Spectroscopie d'Emission de Plasma Induit par Laser PDF

Cours de Master MC 300 Filière: Chimie Spécialité: Chimie Théorique, Computationnelle et Spectroscopie Intitulé Spectroscopie d’Emission de Plasma Induit par Laser  Sommaire I....

Cours de Master MC 300 Filière: Chimie Spécialité: Chimie Théorique, Computationnelle et Spectroscopie Intitulé 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’Equilibre Thermodynamique VI. Analyse qualitative - Mesure des paramètres du plasma : *Mesure de la densité *Mesure de la Température  Que signifie? Spectroscopie ou Spectrométrie La spectroscopie, ou spectrométrie, est l'étude expérimentale ou théorique du spectre d'un phénomène physique, c'est-à-dire de sa décomposition sur une échelle d'énergie, ou toute autre grandeur se ramenant à une énergie (fréquence, longueur d'onde, etc. ). La spectroscopie est le champ d'étude qui consiste à observer, mesurer et interpréter les spectres électromagnétiques produits par une substance qui émet ou absorbe une énergie rayonnante. La spectroscopie voit le jour en 1666 quand Isaac Newton fait passer les rayons de lumière du SOLEIL à travers un prisme en verre et observe les couleurs du spectre visible. La lumière est composée d'ondes électromagnétiques, chaque couleur correspondant à une longueur d'onde différente. Spectroscopie d’émission Connaissez? Les Plasmas Plasma Induit par Laser  Laser Laser: l'acronyme «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation  Principe de fonctionnement Processus atomique: E = h Historique L’histoire de l’interaction des lasers de haute puissance avec la matière solide est aussi vieille que le laser lui-même”. Le premier, Albert Einstein en 1917 a suggéré que l’émission stimulée de la lumière devrait se produire en plus de l’absorption et de l’émission spontanée. Il a fallu attendre plus de 40 ans avant le développement en 1958 des principes théoriques du laser par Arthur Schawlow et Charles Townes et 2 ans de plus pour développer la première source laser par Theodore Maiman. Le laser a été construit en utilisant comme milieu actif une tige en rubis synthétisé. En 1962, le premier exposé sur l’ablation laser a été présenté par Breech and Cross à la Conférence Internationale sur la Spectroscopie qui a eu lieu à l’université du Maryland. Un laser à rubis a été utilisé pour vaporiser et exciter les atomes des surfaces solides et le spectre du plasma a servi à caractériser la composition élémentaire de l’échantillon. Ce papier marque le début de la spectroscopie d’émission de microsonde laser, ce qui a été une des premières applications de l’ablation laser. Durant 1963 et 1964, l’exposé détaillé des premières expériences d’ablation laser a été présenté à travers une douzaine de publications. Beaucoup de phénomènes, observés durant ces années, continuent aujourd’hui à être étudiés. Les années 70 et le début des années 80 ont vu des progrès réguliers dans le développement des lasers et la compréhension de l’ablation laser. Durant les années 80, les besoins dans la science des matériaux a conduit à un accroissement rapide des applications. Plusieurs méthodes basées sur l’ablation laser ont atteint la maturité à la fin des années 80, parmi lesquelles : Dépôt par laser pulsé (PLD) pour la synthèse en couches minces de nouveaux matériaux: Oxydes, Nitrures, Supraconducteurs à haute température critique et matériaux complexes...  Synthèse de nano-agrégats et nano-structures 5 nm  5 mbar Couches minces ZnO 5. 10-1 mbar 0.02mbar (002) (103) 0.1 mbar (100) (102) 0.5 mbar (101) (110) (d) 5 mbar Normalized Intensity (201) (112) 10-2 mbar (c) (b) (a) 30 40 50 60 70 80 2 theta (°) 10-1 mbar ZnO Pt/Ti SiO2   Micro-usinage Découpe Perçage scultage  Traitement et nettoyage de surface  Traitements et diagnostics médicaux (Ophtalmologie, Dermathologie, Chirurgie, Dentisterie …)  Analyse des matériaux (LIBS ou LIPS) Analyse physicochimique Analyse de terrain portable ou robotisé  Analyse des matériaux par la technique (LIBS) Dans un but analytique, l’ablation laser est utilisée dans une large gamme d’applications en micro- analyses, l’identification et l’étude des biomolécules et des polymères. LIBS est un domaine d’étude théorique et expérimental passionnant à cause de la richesse des divers mécanismes sous-jacents aux processus physiques et son potentiel considérable en analyses spectrochimiques.  Principe: Spectroscopie d’émission optique des plasmas induit par laser. Il s’agit d’une technique d’analyse chimique élémentaire entièrement optique, rapide et ne nécessitant aucun contact. L’analyse consiste à focaliser une impulsion laser à la surface d’un échantillon qui conduit à la fusion puis à la vaporisation et à l’ionisation de la matière. L’ablation laser est suivie par la formation d’un plasma constitué d’électrons libres, d’atomes ou d’ions excités.  Ces derniers émettent de la lumière qui est collecté par un spectromètre qui le disperse. Le spectre d’émission ainsi obtenu devient des empreintes digitales des émissions des espèces formant le matériau irradié A partir de l’étude expérimentale et théorique des spectres d’émission nous pouvons déterminer les constituants élémentaires du matériau et leurs concentrations dans certains cas même à l’état de trace. Système utilisé :: Le laser impulsionnel Un système optique de mise en forme et de focalisation du faisceau laser et de la collecte de l’émission du plasma Un dispositif de détection et d’analyse de la lumière du plasma (composé d’un spectromètre et d’un détecteur, de l’électronique de détection et d’un ordinateur) Schéma de l’analyse spectroscopique induite par laser illustrant les principales composantes Avantages: La possibilité d’analyser des échantillons sous forme solide, liquide ou gazeuse La détection de la majorité des éléments chimiques en une seule analyse Une analyse multi-élémentaire qualitative et quantitative rapide Une analyse peu destructive (quantité inférieure au microgramme, sous forme de trace) La mesure rapide et l’analyse en temps réel L’analyse sans contact (accès optique) Pas de préparation d’échantillon Le travail à distance Applications: Les applications du LIBS sont multiples et touchent aussi bien les solides, les liquides, les gaz que les aérosols: Développement durable: Tri de déchets (Verre, polymères, ….) Analyses élémentaires qualitative et quantitative de matériaux (de la matière organique et inorganique) Contrôle de qualité Agroalimentaire: Analyse de pollution dans les denrées alimentaires (métaux lourds, nitrates…) Industries: Contrôle en ligne en temps réel, suivi de productions, rejets industriels Sécurité: Explosifs, expertises, nanoparticules Détection des polluants Restauration des vestiges archéologiques Evolution rapide de la technique LIPS/LIBS Articles LIBS par an (1966–2005) - 2000-2005: 1140 Articles Publiés Handbook of LIBS (2006, 2007, 2013) Brevets LIBS 1979–2002 Diagram of a typical LIBS set-up