Diagnostics laser LIF

L’acronyme LIF signifie « Laser Induced Fluorescence ». La LIF est directement basée sur l'interaction rayonnement/matière. La méthode consiste, dans un premier temps, à exciter une espèce choisie sur un état électronique supérieur par absorption d'un rayonnement laser. La fréquence de ce rayonnement est accordée sur celle d'une transition énergétique (E_A = hν_A = hc/λ_A ) propre de l'espèce étudiée (figure 1), offrant ainsi un premier critère de sélectivité de la méthode. Le signal de fluorescence est le rayonnement qu'émet spontanément l'espèce excitée au cours de sa relaxation vers les niveaux d'énergie inférieure. Ce rayonnement se produit à une fréquence spécifique d’une transition énergétique de la molécule (E_E = hν_E = hc/λ_E ), offrant un second critère de sélectivité de la méthode. Celle-ci n’est pas nécessairement identique à la fréquence d’excitation. La détection et l'analyse du signal de fluorescence permettent de mesurer la densité de population du niveau d'énergie excité, à partir de laquelle la concentration totale de l'espèce pourra être déterminée.

La détection et l'analyse du signal de fluorescence permettent de mesurer la densité de population du niveau d'énergie excité, à partir de laquelle la concentration totale de l'espèce pourra être déterminée. Le flux de fluorescence est collecté par un photodétecteur (Figure 2). Ce flux d’énergie est représentatif de la probabilité d’émission de l’espèce excité et de la densité de population de l’espèce portée à un état excité.

Le principe de la LIF s’explique à partir d’un schéma à niveaux énergétiques illustré Figure 3.

Le modèle considère les interactions entre deux configurations électroniques de la molécule A ; un niveau électronique excité E₂ et le niveau électronique fondamental E₁. Avant l’impulsion laser, toutes les molécules A se trouvent sur le niveau énergétique E₁ ; leur densité est égale à N₁(t=0). Pendant, et après l’impulsion les molécules A se trouvent avec une densité de population N₁(t) et N₂(t) sur chacun des 2 niveaux. A tout instant, N₁(t)+N₂(t)=N₁(t=0)

Les processus d’absorption et d’émission stimulée se produisent pendant la durée de l’impulsion laser. Le processus d’émission spontanée ou fluorescence correspond à une dé-excitation des molécules A en émettant des photons de fluorescence. Les molécules présentes dans un niveau excité peuvent relaxer vers un niveau inférieur par collision avec les autres partenaires de collision présents dans le milieu. Ce phénomène non radiatif dépend de la section efficace de collision de chaque espèce A avec les partenaires B. Cette relaxation entre directement en compétition avec la fluorescence et constitue alors l’un des facteurs limitant de l’aspect quantitatif de cette technique. Ce phénomène dépend linéairement de la pression du milieu. Il sera minimisé dans les environnement à basse pression.

Pendant l’impulsion laser d'intensité Ɪ_L, la variation de la densité de population de la molécule A sur le niveau d’énergie E₂, N₂(t), s’exprime :

dN₂(t)/dt=N₁(t)B₁₂Ɪ_L-N₂(t)B₂₁Ɪ_L-N₂(t)A₂₁-N₂(t)Q₂₁

En condition de régime stationnaire et linéaire en énergie, la densité de population N₂ atteint une valeur stationnaire, N_2,stat, qui est reliée à la densité de population initiale N₁(t=0) selon :

N₂=N_1(t=0).B₁₂.Ɪ_L/(A₂₁+Q₂₁)

Le flux de fluorescence correspond à la fraction de la molécule A, se trouvant dans un volume de mesure V et sur le niveau d’énergie E₂ qui émet un photon de fluorescence.

Φ(t)=N₂(t).ΩV.A₂₁hν/4π

Φ(t)=N_1(t=0).ΩV.B₂₁.A₁₂.hν/[4π.(A₂₁+Q₂₁)]

La mesure du flux de fluorescence permet difficilement de déterminer la densité de population de la molécule A N₁(t=0). Pour cela, nous utilisons d’autres méthodes de quantification absolue telles l’absorption ou la méthode des ajouts dosés.

Mesure d’espèces traces de 2 ou 3 atomes au sein d’une flamme laminaire de prémélange à basse pression (NCN, NCO, NH, CH, NO, CN).

Mesure de la température par NO LIF au sein de flammes laminaires de prémélange à basse pression et pression atmosphérique.

LIF à 2 photons pour la mesure d’atomes (H, O) dans des flammes à basse pression, la mesure de la température.

Planar LIF

Jet-cooled LIF

FAGE

Description du dispositif de détection LIF haute cadence

Nous avons également mis en place un système laser Sirah identique à celui utilisé sur le dispositif FAGE mais travaillant à 10 kHz et 282 nm (pas de problème avec l’ozone dans la cellule) pour la détection de OH. La fluorescence est collectée autour de 308 nm (+-10 nm) grâce à un filtre placé devant le CPM. En travaillant avec un laser d’excitation de la FIL à 10 kHz, on peut enregistrer l’ensemble de la décroissance temporelle de la concentration de OH avec une résolution de 100µs à chaque tir de photolyse. Sa fréquence de tir qui peut donc être réduite et ajustée aux besoins du dispositif cw-CRDS (0.2 Hz en général, lié au temps nécessaire au traitement des évènements ring-down).