Une équipe internationale de chercheurs a utilisé une technique d'imagerie non conventionnelle connue sous le nom d'imagerie fantôme pour effectuer des mesures spectroscopiques d'une molécule de gaz. La nouvelle approche des scientifiques de l'Université de technologie de Tampere en Finlande, l'Université de Finlande orientale et l'Université de Bourgogne Franche-Comté en France, fonctionne sur une large gamme de longueurs d'onde et pourrait améliorer les mesures des gaz à effet de serre atmosphériques tels que le méthane.

Dans la revue The Optical Society (OSA) Lettres d'optique , les chercheurs rapportent leur approche visant à étendre les techniques d'imagerie fantôme pour produire des mesures spectrales très efficaces qui révèlent des informations sur la composition chimique d'une molécule de gaz. Ils y parviennent en utilisant l'imagerie fantôme avec une source de lumière supercontinuum, pour capturer la lumière dépendante de la longueur d'onde transmise à travers les échantillons et démontrer que la technique peut mesurer la signature spectrale du gaz à effet de serre méthane avec une résolution subnanométrique.

« La surveillance des gaz à effet de serre atmosphériques tels que le méthane, gaz carbonique, l'oxyde nitreux et l'ozone sont importants pour évaluer le lien entre les niveaux changeants de ces gaz et le changement climatique, " dit Caroline Amiot, membre de l'équipe de recherche de l'Université de technologie de Tampere. « Dans certaines circonstances particulières, notre méthode pourrait permettre une détection plus sensible des gaz à effet de serre, fournissant des informations plus précises sur ces composés chimiques importants."

L'imagerie fantôme produit des images en corrélant l'intensité de deux faisceaux lumineux qui, pris individuellement, ne portez aucune information significative sur la forme de l'objet, mais autoriser à la place des inférences indirectes sur ses propriétés. Cette approche peut éliminer certaines des distorsions associées aux systèmes d'imagerie typiques dans des environnements difficiles et a été utilisée pour créer des images haute résolution d'objets physiques et, plus récemment, pour restituer des signaux ultrarapides brouillés sur des échelles de temps de la picoseconde.

Les molécules de gaz sont souvent clairsemées et ne modifient donc que légèrement la transmission totale de la lumière. Cela signifie que des sources lumineuses puissantes ou des détecteurs extrêmement sensibles sont généralement nécessaires pour les détecter.

« Parce que notre technique fonctionne en détectant un signal intégré contenant de nombreuses longueurs d'onde, par opposition à une seule longueur d'onde comme les méthodes de spectroscopie traditionnelles, elle permet des mesures en utilisant des sources lumineuses moins puissantes et à des longueurs d'onde où les détecteurs très sensibles ne sont pas disponibles, " dit Amiot.

Imagerie spectrale fantôme L'imagerie fantôme crée une image spectrale, qui peut contenir le spectre de transmission ou de réflexion d'un objet, en corrélant deux bras d'un faisceau lumineux :l'un qui code un motif aléatoire qui agit comme une référence de sondage et l'autre qui illumine l'échantillon. La nouvelle approche d'imagerie fantôme utilise une source de lumière supercontinuum, qui émet des impulsions contenant chacune de nombreuses longueurs d'onde de lumière. Les chercheurs ont utilisé les fluctuations aléatoires qui se produisent entre les spectres associés à des impulsions consécutives pour créer la référence nécessaire à la réalisation d'une imagerie spectrale fantôme.

La lumière transmise à travers un échantillon est ensuite captée par un détecteur rapide sans résolution spectrale qui fournit un signal intégré pour toutes les longueurs d'onde de la bande passante spectrale considérée. L'image commence à ressembler à une goutte bruyante, mais une fois corrélée avec les fluctuations spectrales de référence, l'image spectrale commence à apparaître.

"Il est possible de reconstruire l'image spectrale sans envoyer de grandes quantités de lumière à travers l'échantillon, " a déclaré Amiot. " Cela peut être très bénéfique pour les échantillons sensibles à la lumière, par exemple."

Générer un signal plus fort

Effectuer des mesures de gaz dans l'atmosphère a traditionnellement nécessité l'envoi de lumière laser de haute puissance dans l'atmosphère, où il interagit avec le gaz. "Afin de mesurer quel gaz est présent et en quelle quantité, le signal lumineux très faible qui revient doit être encore divisé en différentes longueurs d'onde pour la détection, " a déclaré Amiot. " Cela peut être problématique lorsque le signal est très faible. Notre méthode détecte toutes les longueurs d'onde mélangées, créant un signal beaucoup plus fort qui permet des mesures plus sensibles."

Les chercheurs ont testé leur technique en l'utilisant pour produire une image spectrale du méthane. Les mesures d'imagerie fantôme reproduisaient parfaitement la série de raies d'absorption discrètes qui sont les empreintes digitales du méthane et correspondaient bien aux mesures de spectroscopie directe plus conventionnelles que les chercheurs ont effectuées à des fins de comparaison.

Les chercheurs travaillent maintenant sur le contrôle des fluctuations spectrales à l'aide de sources lumineuses préprogrammables qui élimineraient le besoin de mesurer les modèles spectraux de référence. Ils travaillent également à l'utilisation de l'imagerie fantôme dans le domaine spectral avec une configuration de tomographie par cohérence optique, ce qui pourrait permettre d'obtenir des informations sensibles à partir de tissus ou d'autres échantillons biologiques sans utiliser des quantités de lumière dommageables.