NARILIS mini symposium La spectroscopie diode-laser au service de l'étude des polluants atmosphériques, sujet crucial pour des problématiques environnementales et sanitaires M. Lepère Introduction Diode-laser Plan Spectroscopie diode-laser Résultats récents Applications environnementales et sanitaires Conclusions 2 1
Unités Rappel Technologie laser longueur d'onde: λ (µm) 1 1 Spectroscopie nombre d'onde: ν ɶ (cm ) = ν λ (cm) Radiation infrarouge [ 1 25] m [ 10000 400] cm λ µ ν 1 1000 cm -1 10 µm 3 Introduction Diode-laser Plan Spectroscopie diode-laser Résultats récents Applications environnementales et sanitaires Conclusions 4 2
Caractéristiques ristiques du rayonnement LASER monochromaticité cohérences spatiale et temporelle directivité accordabilité puissance faible encombrement 5 Milieu actif, cavité et système de pompage d'une diode-laser 6 3
Dimensions d'une diodediode-laser 2 cm 0.01 mm3 7 DiodeDiode-laser dans son support 0.01 mm3 8 4
Inconvénients nients Avantages Propriétés s d'une diode-laser Une diode-laser est vivante! Emission discontinue en dehors d'un mode Emission quasi monochromatique: Largeur spectrale très étroite (0.0005 cm-1) Laser accordable dans un mode d'émission Source relativement intense jusqu'à l'infrarouge lointain Petite taille permettant des mesures in situ 9 Introduction Diode-laser Plan Spectroscopie diode-laser Résultats récents Applications environnementales et sanitaires Conclusions 10 5
Spectroscopie diodediode-laser Characté Charactéristiques Très haute (2x10-5 to 5x10-4 cm-1) Rapport signal/bruit ~ 2000 Laser accordable Mesures "raie par raie" 2 cm 0.01 mm3 Carbon Disulfide Transmission ν3 Band 0.007958 cm -1 P. KONGOLO TSHIKALA, G. BLANQUET, M. LEPÈRE J. Mol. Spectrosc. ( in preparation). 11 Résolution 6
Exemple de spectromètre tre Spectromètre diode-laser mono-faisceau Domaine spectral [500-1600] cm -1 Rapport signal/bruit ~ 2000 Resolution 5x10-4 cm -1 Temps d'acquisition: 8 s 13 Exemple de cellule basse température Charactéristiques ristiques 77 K à la température ordinaire Stabilité en température: 0.1 K (sans gradient!) 14 7
Exemple de cellule haute température Charactéristiques ristiques Température ordinaire à 1000 K Stabilité en température: ~ 0.1 K (sans gradient!) 15 Etude du profil de raie et détermination d des paramètres spectraux E f ν = (E f -E i )/hc Loi de Beer-Lambert E i (cm -1 ) ν ( ) I ( ν ) = I ( ν) e ν t 0 k.l I 0 (ν) I t (ν) k ( ν ) = Sp Φ ( ν) L α ( ν ) = ln I0 ( ν) It ( ν) 16 8
Etude du profil de raie et détermination d des paramètres spectraux γ S Paramètres spectraux des raies Position en nombre d'onde ν Intensité S Largeur à mi-hauteur γ Profils spectraux Voigt Galatry Rautian Sobel'man Facteurs d'élargissement Principe d'incertitude d'heisenberg Effet Doppler Collisions dépendent des conditions expérimentales (pressions, température ) 17 Introduction Diode-laser Plan Spectroscopie diode-laser Résultats récents Applications environnementales et sanitaires Conclusions 18 9
Exemple de spectres diode-laser Ethane (C 2 H 6 ) dilué dans de l oxygl oxygène (O 2 ) 6 Transmission P Q(2,22) 816.4457cm -1 7 5: 10.810 mbar 4: 8.521 mbar 3: 6.515 mbar 2: 4.521 mbar 1: 2.570 mbar P Q(2,21) P Q(2,20) 816.5090 cm -1 816.5587 cm -1 0.008323 cm -1 8 9 L. FISSIAUX, G. BLANQUET, M. LEPÈRE J. Quant. Radiat. Transfer 111, 2037 2042 (2010) 19 Spectres diode-laser Méthane (CH 4 ) dilué dans de l azote l (N 2 ) 1 4 5 2 Transmission 0.007958 cm -1 (5) Unshifted line Pure CH 4 (0.470 mbar) 9 8 7 6 3 N 2 -shifted line of CH 4 Total pressure : (6) 154.3 mbar (7) 202.2 mbar (8) 252.1 mbar (9) 302.0 mbar M. DHYNE, B. VISPOEL, M. LEPÈRE HRMS, 22 nd Colloquium on High Resolution Molecular Spectroscopy, Dijon, France, 2011 20 10
Exemple d ajustements d de profils Acetylène (C 2 H 2 ) à 273 K 2,0 P(8) line T=273.0 K 1,5 α (ν) 1,0 0,5 0,0 1309,440 1309,445 1309,450 1309,455 1309,460 1309,465 0,25 Wavenumber (cm -1 ) 0,00-0,25 0,25 0,00-0,25 0,25 0,00-0,25 M. DHYNE, P. JOUBERT, J.-C. POPULAIRE, M. LEPÈRE J. Quant. Radiat. Transfer 111, 973-989 (2010) (O-C) x 10 Voigt Rautian Galatry 21 Exemple de déterminationd de paramètres "absolus" Ethane (C 2 H 6 ) dilué dans de l'air 2,0 1,8 P Q(3,30,3) 813.2977 cm -1 γ C (10-3 cm -1 ) 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 air-pressure (mbar) L. FISSIAUX, G. BLANQUET, M. LEPÈRE J. Quant. Radiat. Transfer 111, 2037 2042 (2010) 22 11
Comparaison de résultats r "diode-laser" avec ceux obtenus par différents spectromètres tres 2,5 Dioxyde de carbone (CO 2 ) 2,0 S 0 (10-23 cm/molecule) 1,5 1,0 0,5 0,0 Malathy Hitran Johns Dana This work Q. DELIÈRE, L. FISSIAUX, M. LEPÈRE J. Mol. Spectrosc. (accepted for publication) 930 940 950 960 970 980 990 ν (cm -1 ) 23 Dépendance en température des paramètres Disulfure de carbone (CS 2 ) 130 120 110 298 K 273 K 248 K 223 K 198 K 173 K γ 0 (10-3 cm -1.atm -1 ) 100 90 80 70 60 50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 ImI P. KONGOLO TSHIKALA, J.-C. POPULAIRE, M. LEPÈRE J. Mol. Spectrosc. (in preparation) 24 12
Etude de la dépendence en température Acetylène (C 2 H 2 ) dilué dans de l azote l (N 2 ) γ γ ( T ) ( T) 0 0 n T = T 0 0 M. DHYNE, L. FISSIAUX, J.-C. POPULAIRE, M. LEPÈRE J. Quant.Spectrosc. Radiat.Transfer 110, 358 366 (2009) 25 Plan Introduction Diode-laser Spectroscopie diode-laser Résultats récents Applications environnementales et sanitaires Conclusions 26 13
P Q(5,13,3) 1: 1.503 mbar 2: 1.814 3: 2.062 4: 2.354 7 P Q(5,12,3) 0.007958 cm -1 6 P Q(5,13,1) P Q(5,12,1) P P(3,4,1) P Q(5,11,1) P P(3,4,3) 5 P Q(5,11,1) 1 2 3 4 Laboratoire et atmosphère Echantillon gazeux Source lumineuse Détecteur Spectroscopie de laboratoire Connaissances: Pressions partielles Température Concentrations Déterminations: Paramètres spectraux (positions, intensités, largeurs des raies d'absorption) Transmission Spectroscopie atmosphérique Connaissances: Paramètres spectraux Déterminations: Pressions partielles Température Concentrations Profils verticaux de concentration 27 Atmosphère terrestre 28 14
Exemple de spectre atmosphérique radiance (10-7 W/cm 2.sr.cm -1 ) 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.4 0.2 0.0-0.2-0.4 0.4 0.2 0.0-0.2-0.4 2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120 2140 2160 2180 2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120 2140 2160 2180 2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120 2140 2160 2180 wavenumber (cm-1) 29 Profils verticaux de concentrations stratosphère troposphère 30 15
31 Détection des virus Applications sanitaires Détection des maladies (sinusite) Fumées chirurgicales Autres fumées Collaboration Collaboration Narilis Narilis!?!?!?!? 32 16
Conclusions Etude de polluants (gaz et agrégats) atmosphériques à partir de lasers Etudes des profils spectraux d'agrégats atmosphériques Etudes des profils spectraux de molécules atmosphériques Caractérisations de leurs surfaces Développements de modèles Intérêt fondamental Compréhension des processus d'interactions intra- et inter-moléculaires Intérêt appliqué Problématiques environnementales et sanitaires 33 Q. Delière M. Dhyne L. Fissiaux Doctorants P. Kongolo MERCI! Gh. Blanquet Prof. Emérite J.-Cl. Populaire Technicien B. Vispoel Mémorisant 2010-2011 34 17