La nouvelle technique d'imagerie fantôme améliore les mesures des molécules de gaz

• La nouvelle méthode d'imagerie fantôme mesure quel gaz est présent dans l'atmosphère et en quelle quantité, avec une bien meilleure précision.
• Il ne nécessite pas de détecteurs extrêmement sensibles ni de sources lumineuses puissantes pour fonctionner.

La mesure des gaz à effet de serre dans l'atmosphère comme le dioxyde de carbone, le méthane, l'ozone et l'oxyde nitreux est cruciale pour étudier comment la modification des quantités de ces gaz affecte le changement climatique. Ils sont mesurés soit en continu à l'aide d'équipements fixes et de satellites qui surveillent les concentrations actuelles, soit en recueillant des échantillons d'air dans le flacon et en les analysant ensuite dans un laboratoire.

Aujourd'hui, une équipe de chercheurs de l'Université de Finlande orientale, de l'Université de technologie de Tampere et de l'Université de Bourgogne en France ont mis au point une nouvelle approche pour effectuer des mesures spectroscopiques de diverses molécules de gaz. Ils appellent cela la technique d'imagerie fantôme.

Par rapport aux techniques d'imagerie existantes, cette nouvelle approche peut découvrir la composition chimique d'une molécule de gaz avec une bien meilleure précision. Dans certains cas, cela peut permettre une identification plus sensible des gaz à effet de serre.

Comment ça marche ?

L'imagerie fantôme fonctionne sur une large gamme de longueurs d'onde, améliorant la surveillance des gaz présents dans l'atmosphère, notamment le méthane et le dioxyde de carbone. Il fonctionne avec une source de lumière supercontinuum (émet des impulsions avec plusieurs longueurs d'onde) pour imager la lumière basée sur la longueur d'onde transférée à travers des échantillons d'air et mesure l'empreinte spectrale d'une molécule de gaz avec une résolution subnanométrique.

Cette nouvelle technique génère des images en associant l'intensité de 2 faisceaux différents qui ne contiennent pas de données sur la forme de l'objet mais permettent des interfaces indirectes sur ses caractéristiques. Dans des conditions extrêmes, il peut supprimer les distorsions (pas toutes) observées dans les systèmes d'imagerie conventionnels et peut restaurer les signaux brouillés sur picoseconde (10 ⁻¹² secondes) échelles de temps.

Étant donné que les molécules de gaz sont pour la plupart dispersées, elles ne modifient que très peu la lumière transmise. Ainsi, il nécessite des instruments très sensibles et des sources lumineuses puissantes pour les détecter.

Référence :The Optical Society | doi:10.1364/OL.43.005025

Contrairement aux méthodes d'imagerie conventionnelles qui identifient les signaux d'une seule longueur d'onde, la technique d'imagerie fantôme détecte un signal intégré composé de plusieurs longueurs d'onde. Par conséquent, il fonctionne même là où des détecteurs extrêmement sensibles et des sources lumineuses puissantes ne sont pas disponibles.

Plus précisément, il génère une image spectrale (qui contient le spectre de réflexion ou de transmission d'un objet) en corrélant 2 faisceaux :le premier faisceau code un motif aléatoire qui se comporte comme une référence de palpage tandis que l'autre faisceau éclaire l'échantillon. Pour générer la référence essentielle à l'obtention d'une « image fantôme » spectrale, les auteurs ont utilisé des fluctuations aléatoires se produisant entre des spectres de plus consécutifs.

Crédit image :NASA

Ensuite, le faisceau transféré à travers un échantillon est analysé via un détecteur sans résolution spectrale. Après l'avoir corrélé avec les fluctuations spectrales de référence, ils ont obtenu une vision claire de l'image spectrale.

Tests

Pour tester cette nouvelle technique, ils l'ont utilisée pour générer une image spectrale du gaz méthane. Il a recréé avec précision la séquence de raies d'absorption discrètes qui représentent l'identité du méthane. Ils ont également comparé les résultats avec les mesures de spectroscopie directe traditionnelles :les résultats des deux techniques correspondaient bien.

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Actuellement, les auteurs expérimentent des dispositifs de source lumineuse préprogrammables pour orienter les fluctuations spectrales. Cela éliminerait le besoin de mesurer des modèles spectraux de référence. En outre, ils essaient d'intégrer cette technologie à la configuration de la tomographie par cohérence optique, ce qui leur permettrait d'extraire des données sensibles de divers échantillons biologiques, y compris des tissus, sans exposer les échantillons à des rayons nocifs.