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1 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie LANALYSE PHYSICO-CHIMIQUE PAR LASER Comment ? Les propriétés du rayonnement laser Les propriétés.

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1 1 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie LANALYSE PHYSICO-CHIMIQUE PAR LASER Comment ? Les propriétés du rayonnement laser Les propriétés du rayonnement laser Pourquoi ? exemples exemples démonstration démonstration

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

3 3 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie LES LASERS Une grande variété de lasers et dapplications …. mais un rayonnement laser aux propriétés uniques

4 4 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie LE RAYONNEMENT LASER, UNE AUTRE LUMIERE toutes les directions dans toutes les directions, large spectre de longueurs donde sur un large spectre de longueurs donde en continu en continu une seule direction dans une seule direction monochromatique* un rayonnement monochromatique* très courtes durées en continu ou sur de très courtes durées (impulsions nanoseconde à femtoseconde) * monochromatique = une seule couleur Source usuelle émet : Source laser émet : peut être fortement concentrée La lumière émise peut être fortement concentrée ne peut pas être concentrée La lumière émise ne peut pas être concentrée Il en résulte des performances incomparables en matière déclairement lumineux (W/cm²)

5 5 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie 20W éclairement milliard de W/cm² centaine de W/cm² maximum centaines de milliards de W/cm² Un laser de 20W focalisé sur quelques microns* produit un éclairement de lordre 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 sur la lune 150m de diamètre équivalent à une nuit de pleine lune sur terre Arrivé sur la lune ( km) un faisceau laser ne mesure que 150m de diamètre. Léclairement produit par un laser de 20 W est encore suffisant pour lire un livre (~ équivalent à une nuit de pleine lune sur terre). Quelques chiffres pour fixer les idées : * 1 micron = 1 micromètre = 1 millionième de mètre LE RAYONNEMENT LASER

6 6 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie LE RAYONNEMENT LASER 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 lénergie du rayonnement optique sur de grandes distances De nombreuses applications fondées sur linteraction laser-matière En résumé,

7 7 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie ANALYSE CHIMIQUE PAR LASER Applications des lasers en analyse chimique Spectroscopies basées sur : - la diffusion (spectroscopie Raman) ou - sur labsorption qui conduit à lexcitation des atomes et des molécules (fluorescence, photo- ionisation, photo thermique,...) Analyse atmosphérique par LIDAR Analyse atmosphérique par LIDAR Analyse par spectroscopie de plasma induit par laser (LIBS) Analyse par spectroscopie de plasma induit par laser (LIBS) DEUX EXEMPLES :

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

9 9 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie propagation de limpulsion laser dans latmosphère diffusion par les molécules et les particules (aérosols) ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR d1d1 t1t1 Signal reçu en fonction du temps Principe : une impulsion laser est émise dans latmosphère. La diffusion du faisceau induite par les molécules et les particules présentes est captée par un télescope

10 10 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie Signal reçu en fonction du temps propagation de limpulsion laser dans latmosphère diffusion par les molécules et les particules (aérosols) ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR t2t2 Décroissance avec la distance le temps d2d2 Principe : le signal de fond atmosphérique reçu par le télescope décroît avec la distance

11 11 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie propagation de limpulsion laser dans latmosphère diffusion par les molécules et les particules (aérosols) concentrées dans un nuage Décroissance avec la distance le temps ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR Pic correspondant au nuage traversé t3t3 d3d3 Signal reçu en fonction du temps Principe : quand limpulsion traverse un nuage de particules le signal augmente brutalement. La position temporelle du pic donne la distance à laquelle se trouve le nuage

12 12 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR Les lidars sont donc des instruments qui permettent détablir en continu des cartographies de la composition chimique et particulaire de latmosphère Leur portée est fonction de plusieurs paramètres : Puissance du laser et taille du télescope Puissance du laser et taille du télescope Concentration des particules Concentration des particules Couramment quelques km à plusieurs 10km Illustration : mesure de lozone

13 13 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR Application : Suivi atmosphérique de la teneur en ozone Application : Suivi atmosphérique de la teneur en ozone Ozone : composé de loxygène qui est concentré dans la stratosphère Ozone : composé de loxygène qui est concentré dans la stratosphère (10-50 km) et qui nous protège des rayonnements UV nocifs elle est menacée par la pollution et fait donc lobjet dune surveillance Lidar ozone Stratosphérique Evolution annuelle de la teneur en ozone dans lhémisphère sud

14 14 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR Troposphère : profil de concentration dozone au voisinage de la Tour Eiffel Ozone :Polluant seuil dalerte de 250 µg/m 3 Ozone : Polluant produit à partir des gaz déchappement : seuil dalerte de 250 µg/m 3 Analyse de la qualité de lair en zone urbaine Secteur en fort développement dans le monde Application : Suivi atmosphérique de la teneur en ozone Application : Suivi atmosphérique de la teneur en ozone

15 15 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie Le développement LIDAR au CEA LSCE Laboratoire des Sciences du Climat et de lEnvironnement ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR Leosphère est une start-up créée en 2004 sur la base dune collaboration avec le CEA 2- Essais de validation sur le terrain 3- Transfert industriel 1- Le développement en laboratoire Brevets

16 16 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie ANALYSE CHIMIQUE PAR LASER Analyse atmosphérique par LIDAR Analyse par spectrométrie de plasma induit par laser (LIBS) EXEMPLES

17 17 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie Exemple de plasmas formés sur différents matériaux Identification et quantification des éléments Intensité du signal (U.A.) Longueur donde (nm) Silicium Aluminium Fer Magnésium Vaporisation et formation dun plasma (vapeur datomes excités, dions et délectrons) SPECTROSCOPIE DE PLASMA INDUIT PAR LASER Enregistrement du spectre démission du plasma Focalisation pour concentrer lénergie du rayonnement (> GW/cm²) Principe de la LIBS Laser impulsionnel

18 18 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie SPECTROSCOPIE DE PLASMA INDUIT PAR LASER DEMONSTRATION PAR LA SOCIETE LA SOCIETEIVEA start-up créée fin 2005 pour valoriser les travaux et brevets du CEA sur la LIBS

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

20 20 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie Le projet ChemCam : Analyse à distance (2 à 10m) de la composition des roches martiennes Cadre du projet : Prochaine mission dexploration 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 SPECTROSCOPIE DE PLASMA INDUIT PAR LASER

21 21 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie PROJET CHEMCAM

22 22 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie EN CONCLUSION lanalyse hors du laboratoire (contrôle sur ligne de production industrielle, analyse sans prélèvement) lanalyse hors du laboratoire (contrôle sur ligne de production industrielle, analyse sans prélèvement) lanalyse à distance (atmosphère, milieux extrêmes) lanalyse à distance (atmosphère, milieux extrêmes) micro/nanoanalyse (matériaux des nanosciences, analyse à léchelle de la molécule) micro/nanoanalyse (matériaux des nanosciences, analyse à léchelle de la molécule) Lanalyse par laser enrichit le panorama des techniques danalyse dans trois domaines principaux : trois domaines principaux :

23 23 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie À Catherine Gallou, Jean Luc Lacour et Gilles Moutiers pour leur aide dans la préparation de lexposé À Elisabeth Bourriah-Coindre (société IVEA) pour la démonstration LIBS Un grand merci….


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