projets en cours de montage.

D’autres composés comme les isotopes du méthane (dont les clumped), de l’azote et du soufre (Δ³³S et Δ³⁶S) sont aussi des cibles potentielles pouvant servir la communauté scientifique régionale. La polyvalence de cet outil nous permet d’être ouvert à tous acteurs régionaux ou à toutes futures demandes de la communauté DIM. Les limites actuelles de notre instrumentation sont restreintes à des molécules bi ou tri atomiques pour des raisons d’interprétations de spectres et du fait qu’elle n’est pas applicable aux gaz nobles, lesquels sont transparents dans cette fenêtre spectroscopique.