Ionisation multiphotonique améliorée par résonance - Resonance-enhanced multiphoton ionization
L'ionisation multiphotonique améliorée par résonance ( REMPI ) est une technique appliquée à la spectroscopie des atomes et des petites molécules . En pratique, un laser accordable peut être utilisé pour accéder à un état intermédiaire excité . Les règles de sélection associées à une photoabsorption à deux photons ou à une autre photoabsorption multiphotonique sont différentes des règles de sélection pour une transition photonique unique. La technique REMPI implique généralement une absorption résonnante de photons simples ou multiples jusqu'à un état intermédiaire excité électroniquement, suivie d'un autre photon qui ionise l'atome ou la molécule. L'intensité lumineuse pour réaliser une transition multiphotonique typique est généralement significativement plus grande que l'intensité lumineuse pour réaliser une photoabsorption de photon unique. Pour cette raison, une photoabsorption ultérieure est souvent très probable. Il en résultera un ion et un électron libre si les photons ont communiqué suffisamment d'énergie pour dépasser l'énergie seuil d'ionisation du système. Dans de nombreux cas, REMPI fournit des informations spectroscopiques qui peuvent être indisponibles pour les méthodes spectroscopiques à photon unique , par exemple la structure rotationnelle dans les molécules est facilement visible avec cette technique.
REMPI est généralement généré par un faisceau laser focalisé accordable en fréquence pour former un plasma de petit volume. Dans REMPI, les m premiers photons sont simultanément absorbés par un atome ou une molécule dans l'échantillon pour l'amener à un état excité. D'autres n photons sont ensuite absorbés pour générer une paire d'électrons et d'ions. Le soi-disant m + n REMPI est un processus optique non linéaire, qui ne peut se produire que dans le foyer du faisceau laser. Un plasma de petit volume est formé près de la région focale du laser. Si l'énergie de m photons ne correspond à aucun état, une transition hors résonance peut se produire avec un défaut d'énergie AE, cependant, il est très peu probable que l'électron reste dans cet état. Pour un grand désaccord, il n'y réside que pendant le temps Δt. Le principe d'incertitude est satisfait pour Δt, où ћ = h / 2π et h est la constante de Planck (6,6261 × 10 ^ -34 J ∙ s). Ces transitions et états sont appelés virtuels, contrairement aux transitions réelles vers des états à longue durée de vie. La probabilité de transition réelle est de plusieurs ordres de grandeur plus élevée que celle de transition virtuelle, appelée effet amélioré par résonance.
États de Rydberg
Les expériences à haute intensité de photons peuvent impliquer des processus multiphotons avec l'absorption de multiples entiers de l'énergie photonique. Dans les expériences qui impliquent une résonance multiphotonique, l'intermédiaire est souvent un état de Rydberg de basse altitude , et l'état final est souvent un ion. L'état initial du système, l'énergie des photons, le moment cinétique et d'autres règles de sélection peuvent aider à déterminer la nature de l'état intermédiaire. Cette approche est exploitée dans la spectroscopie d'ionisation multiphotonique améliorée par résonance (REMPI). La technique est largement utilisée en spectroscopie atomique et moléculaire. Un avantage de la technique REMPI est que les ions peuvent être détectés avec une efficacité presque complète et même une résolution temporelle pour leur masse . Il est également possible d'obtenir des informations supplémentaires en effectuant des expériences pour regarder l'énergie du photoélectron libéré dans ces expériences.
Détection micro-ondes
Il a été démontré récemment que la diffusion Coherent micro-ondes Rayleigh (Radar) de REMPI a la capacité de réaliser des mesures à haute résolution spatiale et temporelle, ce qui permet des diagnostics sensibles non intrusifs et des déterminations précises des profils de concentration sans l'utilisation de sondes ou d'électrodes physiques. Il a été appliqué pour la détection optique d'espèces telles que l'argon, le xénon, l'oxyde nitrique, le monoxyde de carbone, l'oxygène atomique et les radicaux méthyle à la fois dans des cellules fermées, à l'air libre et dans des flammes atmosphériques.
La détection des micro-ondes est basée sur des technologies homodynes ou hétérodynes. Ils peuvent augmenter considérablement la sensibilité de détection en supprimant le bruit et suivre la génération et l'évolution du plasma sous la nanoseconde. La méthode de détection homodyne mélange le champ électrique micro-ondes détecté avec sa propre source pour produire un signal proportionnel au produit des deux. La fréquence du signal est convertie de plusieurs dizaines de gigahertz à moins d'un gigahertz afin que le signal puisse être amplifié et observé avec des appareils électroniques standard. En raison de la sensibilité élevée associée à la méthode de détection homodyne, du manque de bruit de fond dans le régime micro-ondes et de la capacité de synchronisation temporelle de l'électronique de détection synchrone avec l'impulsion laser, des SNR très élevés sont possibles même avec des sources micro-ondes milliwatt. Ces RSB élevés permettent de suivre le comportement temporel du signal hyperfréquence sur une échelle de temps inférieure à la nanoseconde. Ainsi, la durée de vie des électrons dans le plasma peut être enregistrée. En utilisant un circulateur micro-ondes, un seul émetteur-récepteur micro-ondes a été construit, ce qui simplifie considérablement la configuration expérimentale.
La détection dans la région des micro-ondes présente de nombreux avantages par rapport à la détection optique. En utilisant la technologie homodyne ou hétérodyne, le champ électrique plutôt que la puissance peut être détecté, ce qui permet d'obtenir un bien meilleur rejet du bruit. Contrairement aux techniques hétérodynes optiques, aucun alignement ou adaptation de mode de la référence n'est nécessaire. La longue longueur d'onde des micro-ondes conduit à une diffusion cohérente ponctuelle efficace du plasma dans le volume focal du laser, de sorte que l'adaptation de phase est sans importance et la diffusion dans le sens inverse est forte. De nombreux photons micro-ondes peuvent être diffusés à partir d'un seul électron, de sorte que l'amplitude de la diffusion peut être augmentée en augmentant la puissance de l'émetteur micro-ondes. La faible énergie des photons micro-ondes correspond à des milliers de photons de plus par unité d'énergie que dans la région visible, de sorte que le bruit de tir est considérablement réduit. Pour une faible ionisation caractéristique des diagnostics d'espèces traces, le champ électrique mesuré est une fonction linéaire du nombre d'électrons qui est directement proportionnelle à la concentration d'espèces traces. En outre, il y a très peu de rayonnement solaire ou autre rayonnement de fond naturel dans la région spectrale des micro-ondes.
Voir également
- Spectroscopie d'ionisation Rydberg
- Comparer avec la fluorescence induite par laser (LIF)