Principe de la Spectroscopie de Plasma induit par Laser

Le présent travail porte sur l’étude des méthodes de détection des gaz et des aérosols à l’état de traces et des métaux lourds dans l’environnement par spectroscopie lasers. La pollution de l’atmosphère par les gaz et les aérosols ainsi que celle des sols par les métaux lourds représentent un risque important de santé publique en raison des pathologies variées que peuvent engendrer ces différents polluants. L’émission de ses gaz à effet de serre sont responsables du réchauffement climatique. Dans les deux cas, l’atmosphère et les sols sont un vecteur important du transfert des polluants de l’environnement vers l’organisme. Pour cette raison, il est essentiel de disposer de moyens techniques de détection et de mesure de la concentration des aérosols et des gaz polluants dans l’atmosphère. Il est également important de connaître la teneur de ces sols en métaux lourds. Ainsi dans le cas des gaz et des aérosols à l’état de traces une littérature importante traite des différentes techniques de détection de ces molécules [1-4]. Parmi ces techniques nous pouvons citer le LIDAR (light detection and Ranging) qui est une technique adaptée du fait de la cohérence spatiale des lasers, de la multiplicité des possibilités de mesures. Les qualités spectrales des sources lasers, y compris leur accordabilité, conduisent à des mesures spectroscopiques de haute résolution à distance et donc à la télédétection de nombreux polluants atmosphérique. Une autre technique connue sous le nom anglais ″Laser Induced Breakdown Spectroscopy″ est utilisée pour l’analyse multi élémentaire appliquée sur les gaz, les liquides et les solides. Cette technique est rapide, compacte et ne nécessite qu’une préparation minime de l’échantillon. La spectroscopie d’émission sur plasma induit par laser LIBS apparaît adaptée pour réaliser une étude qualitative et quantitative d’échantillons de sols prélevés.

LIDAR et détection de gaz et d’aérosols à l’état de traces dans l’atmosphère

Les applications liées aux techniques de détection des traces de gaz et d’aérosols par la technique LIDAR nécessitent le développement de nombreuses sources laser. Le lidar exploite les propriétés de l’interaction entre le rayonnement laser et les constituants de l’atmosphère. Les différents processus d’interaction tels que la diffusion, l’absorption, vont conditionner les caractéristiques spectrales et l’intensité du rayonnement mesuré par un dispositif de réception . Le lidar fournit ainsi des informations sur la composition et la concentration des différents constituants de l’atmosphère en fonction des processus d’interaction [18].

Le Principe de détection des polluants atmosphèriques par LIDAR

Lorsqu’un rayon laser est envoyé dans l’atmosphère, il est diffusé dans toutes les directions par les molécules et particules présentes dans l’air. Cette diffusion est essentiellement de deux types: Rayleigh sur les molécules telles que N2 et O2, et Mie sur les aérosols (poussières, gouttelettes d’eau,…). Cette diffusion naturelle s’effectuant dans toutes les directions, une partie de la lumière est en particulier réémise vers l’arrière. On utilise donc l’atmosphère comme miroir naturel en mesurant l’intensité du signal rétrodiffusé . Pour ce faire un télescope augmentant l’angle solide de réception, est placé coaxialement au laser émetteur, et collecte le signal rétrodiffusé. Il focalise ensuite la lumière sur un photomultiplicateur, au travers d’un filtre spectral adapté à la longueur d’onde du laser. En utilisant un laser pulsé, le signal peut être détecté en fonction du temps, c’est à dire en fonction de la distance R (R=c.t/2, où c=3.10⁸ m/s est la vitesse de la lumière; le facteur 2 prenant en compte l’aller-retour de la lumière).

L’efficacité de détection φ (R, λ) prend en compte tous les facteurs géométriques et optiques du système de réception. On peut généralement séparer φ (R, λ) en deux facteurs, l’un dépendant de la géométrie φ (R) et l’autre des caractéristiques spectrales φ (λ) induites par le monochromateur ou les filtres interférentiels utilisés dans le montage.

On a alors φ (R, λ) = φ (R) φ (λ) (1.3)

φ (R) représente essentiellement la fraction de recouvrement entre le champ de vision de l’optique de réception, et le champ illuminé par le laser; fraction croissante avec la distance, partant de zéro (le télescope ne « voit » pas le laser) jusqu’à atteindre maximum 100% (le champ de vision du t élescope recouvre entièrement le laser), au bout d’une distance R0 communément appelée le premier point opératoire (typiquement R0=100m-1km). Cette zone où le LIDAR est dit « aveugle » est également appelée la compression géométrique.

Il est difficile de traiter le signal dans la compression géométrique car la fonction de recouvrement est compliquée à calculer et à inverser. Souvent, on convient donc de ne pas avoir de mesures avant la fin de cette compression géométrique. Le facteur exp {-2 ∫α (λ, R) dR} représente l’atténuation que subit le laser jusqu’à la distance R, par la loi de Beer-Lambert. Cette atténuation ou e xtinction est causée par deux phénomènes différents : la diffusion (ce qui est diffusé n’est en effet pas transmis) et l’absorption par les différentes molécules présentes dans l’atmosphère.

Diffusion Mie

La théorie de la diffusion de Mie concerne la diffusion d’une onde électromagnétique par une sphère homogène dont le rayon est du même ordre de grandeur que l’onde incidente. Cette théorie permet de décrire toutes les particules liquides en suspension dans l’atmosphère. Elle est également utilisée, en première approximation, dans l’étude de nombreuses particules solides. Soit une particule sphérique, de rayon r, plongée dans un milieu d’indice next et recevant une onde plane, continue et de longueur d’onde λvide.

Diffusion Rayleigh

La diffusion Rayleigh concerne les particules qui ont un pa ramètre de taille Γ très petit devant 1 (rayon de la particule très petit devant la longueur d’onde), ce qui correspond, pour le visible, aux gaz et aux très petits aérosols (typiquement 10 nm) de l’atmosphère. Le calcul se si mplifie alors de façon sensible. En effet, lorsque la particule est soumise à u ne onde plane monochromatique, de longueur d’onde λ le champ électrique de cette onde induit dans la particule un moment dipolaire oscillant, créant alors un r ayonnement électromagnétique, à l’instar d’un dipôle moléculaire.

Les Principaux types de Lidar et leurs applications

La spectroscopie optique Lidar est une technique variée pour ses diverses applications dans l’atmosphérique. Différents dispositifs Lidar sont ainsi conçus dans le but de mieux améliorer les investigations de mesures spécifiques effectuées pour le contrôle et le suivi des variations atmosphériques.

Lidar rétrodiffusion

Ce mode de fonctionnement fait intervenir le coefficient de rétrodiffusion qui est le facteur important qui contient les informations sur la densité des éléments diffusants. Une version désormais répandue (lidar Mie), utilisant une source laser Nd : YAG émettant à 1,064 μm, permet de localiser et de mesurer la concentration des couches nuageuses ou de particules dispersées dans l’atmosphère (panaches de fumées, éruptions volcaniques …). D’autres versions plus élaborées ont aussi été développées : Le lidar Rayleigh pour mesurer la densité de l’atmosphère stratosphérique et permettant un calcul de profil de température. Le lidar Raman pour la mesure de la concentration d’un gaz particulier caractérisé par un décalage spectral donné entre émission et réception.

Table des matières

Introduction
I. Principe de la Spectroscopie de Plasma induit par Laser
II. Montage expérimental
III. Influence des paramètres expérimentaux
III.1. Interaction Laser matière
III.1.1. L’outil Laser
III.1.1.1. Laser à Nd-YAG
III.1.1.2. LIBS à double pulse
III.1.1.3. Durée d’impulsion
III.1.1.4.Longueur d’onde
III.1.1.5.Energie par impulsion fluence
III.1.1.6.Mode spatial focalisation du faisceau
III.2. Echantillon
III.2.1. Paramètres de l’échantillon
III.2.2. Nature et pression du gaz ambiant
III.3. Collecte et analyse du signal
III.3.1. Dispositif de collecte
III.4. Spectromètre
III.5. Détecteur
IV. Etude des régimes nano et femto-secondes
IV.1. Régime nanoseconde
IV.2. Régime femtoseconde
V. Mécanisme d’émission du plasma
VI. Les différentes méthodes de quantification de mesures faites par LIBS
VI.1. Quantification par droite d’étalonnage
VI.2. Calibration Free
VII. Traitement des Spectres LIBS
VIII. Partie Expérimentale
VIII. 1.Résultats et discussions
VIII.1.1. Définition des métaux lourds
VIII.2. Les Spectres LIBS
VIII.3. Interférences observées sur les spectres
Conclusion

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