Une nouvelle avancée promet d'augmenter la sensibilité des spectromètres haute résolution qui effectuent des analyses chimiques à l'aide de longueurs d'onde térahertz. Cette sensibilité plus élevée pourrait profiter à de nombreuses applications, telles que l'analyse des mélanges gazeux complexes trouvés dans les émissions industrielles et la détection de biomarqueurs de maladies dans l'haleine des patients. Cela pourrait également conduire à de nouvelles façons de détecter la détérioration des aliments grâce à la détection de gaz.

Dans Optique , Le journal de l'Optical Society (OSA) pour la recherche à fort impact, des chercheurs dirigés par Gaël Mouret de l'Université du Littoral-Côte d'Opale en France rapportent une nouvelle cavité optique haute performance pour les fréquences térahertz. Ils ont utilisé cette cavité pour démontrer la première spectroscopie améliorée de cavité réalisée avec des fréquences térahertz.

Les fréquences térahertz se situent entre les micro-ondes et les ondes lumineuses infrarouges sur le spectre électromagnétique. Pour l'analyse spectroscopique des gaz, les fréquences térahertz améliorent la capacité à distinguer les molécules d'un échantillon et à détecter une grande variété de molécules. Cependant, la technologie nécessaire pour exploiter pleinement ces fréquences est encore en cours de développement.

"Plusieurs études ont utilisé des fréquences térahertz pour analyser les gaz industriels émis dans l'atmosphère, mais ils ont tous été gênés par un manque de sensibilité, ", a déclaré Francis Hindle, membre de l'équipe de recherche. "Notre nouvelle cavité optique élargira les types de molécules pouvant être identifiées par spectroscopie térahertz en phase gazeuse et améliorera le niveau de détection réalisable."

Sensibilité croissante

Les chercheurs ont utilisé des composants nouvellement disponibles pour construire une cavité optique térahertz de haute finesse, un agencement de miroirs et un guide d'ondes qui confine la lumière afin qu'elle se réfléchisse plusieurs fois. Les cavités optiques de haute finesse présentent une très faible perte de lumière et permettent ainsi à la lumière de rebondir entre les miroirs plusieurs fois avant de sortir de la cavité. Les nouveaux composants comprenaient un guide d'ondes ondulé circulaire à faible perte et deux miroirs photoniques hautement réfléchissants spécialement conçus pour bien fonctionner aux fréquences térahertz.

Pour la spectroscopie à cavité améliorée, un mélange gazeux est placé dans la cavité optique où il interagit avec la lumière à l'intérieur. La nouvelle cavité permet aux ondes térahertz de rebondir environ 3000 fois avant de sortir. Cela signifie que les molécules analysées interagissent avec les fréquences térahertz sur une distance effective d'environ un kilomètre à l'intérieur d'un résonateur de seulement 50 centimètres de long. Alors que les vagues rebondissent, ils peuvent être absorbés plusieurs fois par toutes les molécules présentes, permettant une mesure très sensible.

"Une cavité avec cette finesse n'était pas disponible auparavant aux fréquences térahertz, " a déclaré Hindle. " Cette avancée permet aux fréquences térahertz d'être appliquées à de nombreuses techniques très sensibles déjà utilisées dans l'infrarouge. "

Détecter les molécules rares

Pour démontrer la spectroscopie d'un gaz à cavité améliorée avec leur nouvel appareil, les chercheurs ont analysé un échantillon de gaz de sulfure de carbonyle, qui se trouve naturellement dans l'atmosphère. Bien que l'échantillon de gaz contenait de nombreux isotopes de sulfure de carbonyle, les chercheurs ont pu mesurer un isotope très rare présent à une concentration d'une seule molécule pour 50, 000 molécules. La mesure des rapports de différents isotopes chimiques dans un échantillon peut être utilisée pour déterminer la source d'un polluant.

Les chercheurs prévoient d'étendre la gamme de fréquences du spectromètre afin qu'il puisse être utilisé pour analyser des molécules et des mélanges encore plus complexes.

"Nos recherches montrent qu'il est désormais possible de construire facilement des cavités térahertz de haute finesse et de les utiliser pour la mesure de gaz à haute résolution, " a déclaré Hindle. " Cela pourrait contribuer à une meilleure surveillance d'une grande variété de gaz présents en très faibles quantités pour des applications allant de la pollution environnementale et industrielle à la médecine. "