1 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie LANALYSE PHYSICO-CHIMIQUE PAR...

1Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie

L’ANALYSE L’ANALYSE PHYSICO-CHIMIQUEPHYSICO-CHIMIQUE

PAR LASERPAR LASER

Comment ?Comment ?

Les propriétés du Les propriétés du rayonnement laserrayonnement laser

Pourquoi ?Pourquoi ?

exemplesexemples démonstrationdémonstration


LES LASERSLES LASERS

Une grande variété de lasers et d’applicationsUne grande variété de lasers et d’applications

La diode laser 0.1 mW0.1 mW

Utilisations grand public : Lecture de codes barres, de CD ROM, télémètres

Le laserscientifique

10W10WmJmJ MW crêteMW crête

Expériences en optique, spectroscopie, interaction laser-matière, analyse physico-chimique, applications médicales

usinage des matériaux (découpe, soudage, perçage,…)

Le laser de production industrielle

kWkW

Prix de 10 euros

Le laser de très haute énergie laser Mégajoule

MJ MJ PW crête PW crête

Expériences de physique aux très hautes énergies (reproduire en laboratoire le fonctionnement des étoiles )50 m

au milliard d’euros


LES LASERSLES LASERS

Une grande variété de lasers et d’applicationsUne grande variété de lasers et d’applications

……. mais un rayonnement laser aux . mais un rayonnement laser aux propriétés uniquespropriétés uniques


LE RAYONNEMENT LASER, UNE AUTRE LUMIERELE RAYONNEMENT LASER, UNE AUTRE LUMIERE

dans toutes les directionstoutes les directions, sur un large spectre de large spectre de

longueurs d’ondelongueurs d’onde en continuen continu

dans une seule directionune seule direction un rayonnement monochromatique*monochromatique*

en continu ou sur de très courtes très courtes duréesdurées (impulsions nanoseconde à

femtoseconde)

* monochromatique = une seule couleur

Source usuelle Source usuelle émet :émet :

Source laser Source laser émet :émet :

La lumière émise peut être peut être fortement concentréefortement concentrée

La lumière émise ne peut ne peut pas être concentréepas être concentrée

Il en résulte des performances incomparables en matière Il en résulte des performances incomparables en matière d’éclairement lumineux (W/cm²)d’éclairement lumineux (W/cm²)


Un laser de 20W20W focalisé sur quelques microns* produit un éclairementéclairement de l’ordre du milliard de W/cm²milliard de W/cm² (à comparer à une centaine de W/cm² maximumcentaine de W/cm² maximum avec une lampe à incandescence). Avec un laser impulsionnel on atteint très facilement les centaines de milliards de W/cm²centaines de milliards de W/cm²

Arrivé sur la lunesur la lune (385 000 km) un faisceau laser ne mesure que 150m de diamètre150m de diamètre. L’éclairement produit par un laser de 20 W est encore suffisant pour lire un livre (~ équivalent à une nuit de pleine équivalent à une nuit de pleine lune sur terrelune sur terre).

Quelques chiffres pour fixer les idées :Quelques chiffres pour fixer les idées :

* 1 micron = 1 micromètre = 1 millionième de mètre

LE RAYONNEMENT LASERLE RAYONNEMENT LASER


LE RAYONNEMENT LASERLE RAYONNEMENT LASER

Le rayonnement laser permet uneLe rayonnement laser permet une concentration spatiale, temporelle et concentration spatiale, temporelle et

spectrale de la lumièrespectrale de la lumière

Offre des propriétés uniques pourOffre des propriétés uniques pour exciter exciter fortement et sélectivement la matière fortement et sélectivement la matière ouou

transporter l’énergie du rayonnement transporter l’énergie du rayonnement optique sur de grandes distances optique sur de grandes distances

De nombreuses applicationsDe nombreuses applications

fondées sur l’interaction laser-matièrefondées sur l’interaction laser-matière

En résumé,En résumé,


ANALYSE CHIMIQUE PAR LASERANALYSE CHIMIQUE PAR LASER

Applications des lasers en analyse chimiqueApplications des lasers en analyse chimique

Spectroscopies basées sur :Spectroscopies basées sur :- la diffusion la diffusion (spectroscopie Raman) ou (spectroscopie Raman) ou

- sur l’absorptionsur l’absorption qui conduit à qui conduit à l’excitation des l’excitation des

atomes et des moléculesatomes et des molécules (fluorescence, photo- (fluorescence, photo-

ionisation, photo thermique,...)ionisation, photo thermique,...)

Analyse atmosphérique par LIDARAnalyse atmosphérique par LIDAR

Analyse par spectroscopie de plasma induit par Analyse par spectroscopie de plasma induit par laser (LIBS)laser (LIBS)

DEUX EXEMPLES :DEUX EXEMPLES :


ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDARANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR

Emission de l’impulsion laser dans l’atmosphère

Principe Principe : une impulsion laser est émise dans : une impulsion laser est émise dans l’atmosphère. La diffusion du faisceau induite par les l’atmosphère. La diffusion du faisceau induite par les

molécules et les particules présentes est captée par un molécules et les particules présentes est captée par un télescopetélescope

Signal reçu en fonction du tempsSignal reçu en fonction du tempsC= 300 000 km/s

donc300m = 1 µs

Trajet aller/retour doncretard 2µs pour 300m


propagation de l’impulsion laser dans l’atmosphère

diffusion par les molécules et les particules (aérosols)


d1

t1

Signal reçu en fonction du tempsSignal reçu en fonction du temps

Principe Principe : une impulsion laser est émise dans : une impulsion laser est émise dans l’atmosphère. La diffusion du faisceau induite par les l’atmosphère. La diffusion du faisceau induite par les

molécules et les particules présentes est captée par un molécules et les particules présentes est captée par un télescopetélescope






t2

Décroissance avec la distance le temps

d2

Principe Principe : le signal de fond atmosphérique reçu par le : le signal de fond atmosphérique reçu par le télescope décroît avec la distancetélescope décroît avec la distance




concentrées dans un nuage

Décroissance avec la distance le temps


Pic correspondant au nuage traversé

t3

d3


Principe Principe : quand l’impulsion traverse un nuage de : quand l’impulsion traverse un nuage de particules le signal augmente brutalement. La position particules le signal augmente brutalement. La position

temporelle du pic donne la distance à laquelle se trouve le temporelle du pic donne la distance à laquelle se trouve le nuagenuage



Les lidars sont donc des instruments qui Les lidars sont donc des instruments qui permettent d’établir en continu despermettent d’établir en continu des

cartographies de la composition chimique et cartographies de la composition chimique et particulaire de l’atmosphèreparticulaire de l’atmosphère

Leur portée est fonction de plusieurs paramètres :Leur portée est fonction de plusieurs paramètres : Puissance du laser et taille du télescopePuissance du laser et taille du télescope

Concentration des particulesConcentration des particules

Couramment quelques km à plusieurs 10kmCouramment quelques km à plusieurs 10km

Illustration : mesure de l’ozoneIllustration : mesure de l’ozone



Application : Suivi atmosphérique de la teneur en ozoneApplication : Suivi atmosphérique de la teneur en ozone Ozone : composé de l’oxygène qui est concentré dans la Ozone : composé de l’oxygène qui est concentré dans la stratosphèrestratosphère (10-50 km) et qui nous protège des rayonnements UV nocifs elle est menacée par la pollution et fait donc l’objet d’une surveillance

Lidar ozoneLidar ozoneStratosphériqueStratosphérique

Evolution annuelle de la Evolution annuelle de la teneur en ozone dans teneur en ozone dans

l’hémisphère sudl’hémisphère sud


- 87,2°

- 82,4°

- 71°

- 55°

- 30°

- 77°


Troposphère : profil de concentration Troposphère : profil de concentration d’ozone au voisinage de la Tour Eiffeld’ozone au voisinage de la Tour Eiffel

Ozone :Ozone : PolluantPolluant produit à partir des gaz d’échappement : seuil d’alerte de 250 µg/mseuil d’alerte de 250 µg/m33

Analyse de la qualité Analyse de la qualité de l’air en zone de l’air en zone

urbaineurbaine

Secteur en fort Secteur en fort

développement dans développement dans le mondele monde

Application : Suivi atmosphérique de la teneur en ozoneApplication : Suivi atmosphérique de la teneur en ozone


Le développement LIDAR au CEALe développement LIDAR au CEA LLaboratoire des SSciences du CClimat et de l’EEnvironnement


Leosphère est une Leosphère est une start-upstart-up

créée en 2004 sur la créée en 2004 sur la base d’une base d’une

collaboration avec le collaboration avec le CEACEA

2- Essais de validation 2- Essais de validation sur le terrainsur le terrain

3- Transfert industriel3- Transfert industriel

1- Le développement 1- Le développement en laboratoireen laboratoire BrevetsBrevets


ANALYSE CHIMIQUE PAR LASERANALYSE CHIMIQUE PAR LASER

Analyse atmosphérique par LIDARAnalyse atmosphérique par LIDAR

Analyse par spectrométrie de plasma induit Analyse par spectrométrie de plasma induit par laser (LIBS)par laser (LIBS)

EXEMPLESEXEMPLES


Exemple de plasmas formés sur différents matériaux

Identification et quantification des

éléments

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

250 255 260 265 270 275 280

Inte

nsit

é du

sig

nal (

U.A

.)

Longueur d’onde (nm)

Silicium

Aluminium Fer

Magnésium

Vaporisation et formation d’un plasma

(vapeur d’atomes excités, d’ions et d’électrons)

SPECTROSCOPIE DE PLASMA INDUIT PAR LASERSPECTROSCOPIE DE PLASMA INDUIT PAR LASER

Enregistrement du spectre d’émission du plasma

Focalisation pour concentrerl’énergie du rayonnement(> GW/cm²)

Principe de la LIBSPrincipe de la LIBS

Laser impulsionnel



DEMONSTRATION PARDEMONSTRATION PAR

LA SOCIETELA SOCIETE

IVEAIVEA

start-up créée fin 2005 pour valoriser les travaux start-up créée fin 2005 pour valoriser les travaux et brevets du CEA sur la LIBSet brevets du CEA sur la LIBS


FeSi

Ca

Argile de Bure

Al + CaM g

Ti

Béton chargé au Ti (particules de 100 à 300 nm)

De très nombreuses applications De très nombreuses applications scientifiques et industrielles :scientifiques et industrielles :

Cartes de distribution Cartes de distribution des éléments des éléments chimiqueschimiques


Analyse in-situ des aérosolsdans circuit He

Analyse in-situ dans des Analyse in-situ dans des milieux complexesmilieux complexes

Analyse de terrain portable Analyse de terrain portable ou robotiséeou robotisée


Le projet ChemCam : Analyse à distance (2 à 10m) de la Le projet ChemCam : Analyse à distance (2 à 10m) de la composition des roches martiennescomposition des roches martiennes

Cadre du projet : Prochaine mission Cadre du projet : Prochaine mission d’exploration prévue par la NASA – lancement d’exploration prévue par la NASA – lancement fin 2009 du Rover MSLfin 2009 du Rover MSL

ChemCam : Collaboration franco-américaine ChemCam : Collaboration franco-américaine Rôle du CEA Rôle du CEA expertise et développement expertise et développement méthodologique de la LIBSméthodologique de la LIBS

En route pour MarsEn route pour Mars



PROJET CHEMCAMPROJET CHEMCAM


EN CONCLUSIONEN CONCLUSION

l’analyse hors du laboratoire l’analyse hors du laboratoire (contrôle sur ligne de (contrôle sur ligne de production industrielle, analyse sans prélèvement)production industrielle, analyse sans prélèvement)

l’analyse à distance l’analyse à distance (atmosphère, milieux extrêmes)(atmosphère, milieux extrêmes)

micro/nanoanalyse micro/nanoanalyse (matériaux des nanosciences, (matériaux des nanosciences, analyse à l’échelle de la molécule)analyse à l’échelle de la molécule)

L’analyse par laser enrichit le panorama L’analyse par laser enrichit le panorama des techniques d’analyse dansdes techniques d’analyse dans

trois domaines principaux :trois domaines principaux :


ÀÀ

Catherine Gallou, Jean Luc Lacour et Catherine Gallou, Jean Luc Lacour et Gilles MoutiersGilles Moutiers

pour leur aide dans la préparation de pour leur aide dans la préparation de l’exposél’exposé

À À

Elisabeth Bourriah-CoindreElisabeth Bourriah-Coindre

(société IVEA)(société IVEA)

pour la démonstration LIBSpour la démonstration LIBS

Un grand merci….Un grand merci….

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