Principes du Laser et Spectroscopie

Cours de Master MC 300 - Chimie

• Filière: Chimie
• Spécialité: Chimie Théorique, Computationnelle et Spectroscopie
• Intitulé du cours: Spectroscopie d'Emission de Plasma Induit par Laser

Sommaire

• I. Introduction
• II. Historique de la technique de spectroscopie de plasma induit par laser
• III. Ablation Laser
  • Interaction Laser-Matière
  • Formation du plasma
  • Expansion du plasma
• IV. Instrumentation
  • Laser
  • Spectromètres
  • Détecteurs
  • Calibration
• V. Analyse des plasmas induits par laser
  • Enregistrement des spectres d'émission
  • Identification des espèces émettrices du plasma
  • Elargissement des raies d'émission
  • Hypothèse de l'équilibre thermodynamique
• VI. Analyse qualitative
  • Mesure des paramètres du plasma :
    • Mesure de la densité
    • Mesure de la température

Définitions

• Spectroscopie ou Spectrométrie: L'étude expérimentale ou théorique du spectre d'un phénomène physique, décomposée selon une grandeur (énergie, fréquence, longueur d'onde...). Elle consiste à observer, mesurer et interpréter les spectres électromagnétiques émis ou absorbés par une substance.

Spectroscopie d'émission

• La lumière est composée d'ondes électromagnétiques, chaque couleur correspondant à une longueur d'onde différente.
• La spectroscopie d'émission étudie la lumière émise par les atomes ou molécules excités par le rayonnement.

Spectre de la lumière

• (Diagramme de page 5 montrant une représentation du spectre électromagnétique avec les longueurs d'ondes et fréquences correspondantes, le spectre visible et les différentes formes de lumière).

Les Plasmas

• (Schémas des 6 différents états de la matière à partir du solide).
• (Graphique illustrant la caractérisation des différents types de plasmas en fonction de leur densité et température).

Plasma Induit par Laser

• (Schéma illustrant le processus de plasma induit par laser sur différentes étapes de temps).

Laser

• (Schéma explicant le principe d'un laser avec les composants principaux).
• (Schéma illustrant le principe de fonctionnement du laser en niveaux atomiques, expliquant l'émission stimulée et spontanée).

Historique

• L'interaction des lasers de haute puissance avec la matière solide est ancienne.
• Albert Einstein en 1917 a suggéré l'émission stimulée de la lumière en plus de l'absorption et de l'émission spontanée.
• Le développement théorique du laser a pris du temps.
• (Schéma du montage expérimental initial du laser à rubis synthétisé de Theodore Maiman).

Première expérience

• En 1962, Breech and Cross ont présenté un exposé sur l'ablation laser à la Conférence Internationale sur la Spectroscopie à l'université du Maryland.
• Un laser à rubis était utilisé pour vaporiser et exciter des atomes des solides, permettant de caractériser la composition élémentaire de l'échantillon.

Applications

• (Applications avec la notion de « micro-analyses », « identification et étude des biomolécules » et « polymères »).
• Développement durable (tri de déchets)
• Analyses élémentaires (qualitative et quantitative) de matériaux (matière organique et inorganique)
• Contrôle de qualité (agroalimentaire, pollution dans les denrées alimentaires, contrôle dans les industries)
• Sécurité (explosifs, expertises, nanoparticules)
• Restauration des vestiges archéologiques

Analyse des Matériaux par LIBS

• Technique LIBS: analyse chimique élémentaire rapide et non-destructive, entièrement optique,
• Principe: focalisation d'une impulsion laser sur un échantillon, fusion, vaporisation et ionisation de la matière formant un plasma. Le plasma émet de la lumière, collectée et dispersée par un spectromètre pour obtenir un spectre d'émission.

Systèmes Utilisés

• Laser impulsionnel
• Système optique pour la focalisation et la collecte du faisceau laser et de l'émission du plasma
• Dispositif de détection et d'analyse de la lumière

Schéma de l'analyse spectroscopique LIBS

• (Schéma illustrant les composants principaux d'un système LIBS).

Avantages de la Technique LIBS

• Analyse de solides, liquides, gaz et aérosols
• Détection de la majorité des éléments chimiques en une seule analyse
• Analyse multiélémentaire qualitative et quantitative rapide
• Analyse peu destructive (quantité inférieure au microgramme, sous forme de trace)
• Mesure rapide et analyse en temps réel, sans contact (accès optique)
• Pas de préparation d'échantillon
• Travail à distance

Evolution de la technique LIBS

• Evolution rapide de la technique (nombre d'articles publiés par années, graphiques).
• Des Manuels récents ont été produits sur le sujet.