CHAPITRE I: Description du dispositif expérimental
1.4 Interaction laser
Interaction laser
+2200 V +2300 V
+ n°
Détecteur 1
Détecteur 2
0V
1
3 2
Figure 1-14 : Le réflectron envoi les fragments ioniques vers le détecteur 2
On peut espérer détecter les fragments positifs si les masses respectives des ions fragments et parents sont très différentes. Dans ce cas on peut déterminer la masse des fragments, comme dans le cas du dimère de benzène où le fragment ionique est le benzène protoné [16]. Mais si la perte en masse est faible, par exemple la perte d’un atome d'hydrogène, le fragment positif sera le radical cation de la molécule, ce signal relativement faible est masqué par les radicaux cations formés dans la décharge. Il faut alors éliminer les radicaux cations formés dans la décharge (voir « Mass gate » paragraphe 1.6.1)
signal complémentaire à ωc (parfois appelé idler). La conservation de l'énergie impose que ωp = ωs+ωc. La conversion de fréquence de la pompe vers les deux ondes est réalisée par un cristal non-linéaire.
Dans notre cas, le laser OPO (Euroscan Instruments) [66] est pompé par la troisième harmonique
d’un laser ND-YAG (Quantel) [67] à 1064 nm ( Figure 1-15), la
puissance de pompe est de 1,25 W à une longueur d’onde de 355 nm. Le milieu non linéaire est constitué d'un cristal BBO (Beta Barium Borate) inséré dans une cavité laser.
355 nm µm BBO 1 etalon
Etalons 710-410 nm
2600-410 nm nm
Linear CCD
Figure 1-15: le laser OPO, schéma général.
Caractéristiques
:a) Le laser couvre la région spectrale de 410 nm à 700 nm avec une résolution de 3 cm- 1.
b) La puissance laser dépend de la longueur d’onde (Figure 1-16). Cette variation de l’intensité émise exige une normalisation du signal d’absorption.
Longueur d’onde (nm)
Puissance Laser (mw)
Figure 1-16 : variation de la puissance laser OPO en fonction de la longueur d’onde. Plusieurs mesures ont été effectuées dans la région spectrale de 410 à 625 nm.
Interaction laser
c) L'étage de génération de la deuxième harmonique SHG est équipé de deux cristaux de BBO, il peut couvrir la région spectral de 210 nm jusqu’ à 400 nm
d) Un spectromètre à réseau est intégré pour la calibration automatique de l’OPO (résolution de 2 cm-1).
Laser TDL :
On a aussi utilisé un laser à colorant TDL (Quantel-TDL 90) qui permet d’obtenir une puissance plus élevée (30 mW - 400 mW). Le milieu d'émission du laser est un colorant organique en solution liquide enfermé dans une cuvette de verre. Le pompage est réalisé par un laser ND-YAG pulsé et doublé en fréquence (ω2 = 532 nm). Les fréquences émises sont sélectionnées grâce à une cavité composée d'un réseau et d’un miroir (Figure 1-17). La gamme spectrale est essentiellement déterminée par le choix du colorant.
Figure 1-17 : oscillateur de laser à colorant TDL, un miroir est face à un réseau holographique à incidence rasante ce qui permet de sélectionner la longueur d’onde oscillant dans la cavité.
L’accordabilité en longueurs d’onde est obtenue par la rotation motorisée du miroir face au réseau holographique à incidence rasante. L’utilisation d’un réseau 2400 traits/mm permet d’atteindre la gamme 380-750nm, configuration particulièrement adaptée à la génération d’Ultra-Violet (200 - 420nm). Un réseau 1800 traits/mm couvre la gamme 500 - 900 nm et permet d’accéder aux longueurs d’onde Infrarouge 1200 - 4500 nm par soustraction de fréquences. Chaque colorant utilisé couvre une plage d'environ 40 nm autour de la longueur d’onde fondamentale. Tous les composants mécaniques et optiques de l’oscillateur sont régulés en température; cela assure une excellente stabilité spectrale à long terme du système (0,05 cm-1/ 5°C / heure).
Le laser est complété par une combinaison de cristaux non linéaires permettant de doubler la longueur d’onde laser et de mélanger la longueur d’onde fondamentale du ND-YAG (1064nm) avec celle du colorant. Ce laser permet de couvrir une région spectral de 200 nm jusqu’à 750 nm avec une résolution qui peut atteindre 0.01 cm-1 (pour plus de détails on consultera la référence [67]).
1.4.2 La zone d’interaction avec le laser
Les ions quittent la région d’accélération avec une énergie cinétique d’environ 1.9 KeV. Les collisions avec le gaz résiduel dans la chambre 2 (la pression est de 10-6 mbar) produisent des fragments qui se propagent quasiment à la vitesse de la molécule mère. Ces ions interagissent avec l’impulsion laser qui produit la fragmentation. Les fragments produits par photons et par collisions arrivent au même temps sur le détecteur. Il est donc nécessaire de séparer ces deux types de fragments qui n’ont pas la même origine physique. La zone "dite" d’interaction (Figure 1-1) permet la séparation de ces fragments.
Conception
Le principe consiste à appliquer un champ électrique qui accélère les ions par rapport aux fragments neutres avant l’interaction avec le laser. Après l’interaction les fragments produits par le laser auront une vitesse plus élevée que ceux produits par collisions. Cette zone est limitée par quatre plaques, au centre desquelles une grille métallique permet aux ions de passer, tout en conservant un champ électrique homogène. Les plaques d’entrée et de sortie sont à la masse, pour éliminer les perturbations créées par le champ électrique. Une tension négative de -1700 V est appliquée aux deux plaques internes (Figure 1-18 b).
26 27
Temps (µs)
+
0V 0V 0V 0V
0V -1700V -1700V0V
Accélération des ions Fragments induits par laser
Fragments induits par collisions + n° + n°
n° + E
Laser
(a
(b n°
B A C
E
x
Énergie cinétique
26 27
Temps (µs) 26
Figure 1-18 : (a) toutes les plaques sont à la masse, (b) la zone d’interaction entre A et C permet de séparer les fragments neutres produits par collision de ceux produits par l’interaction laser.
On utilise deux techniques d'acquisition de données:
· Mode off : Si on n'applique aucune tension sur toutes les plaques, les fragments neutres produits par laser arrivent en même temps que ceux produits par collisions (Figure 1-18 a).
La détection :
· Mode on : on applique un tension négative de -1700 V aux 2 plaques centrales (Figure 1-18 b). On distingue alors trois zones :
o Zone A : les ions moléculaires positifs sont accélérés par rapport aux fragments neutres produits par collision. A la sortie de cette zone les ions possèdent une énergie cinétique de 3.6 KeV.
o Zone B : le champ électrique est nul, l’interaction avec le laser produit des fragments neutres rapides.
o Zone C : le champ électrique est orienté en sens opposé à la direction de la propagation des ions, les ions sont ralentis mais pas les fragments neutres.
En résumé, les ions et les fragments neutres précédemment produits par collision et qui ont traversés cette zone ne voient pas de changement dans leur énergie cinétique. En revanche, les fragments neutres produits par laser à l'intérieur de cette zone sortent avec une vitesse plus grande et arrivent au détecteur avant les fragments produits par collisions. Cette technique permet de bien identifier le pic dû à l'absorption laser qui apparaît bien séparé du bruit dû aux collisions. Ce dernier signal est proportionnel au nombre d’ions parents et permet de normaliser le signal dû au laser des fluctuations en population des ions parents.