Imagerie fantôme révolutionnaire améliore la précision des mesures de gaz atmosphériques

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

Mesurer les gaz à effet de serre dans l'atmosphère comme le dioxyde de carbone, le méthane, l'ozone et le protoxyde d'azote est crucial pour étudier comment les quantités variables de ces gaz affectent le changement climatique. Ils sont mesurés soit en utilisant en continu des équipements stationnaires et des satellites qui surveillent les concentrations actuelles, soit en prélevant des échantillons d'air dans des flacons pour les analyser ensuite en laboratoire.

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

Comparée 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, elle peut permettre une identification plus sensible des gaz à effet de serre.

Comment ça marche ?

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

Cette nouvelle technique génère des images en corrélant 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, elle peut éliminer les distorsions (pas toutes) observées dans les systèmes d'imagerie conventionnels et peut restaurer les signaux brouillés à l'échelle du picoseconde (10⁻¹² secondes).

Comme les molécules de gaz sont principalement diffusées, elles n'altèrent la lumière transmise que d'une infime quantité. Ainsi, cela 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, elle fonctionne même là où des détecteurs extrêmement sensibles et des sources lumineuses puissantes ne sont pas disponibles.

Plus spécifiquement, elle génère une image spectrale (contenant 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 sondage tandis que l'autre faisceau illumine l'échantillon. Pour générer la référence essentielle pour obtenir l'« image fantôme spectrale », les auteurs ont utilisé les fluctuations aléatoires se produisant entre les spectres d'impulsions consécutives.

Crédit image : NASA

Ensuite, le faisceau transmis 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 vue claire de l'image spectrale.

Tests

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

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