Il existe un besoin croissant d'analyses rapides, précises et sans contact de la composition des substances dans des domaines tels que la recherche scientifique moderne, la surveillance de l'environnement, le contrôle des processus industriels, le diagnostic biomédical et la sécurité nationale. Les techniques spectroscopiques traditionnelles, bien que largement utilisées, sont confrontées à des goulots d'étranglement en termes de sensibilité, de résolution et de sélectivité. Le spectromètre laser, en tant que développement révolutionnaire de la technologie d'analyse spectrale, est devenu un outil technologique de base dans le domaine de la mesure de précision moderne grâce à ses avantages uniques tels que la luminosité élevée, la largeur de ligne étroite, la directivité élevée et l'accordabilité, ouvrant une nouvelle ère de détection de matière hautement sensible et hautement sélective.

I. principes fondamentaux et caractéristiques techniques

Un spectromètre laser est un instrument qui utilise un laser comme source de lumière d'excitation pour analyser la structure des niveaux d'énergie, les vibrations moléculaires, la composition chimique et l'état physique de la matière en détectant son absorption, son émission, sa diffusion ou ses signaux optiques de fluorescence. Son cœur réside dans la « spectroscopie laser + », qui fusionne en profondeur les excellentes caractéristiques du laser avec les capacités analytiques de la spectroscopie.

Par rapport aux sources lumineuses traditionnelles à large bande (telles que les lampes au tungstène, les lampes au deutérium), le laser présente les avantages significatifs suivants:

- monochromaticité élevée: la largeur des raies spectrales est extrêmement étroite (jusqu'à l'ordre du MHz ou même du kHz) et permet de faire correspondre avec précision le niveau de transition d'un atome ou d'une molécule spécifique, améliorant ainsi considérablement la sélectivité.

- haute luminosité et directivité: concentration d'énergie permettant la détection d'échantillons éloignés, microrégionaux ou à faible concentration.

- accordabilité: grâce à la régulation de la température, du courant ou de la cavité externe, la longueur d'onde est réglable en continu, couvrant des raies spectrales d'absorption spécifiques, adaptées à la détection de gaz traces.

- Cohérence par rapport aux impulsions ultracourtes: soutien à la spectroscopie non linéaire, aux mesures résolues dans le temps et aux études cinétiques ultrarapides.

II. Principaux types et méthodes de travail

Selon le mécanisme par lequel le LASER interagit avec la matière, le spectromètre laser peut être divisé en plusieurs types, chacun avec des caractéristiques particulières:

1. Spectroscopie d'absorption laser (Las) avec spectroscopie d'absorption laser à diode accordable (tdlas)

La concentration est calculée par la loi de Bill - Lamber en utilisant la longueur d'onde du laser pour balayer les raies d'absorption caractéristiques de la molécule cible. La technologie tdlas est largement utilisée dans les émissions de gaz de combustion (par exemple Co, co₂, NOx）、 Gaz de process industriels (o₂, ch₄) et surveillance de l'environnement atmosphérique avec des limites de détection allant jusqu'à l'ordre du ppb (Parties par milliard).

2. Spectroscopie de fluorescence induite par laser (Lif)

Le laser excite un atome ou une molécule à l'état de haute énergie, en émettant une Fluorescence à son retour à l'état fondamental, avec une analyse quantitative qualitative par détection de l'intensité et de la longueur d'onde de la fluorescence. Sensibilité au Lif, couramment utilisée pour le diagnostic de la combustion, la détection des radicaux libres, l'analyse de biomarqueurs et l'imagerie unicellulaire.

Spectroscopie Raman (Laser Raman Spectroscopy)

Le spectre moléculaire « empreinte digitale » est obtenu à partir de l'effet de diffusion inélastique du laser avec le niveau d'énergie de vibration / rotation de la molécule. Le microscope Raman Confocal Laser permet l'imagerie chimique résolue dans l'espace à l'échelle du micron et est largement utilisé dans la science des matériaux, l'analyse pharmaceutique, l'identification des artefacts et la médecine légale.

4. Spectroscopie de claquage induite par laser (libs)

Le laser pulsé de haute puissance se concentre sur la surface de l'échantillon et produit un plasma à haute température qui permet une détection rapide de la composition des éléments en analysant les raies spectrales atomiques / ioniques émises par le plasma. Libs ne nécessite pas de prétraitement des échantillons et peut effectuer des analyses in situ et en ligne de solides, de liquides et de gaz pour des applications dans la métallurgie, la géologie, l'industrie nucléaire et l'exploration spatiale (par exemple, le Rover ChemCam).

5. Spectroscopie d'amélioration de cavité (par exemple CEAS, of - CEAS) et spectroscopie d'atténuation de cavité optique (CRDS)

L'injection d'un laser dans une cavité optique à haute réflectivité permet un trajet optique de plusieurs kilomètres, améliorant considérablement le signal d'absorption. Le CRDS calcule le coefficient d'absorption en mesurant le temps d'atténuation du laser dans la cavité avec une sensibilité allant jusqu'à l'ordre de ppt (Parties par trillion) et est l'une des techniques actuelles de spectroscopie d'absorption.

Iii. Avantages techniques et domaines d'application

1. Ultra haute sensibilité et limite de détection

Peut détecter des traces de contaminants, des isotopes rares ou des biomolécules à faible concentration, répondant aux exigences strictes du domaine de l'environnement et de la santé.

2. Haute sélectivité et forte capacité anti - interférence

La longueur d'onde du laser peut correspondre avec précision aux raies spectrales caractéristiques de la cible, évitant efficacement les interférences de fond.

3. Sans contact, essais non destructifs

Idéal pour la mesure à distance d'artefacts précieux, de tissus vivants, de températures élevées ou d'environnements dangereux.

4. Surveillance en ligne en temps réel

Peut être intégré dans des tuyaux industriels ou des stations de surveillance environnementale pour une analyse continue et automatisée.

5. Tendance à la polyvalence et à la miniaturisation

Des gros appareils de laboratoire aux spectromètres portables, portables et même à puce, les limites des applications ont été élargies.

Les applications typiques comprennent:

- surveillance de l'environnement: polluants atmosphériques, gaz à effet de serre, détection des métaux lourds dans la qualité de l'eau.

- contrôle des processus industriels: contrôle de la composition des gaz dans la pétrochimie, l'acier, la fabrication de semi - conducteurs.

- biomédical: analyse expiratoire (par exemple, acétone, no), tests sanguins, dépistage précoce du cancer.

- sécurité publique: identification rapide des explosifs, agents chimiques de guerre.

- frontières de la recherche scientifique: physique atomique froide, détection quantique, analyse astrochimique.

Les spectromètres laser ne sont pas seulement des « yeux» pour l'exploration scientifique, mais aussi des « sentinelles» pour protéger l'environnement, protéger la santé et promouvoir la modernisation industrielle. Avec les percées continues dans la technologie laser et l'intégration photonique, les spectromètres laser joueront un rôle de plus en plus important dans les besoins stratégiques nationaux tels que la médecine de précision, les villes intelligentes, la surveillance neutre en carbone et d'autres, éclairant les mystères microscopiques du monde matériel.