L’ANALYSE PHYSICO-CHIMIQUE PAR LASER

1. Les propriétés du rayonnement laser Pourquoi ? L’ANALYSE PHYSICO-CHIMIQUEPAR LASER • exemples • démonstration Comment ?

2. Utilisations grand public : Lecture de codes barres, de CD ROM, télémètres La diode laser  0.1 mW Le laser scientifique  10W mJ  MW crête Expériences en optique, spectroscopie, interaction laser-matière, analyse physico-chimique, applications médicales Le laser de production industrielle  kW usinage des matériaux (découpe, soudage, perçage,…) Expériences de physique aux très hautes énergies (reproduire en laboratoire le fonctionnement des étoiles ) Le laser de très haute énergie laser MégajouleMJ  PW crête 50 m LES LASERS Une grande variété de lasers et d’applications Prix de 10 euros au milliard d’euros

3. LES LASERS Une grande variété de lasers et d’applications …. mais un rayonnement laser aux propriétés uniques

4. LE RAYONNEMENT LASER, UNE AUTRE LUMIERE Source usuelle émet : Source laser émet : • dans une seule direction • un rayonnement monochromatique* • en continu ou sur de très courtes durées (impulsions nanoseconde à femtoseconde) • danstoutes les directions, • sur unlarge spectre de longueurs d’onde • en continu La lumière émise ne peut pas être concentrée La lumière émise peut être fortement concentrée Il en résulte des performances incomparables en matière d’éclairement lumineux (W/cm²) * monochromatique = une seule couleur

5. LE RAYONNEMENT LASER Quelques chiffres pour fixer les idées : • Un laser de 20W focalisé sur quelques microns* produit un éclairementde l’ordre du milliard de W/cm² (à comparer à une centaine de W/cm² maximum avec une lampe à incandescence). Avec un laser impulsionnel on atteint très facilement les centaines de milliards de W/cm² • Arrivé sur la lune (385 000 km) un faisceau laser ne mesure que 150m de diamètre. L’éclairement produit par un laser de 20 W est encore suffisant pour lire un livre (~ équivalent à une nuit de pleine lune sur terre). * 1 micron = 1 micromètre = 1 millionième de mètre

6. LE RAYONNEMENT LASER En résumé, Le rayonnement laser permet une concentration spatiale, temporelle et spectrale de la lumière  Offre des propriétés uniques pour exciter fortement et sélectivement la matière ou transporter l’énergie du rayonnement optique sur de grandes distances  De nombreuses applications fondées sur l’interaction laser-matière

7. ANALYSE CHIMIQUE PAR LASER • Applications des lasers en analyse chimique • Spectroscopies basées sur : • la diffusion (spectroscopie Raman) ou • sur l’absorption qui conduit à l’excitation des atomes et des molécules (fluorescence, photo-ionisation, photo thermique,...) DEUX EXEMPLES : • Analyse atmosphérique par LIDAR • Analyse par spectroscopie de plasma induit par laser (LIBS)

8. ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR Principe : une impulsion laser est émise dans l’atmosphère. La diffusion du faisceau induite par les molécules et les particules présentes est captée par un télescope Emission de l’impulsion laser dans l’atmosphère Signal reçu en fonction du temps C= 300 000 km/s donc 300m = 1 µs Trajet aller/retour donc retard 2µs pour 300m

9. ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR Principe : une impulsion laser est émise dans l’atmosphère. La diffusion du faisceau induite par les molécules et les particules présentes est captée par un télescope • propagation de l’impulsion laser dans l’atmosphère • diffusion par les molécules et les particules (aérosols) Signal reçu en fonction du temps d1 t1

10. ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR Principe : le signal de fond atmosphérique reçu par le télescope décroît avec la distance • propagation de l’impulsion laser dans l’atmosphère • diffusion par les molécules et les particules (aérosols) d2 Signal reçu en fonction du temps Décroissance avec la distance  le temps t2

11. ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR Principe : quand l’impulsion traverse un nuage de particules le signal augmente brutalement. La position temporelle du pic donne la distance à laquelle se trouve le nuage • propagation de l’impulsion laser dans l’atmosphère • diffusion par les molécules et les particules (aérosols) concentrées dans un nuage d3 Signal reçu en fonction du temps Décroissance avec la distance  le temps Pic correspondant au nuage traversé t3

12. ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR • Les lidars sont donc des instruments qui permettent d’établir en continu des • cartographies de la composition chimique et particulaire de l’atmosphère • Leur portée est fonction de plusieurs paramètres : • Puissance du laser et taille du télescope • Concentration des particules • Couramment quelques km à plusieurs 10km Illustration : mesure de l’ozone

13. ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR Application : Suivi atmosphérique de la teneur en ozone • Ozone : composé de l’oxygène qui est concentré dans la stratosphère(10-50 km) etqui nous protège des rayonnements UV nocifs  elle est menacée par la pollution et fait donc l’objet d’une surveillance Evolution annuelle de la teneur en ozone dans l’hémisphère sud Lidar ozone Stratosphérique

14. ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR Application : Suivi atmosphérique de la teneur en ozone • Ozone :Polluant produit à partir des gaz d’échappement : seuil d’alerte de 250 µg/m3 Troposphère : profil de concentration d’ozone au voisinage de la Tour Eiffel Analyse de la qualité de l’air en zone urbaine  Secteur en fort développement dans le monde

15. ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR Le développement LIDAR au CEA Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement 1- Le développement en laboratoire 2- Essais de validation sur le terrain Brevets 3- Transfert industriel Leosphère est une start-up créée en 2004 sur la base d’une collaboration avec le CEA

16. ANALYSE CHIMIQUE PAR LASER EXEMPLES Analyse atmosphérique par LIDAR Analyse par spectrométrie de plasma induit par laser (LIBS)

17. Silicium Magnésium Intensité du signal (U.A.) Aluminium Fer Longueur d’onde (nm) Exemple de plasmas formés sur différents matériaux SPECTROSCOPIE DE PLASMA INDUIT PAR LASER Principe de la LIBS Enregistrement du spectre d’émission du plasma  Identification et quantification des éléments Focalisation pour concentrer l’énergie du rayonnement (> GW/cm²) Laser impulsionnel Vaporisation et formation d’un plasma (vapeur d’atomes excités, d’ions et d’électrons)

18. SPECTROSCOPIE DE PLASMA INDUIT PAR LASER DEMONSTRATION PAR LA SOCIETE IVEA start-up créée fin 2005 pour valoriser les travaux et brevets du CEA sur la LIBS

19. Béton chargé au Ti (particules de 100 à 300 nm) Argile de Bure Analyse in-situ dans des milieux complexes Analyse in-situ des aérosols dans circuit He SPECTROSCOPIE DE PLASMA INDUIT PAR LASER De très nombreuses applications scientifiques et industrielles : Cartes de distribution des éléments chimiques Analyse de terrain portable ou robotisée

20. SPECTROSCOPIE DE PLASMA INDUIT PAR LASER • Le projet ChemCam : Analyse à distance (2 à 10m) de la composition des roches martiennes Cadre du projet : Prochaine mission d’exploration prévue par la NASA – lancement fin 2009 du Rover MSL ChemCam : Collaboration franco-américaine Rôle du CEA  expertise et développement méthodologique de la LIBS En route pour Mars

21. PROJET CHEMCAM

22. EN CONCLUSION L’analyse par laser enrichit le panorama des techniques d’analyse dans trois domaines principaux : • l’analyse hors du laboratoire (contrôle sur ligne de production industrielle, analyse sans prélèvement) • l’analyse à distance (atmosphère, milieux extrêmes) • micro/nanoanalyse (matériaux des nanosciences, analyse à l’échelle de la molécule)

23. Un grand merci…. À Catherine Gallou, Jean Luc Lacour et Gilles Moutiers pour leur aide dans la préparation de l’exposé À Elisabeth Bourriah-Coindre (société IVEA) pour la démonstration LIBS