Techniques de mise en œuvre des lasers
Spectrométries laser en analyse et caractérisation

1 - Notions de base sur les lasers

• 1.1 - Absorption, émission spontanée, émission stimulée et amplification
  Figure 1 - Phénomènes d’interaction des photons avec deux niveaux d’énergie électroniques d’un atome Figure 2 - Les coefficients d’Einstein pour l’absorption b 12 , l’émission stimulée b 21 = b 12 et l’émission spontanée a 21 qui est négligeable dans le schéma cinétique du laser Figure 3 - Les niveaux d’énergie des ions chrome dans le cristal de rubis, le premier laser de Maiman (1960), toujours d’intérêt actuellement Figure 4 - Milieu à quatre niveaux d’énergie avec le schéma cinétique des transitions
• 1.2 - Principe et propriétés du laser 
  Figure 5 - Schéma du premier laser à rubis dont le principe se retrouve dans tous les lasers Figure 6 - Les modes longitudinaux (m) de la cavité laser amplifiés (en gras) sont nécessairement de longueur d’onde dans le spectre de l’émetteur Figure 7 - Exemples de modes transverse TEM d’une cavité laser Figure 8 - Le blocage des modes (synchronisation de la phase) génère des impulsions de courte durée. Ici trois modes donnent des impulsions de largeur Tableau 1
• 1.3 - Modes d’une cavité laser et blocage des modes
  Tableau 2
• 1.4 - Lasers impulsionnels, ns, ps, fs et as
  Figure 9 - Principe du laser femtoseconde titane : saphir (d’après Manuel Joffre ). La partie oscillateur génère les impulsions femtosecondes Figure 10 - Optiques non linéaires appliquées à la conversion de fréquences des faisceaux laser
• 1.5 - Lasers accordables : choix de la longueur d’onde
  Tableau 3 Tableau 4

2 - Techniques de mise en œuvre des lasers

• 2.1 - Mise en forme des faisceaux. Lentilles de précision
  Figure 11 - Focalisation par lentille de précision et objectif de microscope indispensable pour une bonne résolution spatiale. L’utilisation de plans conjugués de ces lentilles (objet-image) est le principe de base du montage dit « confocal » Figure 12 - Piégeage optique des particules utilisé pour l’immobilisation en spectroscopie Raman
• 2.2 - Piégeage optique (particules, etc.)
  Figure 13 - Exemple d’ablation laser de surface : cratère obtenu dans du polyimide avec le laser à excimère à 193 nm, une centaine d’impulsions à une fluence de 200 mJ/cm2 
• 2.3 - Désorption et ablation (solides, liquides, gels, tissus)
  Figure 14 - Ablation laser KrF en mode microperçage du poly(éthylène téréphtalate) illustrant la limite où le profil devient stationnaire , diamètre de trou 25 m Figure 15 - Principe de l’absorption et de l’ionisation multiphotonique. L’absorption simultanée de deux photons peut exciter la fluorescence du milieu
• 2.4 - Nanoabsorption, nanoablation et nanoanalyse
  Figure 16 - Principe de l’absorption nanoscopique au point focal du laser femtoseconde par excitation multiphotonique
• 2.5 - Usinage de précision, microcanaux
  Figure 17 - Microcanaux réalisés dans du verre par ablation laser fs à 527 nm, suivant le principe de l’absorption multiphotonique (Reproduit avec la permission des auteurs )

3 - Techniques de spectroscopie laser

• 3.1 - Techniques fondées sur la diffusion, Rayleigh, Mie, Raman
  Figure 18 - Principe des transitions de diffusion fluorescence-Rayleigh-Raman Figure 19 - Principe du microscope confocal appliqué à la microanalyse Raman d’échantillons liquides et solides Figure 20 - Principe des transitions impliquées dans le phénomène CARS (coherent anti-Stokes Raman scattering ) Tableau 5
• 3.2 - Émission de photons : spectroscopie de fluorescence
  Figure 21 - Molécule sonde typique utilisée en détection de fluorescence induite par laser : fluorescéine isothiocyanate (FITC), laser utilisé Ar+ à 488 nm (trait pointillé vertical) Tableau 6
• 3.3 - Ionisation et analyse des atomes (LIBS) et des ions (ICP-MS)
  Figure 22 - Exemple de schéma de principe d’un montage de LIBS permettant l’analyse d’échantillons distants. Comparaison des spectres d’émission du plasma d’ablation d’une cible de cuivre, excitée par deux impulsions de durée différentes (80 fs et 200 ps) afin de démontrer l’influence de la durée d’impulsion Figure 23 - Principe d’un système d’analyse par ICP-MS-ablation laser. Le solide est vaporisé par le laser et l’aérosol formé est entraîné par le courant d’argon dans l’ICP qui complète l’atomisation avant l’entrée dans le spectromètre de masse
• 3.4 - Analyse des protéines par MALDI-SM
  Figure 24 - Principe de la technique MALDI qui permet de désorber et d’ioniser des molécules très grosses (en bleu, protéines par exemple) tout en minimisant le risque de leur fragmentation Figure 25 - Principe des spectroscopies photoacoustiques et photothermiques tirant profit de la relaxation photothermique dans les molécules absorbant les photons
• 3.5 - Spectroscopie photoacoustique et caractérisation photothermique
  Figure 26 - Principe d’un montage de spectroscopie photoacoustique expérimental, le balayage en longueur d’onde est assuré par un laser de type OPO, (d’après la référence )
• 3.6 - Spectroscopie sub-Doppler à haute résolution
  Figure 27 - Schéma de principe de la spectroscopie de saturation améliorée par les lasers accordables OPO Figure 28 - Spectre de saturation des raies Balmer du deutérium atomique (trait continu) en comparaison du spectre de raie d’émission (en pointillé)
• 3.7 - Technique du mélange à quatre ondes
  Figure 29 - Principe d’une détection par mélange à quatre ondes

4 - Applications en analyse dans l’environnement et le laboratoire

• 4.1 - Analyses de traces, analyses localisées, tomographie fs ICP-MS
  Figure 30 - Mesure des isotopes du tungstène par LA-ICP-MS (pics en bleu). L’ablation laser femtoseconde apporte une résolution bien supérieure à la technique d’évaporation par haute tension
• 4.2 - Spectrométrie Raman télescopique dans l’environnement (BTEX)
• 4.3 - LIDAR Téramobile 
• 4.4 - Imagerie 2D, 3D, OCT
  Figure 31 - Principe du « temps de vol des photons » qui est utilisé en analyse tomographique à cohérence optique 
• 4.5 - Utilisation des lasers en usinage des microlaboratoires d’analyse sur puce

5 - Conclusions