Luận án ứng dụng laser trong quang phổ phân tích phân tử đa nguyên tử
Tạo laser hồng ngoại giữa ổn định comb tần số, ứng dụng đo phổ chính xác cao cho các phân tử đa nguyên tử.
Université Paris 13
Physique
Luan An
Thèse de doctorat
Năm xuất bản
Số trang
267
Thời gian đọc
41 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
50 Point
Tổng quan nhanh
- Chủ đề:
- Laser: Nền tảng quang phổ phân tích hiện đại
- Số trang:
- 267 trang
- Trường:
- Université Paris 13
- Chuyên ngành:
- Physique
- Tác giả:
- Dang Bao An Tran
- Năm:
- 2019
Tóm tắt nội dung luận án
I.Laser Nền tảng quang phổ phân tích hiện đại
Lasers là công cụ không thể thiếu trong quang phổ phân tích hiện đại. Chúng cung cấp nguồn sáng độc đáo với độ đơn sắc cao, cường độ lớn và khả năng điều chỉnh tần số chính xác. Những đặc tính này đã cách mạng hóa các kỹ thuật laser trong phân tích, cho phép phân tích nguyên tố và phân tích vật liệu với độ nhạy và độ chọn lọc chưa từng có. Ứng dụng laser trong quang phổ phân tích đã mở rộng đáng kể khả năng nghiên cứu từ khoa học vật liệu đến y sinh. Công nghệ laser hiện đại hỗ trợ thực hiện phân tích không phá hủy bằng laser, bảo toàn tính toàn vẹn của mẫu. Quang phổ phân tích laser ngày càng trở nên quan trọng, đặc biệt trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và tốc độ cao. Sự tiến bộ của laser tiếp tục định hình tương lai của phân tích hóa học và vật lý. Laser mang lại hiệu quả vượt trội trong việc xác định các thành phần phức tạp. Các nhà khoa học tin tưởng vào tiềm năng mở rộng của công nghệ này.
1.1. Vai trò cơ bản của laser trong phân tích
Laser cung cấp ánh sáng kết hợp với cường độ cao, là yếu tố then chốt cho nhiều kỹ thuật quang phổ. Khả năng tập trung năng lượng vào một điểm nhỏ giúp tăng cường tương tác giữa ánh sáng và mẫu, tối ưu hóa việc thu thập tín hiệu. Điều này cung cấp thông tin chi tiết về thành phần hóa học và cấu trúc vật lý của mẫu. Laser cũng cho phép kích thích chọn lọc các trạng thái năng lượng cụ thể, nâng cao độ đặc hiệu của phép đo quang phổ. Các đặc tính vượt trội này của laser đã tạo ra bước ngoặt lớn, từ phân tích vi lượng bằng laser đến phân tích vật liệu bằng quang phổ laser. Vai trò của laser tiếp tục mở rộng trong nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp, khẳng định vị thế là công cụ phân tích không thể thiếu.
1.2. Các loại laser sử dụng trong quang phổ
Nhiều loại laser được ứng dụng trong quang phổ phân tích, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng kỹ thuật. Laser bán dẫn, laser khí như He-Ne, Ar-ion, hoặc laser CO2, và laser rắn như Nd:YAG là những ví dụ phổ biến. Các laser điều chỉnh được, như laser titan-sapphire hoặc laser diode, cung cấp dải bước sóng rộng, rất quan trọng cho quang phổ hấp thụ và phát xạ. Việc lựa chọn loại laser phù hợp ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và phạm vi ứng dụng của phương pháp phân tích. Sự đa dạng này cho phép các kỹ thuật laser trong phân tích đáp ứng nhiều thách thức khác nhau, từ phân tích nguyên tố bằng laser đến nghiên cứu các phản ứng hóa học động học.
1.3. Lợi ích vượt trội từ nguồn sáng laser
Nguồn sáng laser mang lại nhiều lợi ích vượt trội. Độ đơn sắc cao của laser cho phép đạt được độ phân giải quang phổ cực kỳ chi tiết, phân biệt các vạch quang phổ rất gần nhau. Cường độ ánh sáng mạnh giúp cải thiện đáng kể độ nhạy quang phổ laser, cho phép phát hiện các chất có nồng độ rất thấp. Khả năng điều chỉnh bước sóng linh hoạt của laser cũng hỗ trợ việc phân tích vi lượng bằng laser, nhắm mục tiêu chính xác vào các phân tử hoặc nguyên tử mong muốn. Những ưu điểm này làm cho laser trở thành công cụ lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao và khả năng phân tích không phá hủy bằng laser, từ đó mở rộng đáng kể giới hạn của quang phổ phân tích.
II.Kỹ thuật laser nâng cao trong phân tích quang phổ
Các kỹ thuật laser trong phân tích đã phát triển mạnh mẽ, cung cấp những công cụ mạnh mẽ cho quang phổ phân tích laser. Những phương pháp này tận dụng các đặc tính độc đáo của laser để đạt được độ nhạy, độ chọn lọc và khả năng phân giải không gian vượt trội. Chúng bao gồm quang phổ phát xạ cảm ứng laser (LIBS), cát khai laser ICP-MS (LA-ICP-MS), và quang phổ Raman tăng cường laser. Mỗi kỹ thuật phục vụ các mục đích phân tích khác nhau, từ phân tích nguyên tố đến xác định cấu trúc phân tử. Sự kết hợp giữa laser và các hệ thống quang phổ tiên tiến đã mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng của phân tích vật liệu bằng quang phổ laser. Điều này chứng tỏ sự đa năng và hiệu quả của laser trong nghiên cứu khoa học và công nghiệp.
2.1. Quang phổ phát xạ cảm ứng laser LIBS
LIBS là một kỹ thuật phân tích nguyên tố bằng laser. Một xung laser năng lượng cao được tập trung vào bề mặt mẫu, tạo ra một plasma nhỏ. Ánh sáng phát ra từ plasma được thu thập và phân tích quang phổ. Mỗi nguyên tố trong mẫu sẽ phát ra một quang phổ đặc trưng. LIBS cho phép phân tích nhanh chóng, không phá hủy hoặc phá hủy tối thiểu, và không cần chuẩn bị mẫu phức tạp. Kỹ thuật này được ứng dụng rộng rãi trong giám sát môi trường, phân tích công nghiệp, địa chất và an ninh. LIBS cung cấp độ nhạy quang phổ laser tốt và khả năng phân tích tại chỗ, làm giảm đáng kể thời gian và chi phí phân tích.
2.2. Cát khai laser ICP MS LA ICP MS
LA-ICP-MS là một phương pháp mạnh mẽ cho phân tích vi lượng bằng laser. Một xung laser tập trung làm bay hơi một lượng nhỏ vật liệu từ mẫu rắn. Các hạt aerosol được vận chuyển vào plasma cặp cảm ứng (ICP) để bị ion hóa. Sau đó, các ion được đưa vào khối phổ kế (MS) để phân tích định lượng nguyên tố. Kỹ thuật này cung cấp độ nhạy cực cao và khả năng phân giải không gian tốt, lý tưởng cho phân tích dấu vết và phân tích đồng vị trong các mẫu địa chất, sinh học và vật liệu. LA-ICP-MS là một công cụ phân tích không phá hủy bằng laser trong nhiều trường hợp, cung cấp thông tin chi tiết về sự phân bố của các nguyên tố trong mẫu.
2.3. Quang phổ Raman tăng cường laser
Quang phổ Raman tăng cường laser tận dụng hiệu ứng Raman để xác định dấu vân tay hóa học của vật liệu. Ánh sáng laser tương tác với dao động phân tử, tạo ra sự dịch chuyển tần số đặc trưng. Kỹ thuật này cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử và liên kết hóa học. Laser được sử dụng để kích thích hiệu ứng Raman. Việc tăng cường laser giúp cải thiện tín hiệu Raman yếu, cho phép phân tích các mẫu khó hoặc có nồng độ thấp. Nó là một công cụ phân tích không phá hủy bằng laser, lý tưởng cho nghiên cứu vật liệu polyme, dược phẩm, sinh học và các vật liệu tiên tiến khác. Độ nhạy quang phổ laser trong Raman tăng cường đã mở rộng phạm vi ứng dụng của nó.
III.Phân tích nguyên tố vi lượng bằng quang phổ laser
Phân tích nguyên tố vi lượng bằng laser là một ứng dụng quan trọng của quang phổ phân tích laser. Nó cho phép phát hiện và định lượng các nguyên tố ở nồng độ rất thấp, thậm chí ở mức phần tỷ. Khả năng tập trung năng lượng laser vào các vùng nhỏ giúp phân tích thành phần không đồng nhất của mẫu. Điều này có ý nghĩa lớn trong khoa học môi trường, địa chất, y sinh và công nghiệp bán dẫn. Độ nhạy quang phổ laser đã được cải thiện đáng kể nhờ các kỹ thuật laser trong phân tích tiên tiến. Phân tích nguyên tố bằng laser đóng vai trò then chốt trong kiểm soát chất lượng và nghiên cứu vật liệu. Sự chính xác cao của laser giúp đảm bảo kết quả đáng tin cậy. Công nghệ này tiếp tục phát triển, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của phân tích khoa học.
3.1. Phát hiện nguyên tố dấu vết hiệu quả
Các kỹ thuật quang phổ laser cung cấp phương pháp hiệu quả để phát hiện nguyên tố dấu vết. Laser có thể kích thích chọn lọc các nguyên tử hoặc ion. Sự phát xạ hoặc hấp thụ sau đó được ghi lại với độ nhạy cao. Điều này đặc biệt hữu ích cho việc kiểm tra chất lượng nước, không khí, đất và thực phẩm. Phát hiện sớm các chất gây ô nhiễm ở nồng độ thấp có thể ngăn ngừa những hậu quả nghiêm trọng đối với sức khỏe con người và môi trường. Phân tích vi lượng bằng laser mang lại khả năng giám sát liên tục. Công nghệ laser hỗ trợ việc phân tích không phá hủy bằng laser cho các mẫu nhạy cảm. Độ nhạy quang phổ laser giúp phát hiện cả những lượng nhỏ nhất của các chất. Điều này làm tăng độ an toàn trong nhiều lĩnh vực.
3.2. Phân tích nguyên tố chính xác và nhanh chóng
Laser hỗ trợ phân tích nguyên tố bằng laser với tốc độ cao và độ chính xác vượt trội. Các phương pháp như LIBS và LA-ICP-MS cho phép phân tích đa nguyên tố đồng thời trong vài giây hoặc phút. Khả năng này cực kỳ giá trị trong các ứng dụng cần kiểm soát chất lượng nhanh chóng, ví dụ như trong sản xuất kim loại hoặc vật liệu mới. Sự chính xác cao đảm bảo dữ liệu đáng tin cậy cho các quyết định quan trọng trong nghiên cứu và công nghiệp. Các kỹ thuật laser trong phân tích đã rút ngắn đáng kể thời gian phân tích so với các phương pháp truyền thống. Điều này tối ưu hóa quy trình làm việc và nâng cao năng suất chung của phòng thí nghiệm và nhà máy. Phân tích nhanh cũng giúp đáp ứng yêu cầu khẩn cấp.
IV.Tối ưu hóa độ nhạy chính xác quang phổ laser
Việc tối ưu hóa độ nhạy quang phổ laser và độ chính xác là mục tiêu hàng đầu trong phát triển quang phổ phân tích laser. Các tiến bộ trong công nghệ laser, đặc biệt là laser bán dẫn và laser điều chỉnh tần số, đóng vai trò then chốt. Việc kiểm soát chặt chẽ các đặc tính của chùm tia laser, như độ rộng vạch, ổn định tần số và công suất, trực tiếp ảnh hưởng đến chất lượng dữ liệu quang phổ. Mục tiêu là đạt được khả năng phân giải cao nhất và giới hạn phát hiện thấp nhất, đồng thời duy trì độ tin cậy của phân tích. Các kỹ thuật laser trong phân tích liên tục được cải tiến để đạt được những mục tiêu này. Sự phát triển của laser đã nâng cao khả năng phân tích vi lượng bằng laser, cho phép phát hiện các dấu vết cực nhỏ.
4.1. Ổn định tần số laser cho độ phân giải cao
Ổn định tần số laser là yếu tố quyết định độ phân giải quang phổ. Việc sử dụng các kỹ thuật như khóa laser vào các vạch hấp thụ nguyên tử/phân tử hoặc sử dụng thang tần số quang (optical frequency comb) giúp đạt được độ ổn định tần số cực kỳ cao. Điều này cho phép phân biệt các vạch quang phổ rất gần nhau, cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc siêu tinh tế của các phân tử và các quá trình động học. Độ chính xác tần số của laser là then chốt trong các ứng dụng đo lường chuẩn và nghiên cứu cơ bản. Nó là một yếu tố quan trọng để cải thiện độ nhạy quang phổ laser và đảm bảo kết quả phân tích đáng tin cậy, đặc biệt trong quang phổ phân tích laser.
4.2. Tăng cường tín hiệu quang phổ bằng laser
Laser được sử dụng để tăng cường tín hiệu quang phổ thông qua nhiều cơ chế khác nhau. Ví dụ, trong quang phổ Raman tăng cường bề mặt (SERS), laser kích thích hiệu ứng cộng hưởng plasma trên bề mặt nano. Điều này dẫn đến sự tăng cường tín hiệu đáng kể, cho phép phát hiện các phân tử ở nồng độ cực thấp. Các kỹ thuật như quang phổ hấp thụ bão hòa cũng sử dụng laser để loại bỏ hiệu ứng Doppler, tăng cường độ nhạy và độ phân giải quang phổ. Sự kết hợp các kỹ thuật laser trong phân tích này giúp cải thiện đáng kể khả năng phát hiện, đặc biệt trong phân tích vi lượng bằng laser.
4.3. Giảm nhiễu nâng cao tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu
Giảm nhiễu là cần thiết để nâng cao tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) và cải thiện độ nhạy quang phổ laser. Laser cho phép thực hiện các phép đo với độ chọn lọc cao, loại bỏ tín hiệu nền không mong muốn. Các phương pháp như modul tần số, phát hiện khóa pha và lọc không gian giúp tách biệt tín hiệu cần thiết khỏi nhiễu một cách hiệu quả. Điều này đặc biệt quan trọng khi thực hiện phân tích vi lượng bằng laser hoặc khi làm việc với các mẫu có nồng độ thấp. Việc tối ưu hóa các yếu tố này giúp đảm bảo rằng quang phổ phân tích laser cung cấp dữ liệu chính xác và đáng tin cậy, ngay cả trong môi trường phức tạp.
V.Ứng dụng đa dạng laser trong phân tích vật liệu
Laser đã mở rộng đáng kể phạm vi phân tích vật liệu bằng quang phổ laser, vượt ra ngoài các kỹ thuật quang phổ truyền thống. Công nghệ laser cho phép phân tích các mẫu vật liệu ở nhiều trạng thái khác nhau: rắn, lỏng, khí. Khả năng phân tích không phá hủy bằng laser là một lợi thế lớn, đặc biệt đối với các mẫu quý giá hoặc nhạy cảm. Ứng dụng laser trong quang phổ phân tích đã trở thành tiêu chuẩn trong kiểm soát chất lượng, nghiên cứu và phát triển vật liệu mới. Sự đa năng này giúp laser trở thành công cụ không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp. Các kỹ thuật laser trong phân tích liên tục được cải tiến để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của phân tích vật liệu.
5.1. Phân tích vật liệu rắn lỏng khí
Laser cung cấp giải pháp phân tích toàn diện cho vật liệu ở ba trạng thái. Đối với vật liệu rắn, laser có thể thực hiện cát khai laser ICP-MS để phân tích nguyên tố dấu vết hoặc LIBS để phân tích nhanh bề mặt. Đối với chất lỏng và khí, laser được dùng trong quang phổ hấp thụ và phát xạ để xác định nồng độ và thành phần hóa học. Tính linh hoạt này làm cho quang phổ phân tích laser trở thành công cụ đa năng cho nhiều ngành công nghiệp, từ hóa dầu đến dược phẩm. Khả năng chuyển đổi trạng thái mẫu bằng laser cũng mở ra những khả năng phân tích độc đáo, đặc biệt khi yêu cầu độ nhạy quang phổ laser cao.
5.2. Phân tích không phá hủy bề mặt
Nhiều ứng dụng yêu cầu phân tích không phá hủy bằng laser. Quang phổ Raman tăng cường laser, LIBS với năng lượng xung thấp, và quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) với nguồn laser là những ví dụ điển hình. Các kỹ thuật này cho phép kiểm tra chất lượng vật liệu, lớp phủ, hoặc các tác phẩm nghệ thuật mà không gây hư hại. Điều này bảo toàn giá trị của mẫu và cho phép nghiên cứu các vật thể quý hiếm hoặc không thể thay thế. Phân tích không phá hủy bằng laser đã trở thành một công cụ quan trọng trong bảo tồn di sản, pháp y và kiểm soát chất lượng trong ngành công nghiệp vi điện tử. Nó cung cấp thông tin đáng tin cậy mà không làm thay đổi mẫu.
5.3. Xác định thành phần cấu trúc vật liệu
Laser là công cụ mạnh mẽ để xác định thành phần hóa học và cấu trúc vật liệu. Từ phân tích nguyên tố bằng laser để xác định các nguyên tố hợp kim trong kim loại, đến quang phổ Raman để nghiên cứu cấu trúc phân tử của polyme và vật liệu sinh học, laser cung cấp thông tin toàn diện. Nó giúp hiểu rõ hơn về tính chất và hiệu suất của vật liệu, từ đó cải thiện quy trình sản xuất và phát triển vật liệu mới. Các kỹ thuật laser trong phân tích này cho phép các nhà khoa học và kỹ sư đưa ra quyết định sáng suốt hơn. Độ nhạy quang phổ laser cao cũng hỗ trợ việc xác định các tạp chất nhỏ ảnh hưởng đến chất lượng vật liệu.
VI.Triển vọng của laser trong phân tích quang phổ
Tương lai của quang phổ phân tích laser rất hứa hẹn. Sự phát triển liên tục của công nghệ laser và các kỹ thuật laser trong phân tích mới sẽ mở ra nhiều ứng dụng chưa từng có. Mục tiêu là đạt được độ nhạy quang phổ laser cao hơn, khả năng phân giải không gian tốt hơn và phân tích nhanh hơn. Các nhà khoa học đang nghiên cứu các nguồn laser mới, như laser tia X tự do và laser terahertz, để mở rộng giới hạn phân tích. Điều này hứa hẹn những bước đột phá trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp. Ứng dụng laser trong quang phổ phân tích sẽ tiếp tục định hình các phương pháp nghiên cứu tiên tiến, tạo ra giá trị mới cho xã hội và kinh tế toàn cầu.
6.1. Phát triển laser mới và kỹ thuật đo tiên tiến
Các thế hệ laser mới đang được phát triển liên tục. Laser femto giây và atto giây cung cấp khả năng phân tích động học siêu nhanh, nghiên cứu các quá trình xảy ra trong thang thời gian cực ngắn. Laser điều chỉnh được trong dải hồng ngoại giữa, như laser cascade lượng tử, hứa hẹn độ chính xác cao cho quang phổ khí và phân tích phân tử. Việc tích hợp laser với các hệ thống trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy cũng sẽ tối ưu hóa quy trình phân tích và xử lý dữ liệu. Những cải tiến này sẽ nâng cao đáng kể độ nhạy quang phổ laser và mở rộng phạm vi ứng dụng của quang phổ phân tích laser.
6.2. Ứng dụng laser trong các lĩnh vực mới
Laser đang được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực mới, vượt ra ngoài các ứng dụng truyền thống. Trong y tế, laser hỗ trợ chẩn đoán bệnh không xâm lấn, ví dụ như trong phân tích hơi thở hoặc mô sinh học. Trong an ninh, chúng phát hiện chất nổ hoặc hóa chất độc hại từ xa. Trong nghiên cứu không gian, laser phân tích thành phần khí quyển hoặc đất đá trên các hành tinh khác. Phân tích không phá hủy bằng laser cũng là một lợi thế lớn trong bảo tồn di sản văn hóa. Các kỹ thuật laser trong phân tích đang mở ra những cánh cửa mới, giải quyết những thách thức phức tạp của thế kỷ 21.
6.3. Tiềm năng của quang phổ laser tích hợp
Các hệ thống quang phổ laser tích hợp, nhỏ gọn, đang được phát triển mạnh mẽ. Chúng cho phép phân tích tại chỗ (in-situ) và phân tích thời gian thực (real-time), loại bỏ nhu cầu vận chuyển mẫu đến phòng thí nghiệm. Điều này cực kỳ hữu ích cho giám sát môi trường, kiểm soát chất lượng sản xuất liên tục và các ứng dụng di động. Tiềm năng của quang phổ phân tích laser tích hợp là rất lớn, từ các thiết bị cầm tay đến các cảm biến thông minh. Nó hứa hẹn một kỷ nguyên mới cho phân tích hóa học, với khả năng phân tích nhanh, chính xác và tiện lợi hơn bao giờ hết, đặc biệt trong việc sử dụng các kỹ thuật laser trong phân tích.
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (267 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộUNIVERSITÉ PARIS 13 - SORBONNE PARIS CITÉ LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES LASERS Thèse de doctorat pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ PARIS 13 Discipline : PHYSIQUE présentée et soutenue publiquement par Dang Bao An Tran Widely tunable and SI-traceable frequency-comb-stabilised mid-infrared quantum cascade laser : application to high precision spectroscopic measurements of polyatomic molecules Soutenue le 15 Juillet 2019 devant le jury composé de : Prof. Anne Amy-Klein LPL Directrice de thèse Dr. Alain Campargue LIPHY Président Dr. Caroline Champenois PIIM Rapporteuse Dr.
Benoît Darquié LPL Co-encadrant Prof. Laurent Hilico LKB Rapporteur Dr. Rodolphe Le Targat LNE-SYRTE Examinateur Prof. Gaël Mouret LPCA Examinateur Dr.
Gabriele Santambrogio LENS Examinateur L’équipe Métrologie, Molécules et Tests Fondamentaux (MMTF) Laboratoire de Physique des Lasers Université Paris 13, CNRS - UMR 7538 99 Avenue Jean Baptiste Clément, 93430 Villetaneuse, France Acknowledgement My work has been performed at the Metrology, Molecules, and Fundamental Tests (MMTF) group, Laboratoire de Physique des Lasers (LPL), CNRS, Université Paris 13. First of all, I am deeply grateful to my supervisors Prof. Anne Amy-Klein and Dr. To Anne, thank you both for your guidance and encouragement during four years of work.
To Benoît, thank you all for your support, and boundless patience. I wouldn’t got anything done without your continuous presence in laboratory. I am proud to have studied under the two of you. On top of that, I gratefully acknowledge this opportunity to work with you.
I would like to thank Prof. Laurent Hilico and Dr. Caroline Champenois for reviewing my thesis. I also thank other members of my board of examiners, Dr.
Alain Campargue, Prof. Gaël Mouret, Dr. Rodolphe Le Targat, and Dr. I would also like to thank Dr.
Olivier Lopez for continual support for electronic control. The experience and the knowledge I got from him is invaluable and will help my further teaching greatly at HCMC University of Education, Vietnam. Sean Tokunaga, thanks for your support for programming and optical alignment. A special thanks to Dr.
Rosa Santagata with whom we tried to develop the experiment together. Many of the results presented in this thesis resulted from working with her. Anne Cournol and Dr. Mathieu Manceau, thank you for all your advice about the experiment, also to Matthieu Pierens and Louis Lecordier for interesting discussions.
From Paris, I would like to thank Dr. Thomas Wall for the precious opportunity to understand the experimental setups at the Centre for Cold Matter, Imperial College London. To researchers at LNE-SYRTE, thank you a lot for the best reference signal. I wouldn’t have finished my work without the collaboration between LPL and LNE- SYRTE.
I would also like to thank all the members of the MMTF group. Frédéric Du Burck, Dr. Vincent Roncin, Amine Chaouche Ramdane, Karim Mana- manni, thanks all for your discussions and working together in the same laboratory in the first three years. Christophe Daussy and Dr.
Moufarej Elias, thanks for sharing optical components, and to the other members for your valuable support. Ha Tran, Laboratoire de Météorologie Dynamique, Sorbonne Université and Dr. Ba-Tong Nguyen, Laboratoire de Physico-Chimie de l’Atmosphére, Université du Littoral Côte d’Opale, thank you all for discussions about molecular spectroscopy. I would also like to thank to Olivier Gorceix, former director of LPL, for welcoming me in such a great working environment.
I also thank all supports from administrative group: Carole Grangier, Maryse Médina, Sylvie Spielmann, and Solen Guezennec, from the mechanics workshop: Albert Kaladjian and his colleagues, from the electronic workshop: Fabrice Wiotte and his colleagues, from the optics workshop: Thierry Billeton, and from IT technicians: Marc Barbier and Stéphane Simonazzi. I gratefully acknowledge the Ministry of Education and Training, Vietnam (Program 911) for financial support during four years and L’école Doctorale Sciences, Technologies Santé - Galilée, Université Paris 13 for additional financial support. I would also like thank to my colleagues at Faculty of Physics, HCMC University of Education, Vietnam who have shared the teaching work during this course. Finally, I would like to thank my family in Vietnam and my Vietnamese friends in France, especially, family of Dr.
Van-Tuan Nguyen, a postdoc at Institut Pasteur, Paris and Thanh-Tuan Nguyen, a PhD student at Université de Toulon. iv Contents Acknowledgement iii Introduction 1 1 Spectroscopic studies with molecules: principle and applications 5 1.2 Linear absorption spectroscopy .3 Saturated absorption spectroscopy .2 Tools for frequency control, high resolution spectroscopy, and metrology .2 Ultra-stable signal .3 The optical frequency comb .4 Optical frequency dissemination .3 Mid-infrared laser stabilization .1 The need for mid-infared laser stabilization .2 Methods for the frequency stabilization of mid-infrared lasers .4 Previous precise molecular spectroscopic measurement at LPL .5 Parity violation observation .1 Parity violation in chiral molecules .2 Proposed experimental approaches of the parity violation observa- tion in chiral molecules .3 Searching new chiral molecules .4 New experimental setup under development. 33 2 Tunable and SI-traceable optical frequency comb stabilized to a remote optical frequency reference signal 35 2.2 Reference signals from LNE-SYRTE .1 Primary microwave reference signal .2 Ultra-stable near-IR frequency reference from LNE-SYRTE .3 Calibration of the US laser frequency to the primary standards .3 Transfer of a stabilized frequency reference between LNE-SYRTE and LPL 44 2.1 Principle of fiber based optical frequency transfer .2 Optical frequency transfer between LNE-SYRTE and LPL .4 Local radio frequency references .5 Widely tunable and ultra-stable optical local oscillator at 1.2 Low-phase noise microwave synthesizer without phase jumps .6 The optical frequency comb at LPL .1 The OFC at LPL: introduction and modules .2 Free-running optical frequency comb .7 Frequency stabilization of the OFC repetition rate onto the OLO .2 Performances of the stabilization of the repetition rate of the OFC 65 2.3 Upgrading the experimental setup .8 OFC repetition rate tuning performances. 71 3 Development of a quantum cascade laser based widely tunable ultra- high resolution spectrometer 73 3.2 Quantum cascade laser .1 What is a quantum cascade laser? .2 The LPL mid-infrared quantum cascade laser .3 Frequency stabilization of a quantum cascade laser to an optical frequency comb .1 Sum frequency generation .2 Locking the quantum cascade laser to the optical frequency comb .3 Performances of the QCL frequency stabilization .4 The QCL frequency control: summary and SI-traceability .2 SI-traceability of the QCL frequency .3 Determination of the QCL absolute frequency .5 Quantum cascade laser frequency tuning .1 Wide frequency tuning of the stabilized QCL using the step motor 105 3.2 Using neighbouring modes .3 Using a radio-frequency-stabilized OFC.
109 4 High-precision mid-infrared spectrometer: application to the spectroscopy of methanol 111 4.1 The high-precision widely tunable SI-tracable QCL-based mid-infrared spectrometer .3 Frequency modulation setup for saturated absorption spectroscopy 116 4.2 Rovibrational spectrum of methanol: an overview .1 Methanol: a molecule with a variety of interests .2 Structure of rovibrational energy levels and notation .4 High resolution spectroscopy of methanol in the literature .3 Doppler-limited spectroscopy .2 Data processing and results .4 Precise spectroscopy of methanol .2 Analysis of experimental data .1 Power-induced frequency shift .2 Pressure-induced frequency shift .3 Power- and pressure-induced broadening effects .4 Estimation of the transition dipole moment .6 Absolute frequency measurement of rovibrational transitions of methanol 142 4.1 Absolute frequency measurement of the P(E,co,0,2,33) methanol transition .2 Absolute frequency determination of other methanol transitions .7 Asymmetry K -doublets for A-symmetry transitions .2 Un-resolved K-doublet .8 Tunability and spectral coverage. 176 5 High-resolution spectroscopy of trioxane and ammonia 179 5.2 High-precision spectroscopy of trioxane .2 Direct absorption spectrum of the ν5 vibrational mode of trioxane 182 5.3 Saturated absorption spectroscopy in the ν5 vibrational mode of trioxane .4 Broadband saturated absorption spectra of trioxane .5 Spectroscopic constants of trioxane .3 Hyperfine structure in ammonia .2 The hyperfine structure in ammonia .3 Saturated absorption spectroscopy of the ν2 vibrational mode asR(1,1) ammonia transition .4 Hyperfine structure analysis and spectroscopic parameters. 207 General conclusion and perspectives 208 A K+K counter 213 B Technical protocol for the sum frequency generation process 215 B.1 Creating a free space SFG signal .2 Coupling SFG signal in a fiber. 215 vii Contents C OsO4 -stabilized CO2 laser 217 C.
218 D Means and errors of the frequency measurement 221 E List of line-center frequencies of methanol recorded by direct absorption spectra 223 F Saturated absorption spectra of non-resolved K-doublets 229 G Line-center frequencies and uncertainties of non-assigned rovibrational lines of trioxane 233 viii Introduction Precision spectroscopic experiments on atoms can nowadays reach a fractional ac- curacy of a few part in 1018 level [1] have brought striking results: measurement of fundamental constants [2, 3] and their possible variation in time [4–9], clocks of highest accuracy [10, 11] or probes of general relativity and physics beyond the standard model [12]. Compared to atoms, molecules have a complex internal structure (i. rotational, and vibrational states) and strong intra-molecular fields, making their manipulation and control more complicated than for atoms. However, accurate spectroscopic studies of molecules give insight into many exciting advances in physical chemistry and fundamental physics, although the best spectroscopic precisions achieved with molecules is worse by more than three orders of magnitude than with atoms.
Accurate spectroscopic models are indeed required for improving our knowledge in at- mospheric physics but also for environmental monitoring, and remote sensing greenhouse gases for example [13, 14]. More than 200 molecules have been detected in interstellar and circumstellar clouds, and they are excellent probes of the physical conditions and the history of their environments [15]. A better understanding of the spectra of those species would benefit astrophysics. In addition, molecular spectroscopy is being used in many applications including industrial monitoring, trace gas detection, and medical diagnosis.
Moreover, precise studies on molecules, whether it be neutral species or molecular ions, can play an important role to test fundamental physics, and in particular funda- mental symmetries. Several groups are attempting to measure the electron’s electric dipole moments (EDM), a signature of the violation of a combination of the time and parity symmetry, which is predicted to be very small but non-zero by theories beyond the Standard Model [16]. Diatomic and light radicals have already made a sizeable impact. For instance, recent experiment using heavy molecules (i.
YbF [17], ThO [18] , HfH+ [19]) yield the best limits on the size of the EDM of the electron (de | < 1.1 × 10−29 ), out- performing the limit set by measurements on atoms. Molecular systems can also be used to test the parity symmetry, by measuring, for instance, parity violation (PV) signatures in the spectrum of chiral molecules [20–23]. Due to the parity violation inherent in the weak nuclear interaction, levels of the enantiomers of a chiral molecule are expected to have a tiny energy difference (see section 1.5 of this manuscript) and in turn their spec- trum should exhibit small frequency differences. The latter may be however detectable by the most sensitive experiments.
Molecules are also being used to measure physical and fundamental constants. For in- stance, the Boltzmann constant kB , that plays an important role in the recent redefinition of the Kelvin, has been precisely determined by molecular spectroscopic measurement. Introduction This technique called Doppler broadening thermometry (DBT) consists in measuring accurately the Doppler-broadened absorption spectrum of a molecule to determine the Doppler width and extract kB [24–26]. The first DBT experiment was performed at Laboratoire de Physique des Lasers on the NH3 molecule probed with an ultra-stable CO2 laser [27].
Precise measurements of the electron-to-proton mass ratio (me /mp ), a fundamental constant, is also currently being pursued by carrying out high-resolution spectroscopy of H2 , H2 + and their isotopologue [28, 29, 29–32]. Such measurements also provide stringent tests of quantum electrodynamics and allow one to look for fifth forces or extra dimensions at the molecular scale. Precise molecular spectroscopy has also been and is currently being used to search for physics beyond the standard model by measur- ing possible variations of fundamental constants [33]. For instance, a fractional temporal variation of the proton-to-electron mass ratio of (−3.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Trích dẫn luận án này
Dang Bao An Tran (2019). Ứng dụng laser trong quang phổ phân tích [Luận án tiến sĩ, Université Paris 13]. LuanAn.net. https://luanan.net/tai-lieu-khac/ung-dung-laser-trong-quang-pho-phan-tich
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Ứng dụng laser trong quang phổ phân tích" nghiên cứu về vấn đề gì?
Tạo laser hồng ngoại giữa ổn định comb tần số, ứng dụng đo phổ chính xác cao cho các phân tử đa nguyên tử.
Luận án "Ứng dụng laser trong quang phổ phân tích" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại Université Paris 13. Năm bảo vệ: 2019.
Luận án "Ứng dụng laser trong quang phổ phân tích" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Ứng dụng laser trong quang phổ phân tích" thuộc chuyên ngành Physique. Danh mục: Tài liệu khác.
Luận án "Ứng dụng laser trong quang phổ phân tích" có bao nhiêu trang?
Luận án "Ứng dụng laser trong quang phổ phân tích" có 267 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Ứng dụng laser trong quang phổ phân tích" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.