instrumentation in raman spectroscopy: elementary … · notions sur l’instrumentation en...
TRANSCRIPT
NOTIONS SUR
L’INSTRUMENTATION EN
SPECTROSCOPIE RAMAN
J.Dubessy
UMR GeoRessources, CNRS-UL-CREGU
1
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Points traités
INTRODUCTION
1) GENERALITES
2) LES SOURCES D’EXCITATION : LES LASERS
3) LA DISPERSION DES DIFFERENTES RADIATIONS
4) LE PRINCIPE DUN SPECTROMETRE DE TYPE CZERNY-TURNER
5) LES DETECTEURS CCD
6) LES MICROSPETROMETRES RAMAN
2
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
• Initialement une curiosité physique liée à la faible intensité du signal
• Lasers + détecteurs électronique (PM): études des cristaux, liquides et gaz dans les laboratoires de chimie-physique.
• Microsondes à effet Raman: 1975-1978: Rosasco (USGS), et Delhaye-Dhamelincourt (LASIR, Lille, France) + compagnies d’instrumentation
• Détecteurs CCD + réjection des lasers par filtres: appareils lumineux; pénètrent laboratoires toutes sciences, nombreuses compagnies.
• Plus récemment, instruments portables, portatifs, spatialisables
Introduction -1) Generalités-2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
3
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Déplacement Raman: en nombre d’onde
relatifs par rapport à la radiation excitatrice
RASMIN (Raman Spectra Database of Minerals and
Inorganic Materials) Intensité des raies Raman fonction de :
• polarisation intrinsèque de la radiation
• conditions de polarisation de l’excitation et
de la collection du signal
• Concentration: nombre vibrateurs / volume
• Section efficace de diffusion Raman
• Interactions moléculaires, P, T
Déplacement Raman relatif,
largeur et forme
Musso et al. (2004) Critical line shape behavior of fluid
nitrogen. Pure Applied Chem, 76, 147-155
Introduction -1) Generalités-2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
4
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
=> Nombre d’onde absolu pour une radiation Stokes jR
abs
jR ,0,
00 1 l Longueur d’onde de la radiation excitatrice:
nombre d’onde absolu
0l
jR
abs
jRjR ,0,, 11 l Longueur d’onde de la radiation Raman
1 µm 10000 cm-1; 0.5 µm = 500 nm 20000 cm-1
Introduction -1) Generalités-2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Déplacement Raman en
longueur d’onde 0,, lll jRjR
jR,
Nombre d’onde / longueur d’onde
5
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Pour l0 = 266 nm, précision de 1 cm-1 to 6.310-3 nm = 7.110-2 Å
Pour l0 = 785 nm, précision de 1 cm-1 to 6.110-2 nm = 6.110-1 Å
Le spectre Raman est d’autant plus dispersé sur un plus grand intervalle de
longueur d’onde que la longueur d’excitation est élevée
Conséquences sur la résolution spectrale variable le long du spectre Raman
Conséquences sur la variation de l’efficacité des composants
Introduction -1) Genéralités-2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Déplacement Raman de 4000 cm-1 en l; précision/justesse en l
λ0(nm) l(nm)
266 37594,0 33594,0 297,7 31,7
350 28571,4 24571,4 407,0 57,0
457,9 21838,8 17838,8 560,6 102,7
488 20491,8 16491,8 606,4 118,4
514,532 19435,1 15435,1 647,9 133,3
660 15151,5 11151,5 896,7 236,7
785 12738,9 8738,9 1144,3 359,3
1064 9398,5 5398,5 1852,4 788,4
6
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
mNd
d
A
NN
R
0
0
Nombre de
photons Raman
Nombre de
photons lasers
Section efficace
différentielle de
diffusion Raman
Angle solide
de collection Nombre de molécules
excitées
Aire excitée de
l’échantillon
Introduction -1) Genéralités-2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Ordre de grandeur des intensités de la diffusion Raman:calculs radiométriques
7
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
mNd
d
A
NN
R
0
0
photons 104)1( 17
0sN
0100
)1( l photonEWsN
JchE photon187834
001 104105.01031062.6 ll
-1J.s 0.1 Watt 1.00
W
1-233-35 .srm 10 to10
d
dsr 1 ALNm LANm
108328-333517 10 to101010310 to101040
R
N
3-28
23
3
mmolecules. 1031002.602.0
10
m 001.0L
Introduction -1) Genéralités-2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Ordre de grandeur des intensités de la diffusion Raman: calculs radiométriques
8
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
l = 488 nm
Diffusion Rayleigh Diffusion Raman
Stokes
Cyclohexane
Vue à travers un
Filtre rejetant
les radiations à
488 nm
Raman experiment and eyes !
blog.lib.umn.edu/chaynes/
Introduction -1) Genéralités-2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Intensités Raman
9
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Luminance monochromatique de la lumière du soleil à l =0.5 µm
pour 1 cm-1 de largeur de bande
0.02 à 2 Raman photons s-1 !
Introduction -1) Genéralités-2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Ordre de grandeur des intensités de la diffusion Raman; calculs radiométriques
Un filtre photographique à bande étroite
pour créer une radiation
« monochromatique » (violet), et un filtre
(jaune-vert)pour bloquer la lumière
excitatrice
Un des premiers spectres Raman par...Raman
10
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
First Raman experiment
Excitation par lampe à Hg
Raies Raman
Introduction -1) Genéralités-2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Premier spectrographe Raman ... de Raman
11
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
117 10 to100
R
N
• source lumineuse: puissance élevée, « quasi monochromatique » et stable:
• rejet efficace des radiations à longueur d’onde égale à celle de l’excitatrice
et des lumières parasites
• transmission élevée du système dispersif et résolution spectrale élevée
• détecteur à haute efficacité
1715
,10 to10
0
reflectionN
6-9 ordres de
grandeurs
1312
,10 to10
0
RayleighN
2-5 ordres de
grandeur
Introduction -1) Genéralités-2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Qualités requises pour un spectromètre Raman
12
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Introduction -1) Genéralités-2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
TYPES DE SPECTROMETRES
DEUX TYPES GENERIQUES DE SPECTROMETRES
1. TYPES DISPERSIFS
2. SYSTEMES NON DISPERSIFS DITS MULTIPLEX
13
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Introduction -1) Genéralités-2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Eléments constitutifs d’un (micro)-spectromètre Raman dispersif
1. SYSTEMES DISPERSIFS
• Longueurs d’ondes séparées spatialement
• Si détecteur monocal, les longueurs d’onde sont amenées
successivement sur le détecteur
• Si détecteur multicanal, plusieurs longueurs d’onde sont enregistrées
simultanément.
14
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Introduction -1) Genéralités-2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
2-Systèmes non dispersifs dits à Transformée de Fourier
15
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Soleil, Townes suggère Premier laser Ar+, Kr+ Nd-Yag Laser diodes
Lampe Hg l’usage des lasers (Porto-Weber) 532 nm
1964 (He-Ne) sur
spectromètre Cary
1928 1960 1963 1969 2000 2005
Fin de la commercialisation des lasers (1W-10W) Ar+ / Kr+ ?
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Lasers et spectroscopie Raman
16
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
The excitation source: lasers
Laser = Light amplification by stimulated emission of radiation: 1957-1960
Charles Hard Townes, Arthur Leonard Schawlaw (Bell labs); Gordon Gould (Columbia
University); Theodore H. Maiman (Hugue Research lab)
Emission
spontanée
h
E1 Niveau
fondamental
Niveau excité E2
Absorption de la
radiation
h
h
h h
Emission
strimulée
Pompage:
inversion
population
Définit le type de laser
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Lasers : principe
+ un résonateur optique promouvant l’émission stimulée avec 2 miroirs
(un réfléchissant totalement à l’arrière et l’autre réfléchissant 99% à la tête) 17
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Deux types de modes dans le résonateur: modes longitudinaux, différant en fréquence;
modes transverses, différant en fréquences et distribution de l’intensité de la lumière.
Seul le mode TEM00 est
utilisé en spectroscopie
Raman
Profil gaussien d’intensité
Lasers : les modes transverses
18
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
A l’angle d’incidence de Brewster, la fenêtre transmet les radiations ayant une polarisation
parallèle au plan d’incidence). Les radiations polarisées perpendiculairement au plan
d’incidence(S) sont renvoyées hors de la cavité par réflection.
P
S
S
P
Miroir
n q
ntg Brewster q
Polarisation de la radiation excitatrice => accès à l’état de polarisation
des radiations Raman
Mesures des taux de dépolarisation des radiations Raman
Conséquences sur la transmission des radiations par les réseaux
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Lasers : polarisation
19
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
q0
00
,0,02
q
q
w
wM
RRFacteur de qualité, M2
(appelé facteur M2): défini pour décrire la déviation du
faisceau laser par rapport à celle d’un faisceau
théorique Hermite-gaussien.
Pour les lasers continus à gaz et le laser He-Ne, 1.1<M2<1.3
Pour les lasers à diode1.1<M2<1.7
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Lasers : divergence, facteur de qualité M2
20
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Lasers : Stabilité en fréquence et largeur de bande
Les lasers de type diode étaient autrefois peu stables en fréquence et avaient
une largeur de bande relativement importante non compatibles avec la
spectroscopie Raman
Des améliorations technologiques importantes ont été réalisées: néanmoins on
présente des calculs simples permettant de faire des vérifications.
Stabilité en nombre d’onde. La stabilité est souvent donnée en pm.
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Largeur de la bande excitatrice. La largeur de bande est souvent donnée en Mhz.
21
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Ar+: 351.1; 364; 457.9; 488; 514.5 Kr+: 350.7; 406.7; 413.1; 530.9; 647.1; 676.4
Nd-YAG+: 256; 365; 532; 1064; Laser diodes: 405; 635; 660; 785
Le choix d’une raie d’excitation ...et du laser
• luminescence des échantillons usuels étudiés;
• Conséquences sur optique, réseaux, détecteurs
Ar
458 nm
Diode
405 nm
Diode
660 nm
Lasers : Les longueurs d’onde disponibles dans le visible
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
22
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
• Soit par un double ou triple monochromateur
• soit par un ou deux filtres optique de densité optique DO = 6
• super-Notch filter: « puits d’absorption » centré sur l0 30 cm-1
• filtre EDGE: passe-bande haut
6log,0
DO
I
I
incident
transmis
Lasers : Réjection de la longueur d’onde excitatrice l0
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers-3) Dispersion l-4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
23
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
1785 1928 1953 1972
Réseau à prismes Réseaux gravés holographic
Cheveux ! de précision gratings
Basé sur la réfraction :
n = f(l)
Basé sur la diffraction
Cary: spectromètre
double additif
Czerny-Turner
Lasers : Réjection de la longueur d’onde excitatrice l0 et séparation Raies Raman
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
24
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
• Les réseaux travaillent en transmission ou réflexion
• Les réseaux travaillant en transmission sont faits de domaines allongés parallèles qui
transmettent la lumière et de domaines opaque : équivalent à un arrangement de fentes
parallèles correspondant aux zones de transmission.
• Les réseaux de type réflexion sont un assemblage de miroirs allongés équivalents à
des fentes; les « traits » correspondent aux parties opaques.
Modèle Physique: arrangement nombreuses fentes
parallèles et de même largeur.
Les réseaux: arrangements de fentes //, équidistantes et égales
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
25
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
2
0
sin
II
l
q
sin
b
Les réseaux: diffraction d’une radiation par une fente
q
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
26
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
S1
S2
M1
M2
M3
m1
m2
m3
b
P
Sm
• Distribution symmétrique des maxima et minima de l’intensité lumineuse
• Maxima secondaires
b
kbk
2
12sin
sin
212 max
lq
l
q
• Minima secondaires
b
kbk
lq
l
q
12sin
sin12 min
• Largeur du maximum central 2 (l/b) q 0 si b/l>>1: source ponctuelle
• si (l/b) 1, alors à k=0, qmin /2 => large maximum central
2
0
sin
II
l
q
sin
b
Les réseaux: diffraction d’une radiation par une fente
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
27
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
ql sind
2
2
2
0 cossin
2
II
Enveloppe d’une
seule fente
Les réseaux: diffraction d’une radiation par deux fentes
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
28
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
GRATING THEORY: 2 single slits
Fentes étroites =>, les positions des maxima sont déterminés essentiellement par cos2
ql sind
2
2
2
0 cossin
2
II
Enveloppe d’une
seule fente l
q
sin b Représente les interférences
résultant de deux faisceaux de
même intensité
Maxima pour cos2 = 1
llllq
ql
md
d
,...3 ,2 , ,0sin
,...3 ,2 , ,0sin
Les réseaux: diffraction d’une radiation par 2 fentes
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
29
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
GRATING THEORY: N single slits
Terme de l’enveloppe
d’une fente
l
q
sin
sin
sinsin2
2
2
2
2
0
d
NII
Représente les interférences
résultant de N faisceaux d’égales
intensités provenant de N fentes
Les réseaux: diffraction d’une radiation par N fentes
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
d: distance entre deux
zones opaques
30
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
l
q
sin
sin
sinsin2
2
2
2
2
0
d
NII
lllllq mmd ,...3 ,2 , ,0sin
Les réseaux: diffraction d’une radiation par N fentes /équation du réseaul
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
m
N
N quand 1
sin
sinValeur maximum
ql sind
d: distance entre deux zones opaques ou distance entre 2 traits du réseau
31
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
GRATING THEORY: grating equation
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/
m = -2 m = -1 m = 0 m = +1 m = +2
Les réseaux: diffraction d’une radiation
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
lllllq mmd ,...3 ,2 , ,0sin
32
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
lllllq mmid ,...3 ,2 , ,0sinsin
2d
,2sinsin comme l
q mi
0m Réflexion
spéculaire
miroir
:m Ordre de la diffraction
m = 1 pour les spectromètres
Czerny-Turner
Les réseaux: diffraction d’une radiation, équation du réseau
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
En général, lumière incidente à angle i non nul
33
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Diffraction
monochromatique
Diffraction
polychromatique
222
111
sin
sin
lq
lq
md
md
221121 llqq mm 2121
2
3 3;2 ll mm
Superposition
des ordres
Rouge: 600 nm
2° ordre
Violet 400 nm
3° ordre
http://h2physics.org
Les réseaux: diffraction des différents longueur d’onde
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
34
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
llaser = 514.535 nm
Spectre Raman; m=1;
Pas possibilité de recouvrement
m =0
Les réseaux: diffraction d’une radiation, équation du réseau
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
35
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
lq mid sinsin
6000(VPHG)-3000-150 G
traits/mmde nombre 1
: traitsdes Densité
d
G
lq mGi sinsin
À m et l constants, l’angle diffraction est proportionnel à la densité des traits
Les réseaux: densité des traits et équation du réseau
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
36
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
qqq
lq
l
qlq
coscosA cos
Aet sinsin
Gm
l
mDet
AD
m
d
dml
d
dDmil
DA : proportionnelle à m et G
Les réseaux: dispersion angulaire
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
37
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Raies
parfaitement
résolues
Raies résolues selon le critère de Rayleigh
Le premier minimum de diffraction de
l’image d’une source ponctuelle coïncide
avec le maximum of la raie voisine.
Raies non
résolues
Les réseaux: pouvoir résolvant chromatique; critère de Rayleigh
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
l
l
R
définit la capacité de séparation de 2 raies
voisines par un réseau: l est le plus
petite différence en longueur d’onde
observable. On montre que
38
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
mNR
l
l
d
LN
g
dl si
Le meilleur pouvoir résolvant chromatique est
proportionnel à la dimension du réseau
perpendiculaire aux traits
2
meilleur ll
l gL
dl si
l d if
2
best ll
l gL
et d
LmR
g lq mid sinsin
Les réseaux: pouvoir résolvant chromatique; critère de Rayleigh
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
39
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
mNkk lll2kVecteur d’onde
200000 N
cm 10
μm 5.0
gL
l
1-
min cm 1,010
1
mNmNkk
l
122
Les réseaux: pouvoir résolvant chromatique;
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
GG G, avec , si mais ;G avec , ll dd
gg LG
G
LNd
1min
Effet de la densité de traits sur le pouvoir
chromatique résolvant
40
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Angle d’incidence et angle de blaze :
une diffraction à l’angle de blaze pour
un ordre de la diffraction telle que la la
radiation réfléchie par la facette et la
radiation diffractée suivent le même
trajet optique
Etat de polarisation de la radiation
incidente / traits du réseau
Courbes d’efficacité fonction de la longueur d’onde
1) Absolue = Incidente(l)/Diffractée(l)
2) Relative = Diffractée(l)/Réfléchie(l) by par le miroir avec le même revêtement
Les réseaux: intensité de la radiation diffractée
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
41
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
L’efficacité d’un réseau dépend de
la longueur d’onde, polarisation de la radiation incidente, de l’angle d’incidence,
ordre de la diffraction, profile des traits, et de la couche protectrice
Sélection du réseau dépend de la radiation excitatrice:
longueur d’onde de blaze.
Efficacité maximum à
l’angle de blaze pour
une polarisation //
traits du réseau
Les réseaux: intensité de la radiation diffractée
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
42
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Spectromètre Czerny-Turner:
- Bonne dispersion dans un plan focal
relativement grand
- champ plan d’extension limitée.:
Spectromètre Imageur:
Absence de distorsion de l’image de la
fente sur le détecteur en bordures
d’image
Deux types de spectromètres dispersifs
43
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
La source et le détecteur
sont dans une position fixe:
Dv = angle de déviation
iDv q
lq mGi sinsin
lqqq
mG
Diii v
2cos
2sin2
2cos
2sin2
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Principes de bases
44
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
files.chem.vt.edu
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Configuration réelle d’un spectromètre de type Czerny-Turner
45
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
2vD
q i2
q
i
q 2i
q 2i
Relations angulaires
,
l mGcossin2
rotation de angle
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Equation de la configuration réelle d’un spectromètre de type Czerny-Turner
46
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD-6) Micro-Raman
Barre sinus de rotation d’un spectromètre de type Czerny-Turner
l mGcossin2
47
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
1928 1940 1950 1964-1967 1978 1986 2014
Eyes, Photomultiplier Image Intensifier Intensified CCD
photographic tube Vidicon Camera Photodiode Array
plate
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD -6) Micro-Raman
Détecteurs CCD
48
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Inventé in 1969 chez AT&T Bell Labs par Willard Boyle et George E. Smith
Prix Nobel de Physique en 2009
Formation d’une paire électron/trou dans une couche
de Si dopée p si E(photon) > Si band gap
200-1100 nm (limite Si)
Electrons sont stockés et lus par une électrode
Réseau 2D de « détecteurs » individuels = pixels
1024 x 256 pixels (26 µm x 26 µm)
Kodak
Refroidi à -90 °C (Effet Pelletier) ou à -130°C (N2 liquide) pour éliminer le bruit
thermique
Eclairé frontalement ou à l’arrière: conséquences sur le rendement quantique
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD -6) Micro-Raman
Détecteurs CCD
49
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Efficacité quantique lEQ = nombre d’électrons générés par photons incidents
Andor Company Le choix du CCD est lié à la
longueur d’onde d’excitation
Détecteurs CCD : QE élevés, faibles courant noir, faible bruit de lecture : contribué
au développement de l’usage de la spectroscopie Raman en Sciences de la Terre
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD -6) Micro-Raman
Détecteurs CCD: efficacité quantique
50
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Dispersion linéaire des
différentes radiations: déduite
de la dispersion angulaire
produite par le(s) réseau(x)
BWTE
K
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD -6) Micro-Raman
Détecteurs CCD: codage des nombres d’onde
Chaque pixel mesure une
fraction d’intensité lumineuse
(flux de photons) .
Pour une longueur d’onde
donnée, codage de l’intensité
par somme des pixels dans
une colonne (binning)
Codage des nombres d’onde le long de la
plus grande dimension du CCD
51
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
dx
dDLR
lDispersion linéaire moyenne pour une longueur d’onde
Dispersion linéaire réciproque (DLR)
Pour un spectromètre de distance focale f: longueur arc de cercle: dfdx
lqqq
mG
Diii v
2cos
2sin2
2cos
2sin2
Pour un spectromètre Czerny-Turner
mfGmf
d
dx
d
l coscos2coscos
2
DLR est reliée à la
dispersion angulaire
par la DA
q, angle de diffraction
, angle de rotation
du spectromètre dx
d
d
d
d
d
dx
d
q
q
ll
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD -6) Micro-Raman
Détecteurs CCD: codage des nombres d’onde
or 1
d
d
xDA
dx
dDLR
l
52
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
mfGmf
d
dx
d
l coscos2coscos
2
Application numérique: petit angle (cos =1); f = 800 mm; traits d = 0.5 µm;
diffraction au 1° ordre; = 30 °
dx
d
d
d
dx
d l
l
Passage à l’échelle des
nombres d’onde
l 1
,
1-3μm.mm1008.1800
30cos5.02
dx
dl
CCDdu couverturecm 880
cm/cm3671008,1108435,1
1
1624
x
Autour Raman
1000 cm-1 / 514.5 nm
111000cm
1 cm18435cm19435
laser
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD -6) Micro-Raman
Détecteurs CCD: couverture du CCD
53
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
1 pixel 26 µm correspond à 0.95 cm-1 /pixel = résolution spectrale du pixel
CCD : wavenumber coding
cm/cm367 1
x
1 pixel 26 µm = 2.6 10-3 cm
Résolution réelle du détecteur:
33
CCDpixelerspectromet w
x
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD -6) Micro-Raman
Détecteurs CCD: résolution spectrale du CCD
54
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Spectral resolution
22
erspectrometslitSR lll 22
erspectrometslitSR
dx
dlslit
1 and 1;
cos
cos
respectromètdu ent grossissem :
q
B
A
B
A
L
L
L
Li
fente la delargeur l
Poursuite de l’application numérique
µm 100 /cm,cm367 1 ldx
d -1cm 67.3 slit
-1cm 74.4
SR
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD -6) Micro-Raman
Détecteurs CCD: Résolution spectrale du spectromètre
55
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
00
0
,, ALdALFx
Source Fonction d’appareil
Modification du profil de bande par
l’instrument.
Lorentzien => Gaussien, mélanges
Condition de non modification du
profile de bande et de non
élargissement :
Résolution instrumentale < 1/5 la
largeur à mi-hauteur du profil naturel
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD -6) Micro-Raman
Forme des bandes
56
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czeny-Turner-5) CCD -6) Micro-Raman
Principe de calcul radiométrique
Quelques valeurs
numériques:
T = 0,5; Q <= 0,9.
57
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Optimum des conditions de couplage: flux constant de photons transportés de
l’échantillon au détecteur sans aucune perte (sauf celles résultant de
l’absorption): Etendue ou « throughput » est constante
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czeny-Turner-5) CCD -6) Micro-Raman
Principe de calcul radiométrique-couplage microscope-Spectromètre
58
AE AS E S
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
..46.0 ANxy l Résolution latérale du microscope
Résolution axiale du microscope 2.).(
4.1
ANz
l
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD -6) Micro-Raman
Couplage microscope-spectromètre: résolutions spatiales du microscope
Résolutions spatiales d’un microscope: plus petites distances qui peuvent être
distinguées optiquement, soit latéralement, soit le long de l’axe optique du
microscope
Ces valeurs limites ne signifient pas que le signal en optique ou en Raman
collecté par le microscope sera limité au volume défini par ces deux grandeurs.
N.A. : numerical aperture ou ouverture numérique de l’objectif
59
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Si l’on veut limiter le volume vu le long de l’axe optique, soit en observation ou en
spectroscopie Raman: microscope confocal.
Microscope confocal: ouverture supplémentaire appelée trou confocal avant
l’entrée dans le spectromètre. Limite de manière importante la contribution au
spectre Raman des zones de l’échantillon située hors de plan focal de l’objectif de
collection.
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD -6) Micro-Raman
Couplage microscope-spectromètre: spectroscopie Raman confocale
Permettra de distinguer des zones distinctes par exploration de la profondeur:
Résolution spatiale du spectromètre s’approchant de la résolution spatiale ultime
du microscope. 60
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
Degradation of spatial resolution by refraction
Objectifs secs /objectifs à immersion
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD -6) Micro-Raman
Réfraction et matériaux transparents
61
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
10-15g.(nm3)
1928 1950 1970 1990 2010
g (cm3)
10-3g (mm3)
10-12g (µm3)
Hg lamp
Conventional laser R.S.
Raman microspectroscopy
Near-field spectroscopy
VOLUMES ECHANTILLONES
Delhaye and Dhamelincourt
62
Introduction -1) Genéralités -2) Lasers -3) Dispersion l -4) Czerny-Turner-5) CCD -6) Micro-Raman
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy
63
Adar, F. (2001) Evolution and revolution of Raman instrumentation – Application
of available technologies to spectroscopy and microscopy. In: Handbook of
Raman Spectroscopty – From the Research Laboratory to the Process line (I.R.
Lewis & H.G.M. Edwards, editors). Practical spectroscopy Series volume, 28.
Marcel Dekker, Inc., New York, pp. 11–40.
Delhaye, M., Barbillat, J., Aubard, J., Bridoux, M. & Da Silva, E. (1996)
Instrumentation. In: Raman Microscopy – Developments and Applications (G.
Turrell & J. Corset, editors). Academic Press, London, pp. 52–173.
J. Dubessy, F. Rull & M.-C. Caumon, 2012. Applications of Raman Spectroscopy
to Earth Sciences and Cultural heritage. EMU Notes in Mineralogy, 12.
Richard L. McCreery (2000) Raman Spectroscopy for chemical analysis.
Wiley InterScience.
Quelques références
Ecole Wurm de spectroscopie Raman-CNRS / Lyon 3-7/11/2014. Jean Dubessy