PHS3210 - Spectroscopie - Polytechnique Montréal

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Ecole Polytechnique de Montr´ eal
D´epartement de G´enie Physique
PHS3210 - Spectroscopie
Protocoles de laboratoire
25 janvier 2017

Table des mati`eres
1 Introduction 3
2 Spectroscopie Raman 4
2.1 DiffusionRaman ................................. 4
2.2 Diffusion Raman vs. absorption IR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Instrumentation et calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3.1 Contexte th´eorique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3.2 Filtrage de la diffusion Rayleigh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.3 Montage exp´erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.4 Calibration en longueur d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Prisededonn´ees ................................. 10
2.5 Exp´erimentation ................................. 12
2.5.1 Manipulations .............................. 12
2.5.2 Teneur en alcool d’un produit commercial . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.5.3 ´ Etude des modes vibrationnels du CS2................. 13
A Fiches techniques 16
A.1 Spectrom`etre ScienceTech 9055 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
A.2 Spectrom`etre Ocean Optics USB650 Red Tide . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
A.3 Lasers ....................................... 17
A.4 Cam´era CCD Apogee Alta U30-OE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
A.5 Filtres....................................... 19
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TABLE DES MATI ` ERES
Protocoles de laboratoire
A.5.1 Filtre passe-bande FL05532-1 de ThorLabs . . . . . . . . . . . . . . 19
A.5.2 Densit´e optique ND10A de ThorLabs . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
A.5.3 Filtre passe-long Semrock RazorEdge 532 nm . . . . . . . . . . . . . 19
A.6 Optique Thorlabs (A et B) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
B D´etermination num´erique de z´eros 22
2PHS3210 - Spectroscopie

Chapitre 1
Introduction
La spectroscopie, soit l’´etude du comportement en fr´equence ou en longueur d’onde
de diff´erents ph´enom`enes, est un outil indispensable dans un grand nombre de disciplines
scientifiques comme la chimie analytique, l’astronomie, la science des mat´eriaux, la phy-
sique atomique et mol´eculaire ou la t´el´ed´etection. Lors des laboratoires de ce cours, l’accent
sera mis sur la spectroscopie ´electromagn´etique dans les domaines du visible et du proche
infrarouge. Chacune des trois s´eances au laboratoire portera sur une technique spectrosco-
pique diff´erente, soient la spectroscopie d’absorption, d’´emission et de diffusion Raman.
L’objectif de ces laboratoires est de se familiariser avec ces diff´erentes techniques, ainsi
que d’introduire des concepts cl´es concernant l’aspect exp´erimental de la spectroscopie,
notamment le fonctionnement ainsi que la calibration des diff´erents composants essentiels
d’un syst`eme de mesure spectroscopique.
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Chapitre 2
Spectroscopie Raman
2.1 Diffusion Raman
Une onde ´electro-magn´etique se propageant dans un mat´eriau parfaitement homog`ene
suivra une trajectoire rectiligne. ´ Eventuellement, si cette onde rencontre une interface, elle
sera r´efl´echie ou transmise ; la probabilit´e de ces ph´enom`enes d´epend de la fr´equence de
l’onde et de l’indice de r´efraction des mat´eriaux situ´es de part et d’autre de l’interface. Dans
un monde r´eel, les mat´eriaux ne sont jamais parfaitement homog`enes, mais pr´esentent une
panoplie d’inhomog´en´eit´es qui induisent des variations locales de l’indice de r´efraction. Ces
inhomog´en´eit´es agissent comme des micro-interfaces pouvant rediriger la lumi`ere dans une
direction al´eatoire, un ph´enom`ene mieux connu sous le nom de diffusion de la lumi`ere.
La majorit´e de ces sources de diffusion `a l’int´erieur d’un milieu sont des inhomog´en´eit´es
dites statiques, comme les mol´ecules de gaz ou les poussi`eres pr´esentes dans l’atmosph`ere,
les impuret´es ou les dislocations d’un r´eseau cristallin, etc. Ces centres de diffusion n’´echangent
pas d’´energie avec le champ ´electro-magn´etique et induisent donc une diffusion ´elastique
de la lumi`ere.
Cependant, une onde ´electro-magn´etique peut ´egalement ˆetre diffus´ee par des inho-
mog´en´eit´es dites dynamiques, comme des variations locales de densit´e massique dues au
mouvement oscillatoire des atomes `a l’int´erieur d’un mat´eriau ou d’une mol´ecule. Ces
variations locales de densit´e induisent de faibles variations de l’indice de r´efraction qui
peuvent diffuser les ondes ´electro-magn´etiques : un processus appel´e diffusion Raman. Il
s’agit d’un m´ecanisme in´elastique, puisque l’onde ´ectro-magn´etique et le mode de vibration
´echangeront un ou plusieurs quanta d’´energie lors de leur interaction.
La spectroscopie Raman tire profit de ce m´ecanisme de diffusion in´elastique pour sonder
les diff´erents niveaux d’´energie accessibles aux noyaux `a l’int´erieur d’un mat´eriau, plus
pr´ecis´ement les niveaux d’´energie vibrationnelle. Cette technique se distingue donc de la
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