PHS3210 - Spectroscopie - Protocoles de laboratoire - Polytechnique Montréal
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École Polytechnique de Montréal
Département de Génie Physique
PHS3210 - Spectroscopie
Protocoles de laboratoire
16 février 2018
Table des matières
1 Spectroscopie Raman 2
1.1 Diffusion Raman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Diffusion Raman vs. absorption IR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Instrumentation et calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.1 Contexte théorique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.2 Filtrage de la diffusion Rayleigh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.3 Montage expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.4 Calibration en longueur d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Prise de données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.1 Teneur en alcool d’un produit commercial . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.2 Étude des modes vibrationnels du CS2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
A Fiches techniques 13
A.1 Spectromètre ScienceTech 9055 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
A.2 Spectromètre Ocean Optics USB650 Red Tide . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
A.3 Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
A.4 Caméra CCD Apogee Alta U30-OE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
A.5 Filtres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
A.5.1 Filtre passe-bande FL05532-1 de ThorLabs . . . . . . . . . . . . . . 16
A.5.2 Densité optique ND10A de ThorLabs . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
A.5.3 Filtre passe-long Semrock RazorEdge 532 nm . . . . . . . . . . . . . 16
A.6 Optique Thorlabs (A et B) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1
Chapitre 1
Spectroscopie Raman
1.1 Diffusion Raman
Une onde électro-magnétique se propageant dans un matériau parfaitement homogène
suivra une trajectoire rectiligne. Éventuellement, si cette onde rencontre une interface, elle
sera réfléchie ou transmise ; la probabilité de ces phénomènes dépend de la fréquence de
l’onde et de l’indice de réfraction des matériaux situés de part et d’autre de l’interface. Dans
un monde réel, les matériaux ne sont jamais parfaitement homogènes, mais présentent une
panoplie d’inhomogénéités qui induisent des variations locales de l’indice de réfraction. Ces
inhomogénéités agissent comme des micro-interfaces pouvant rediriger la lumière dans une
direction aléatoire, un phénomène mieux connu sous le nom de diffusion de la lumière.
La majorité de ces sources de diffusion à l’intérieur d’un milieu sont des inhomogénéités
dites statiques, comme les molécules de gaz ou les poussières présentes dans l’atmosphère,
les impuretés ou les dislocations d’un réseau cristallin, etc. Ces centres de diffusion n’échangent
pas d’énergie avec le champ électro-magnétique et induisent donc une diffusion élastique
de la lumière.
Cependant, une onde électro-magnétique peut également être diffusée par des inho-
mogénéités dites dynamiques, comme des variations locales de densité massique dues au
mouvement oscillatoire des atomes à l’intérieur d’un matériau ou d’une molécule. Ces varia-
tions locales de densité induisent de faibles variations de l’indice de réfraction qui peuvent
diffuser les ondes électro-magnétiques : un processus appelé diffusion Raman. Il s’agit
d’un mécanisme inélastique, puisque l’onde électro-magnétique et le mode de vibration
échangeront un ou plusieurs quanta d’énergie lors de leur interaction.
La spectroscopie Raman tire profit de ce mécanisme de diffusion inélastique pour sonder
les différents niveaux d’énergie accessibles aux noyaux à l’intérieur d’un matériau, plus
précisément les niveaux d’énergie vibrationnelle. Cette technique se distingue donc de la
2
Protocoles de laboratoire
CHAPITRE 1. SPECTROSCOPIE RAMAN
majorité des autres techniques de spectroscopie qui sondent les niveaux d’énergie accessibles
aux électrons (e.g. absorption, fluorescence, phosphorescence). En effet, en mesurant le
décalage énergétique entre une onde électro-magnétique monochromatique incidente sur un
matériau et le spectre de diffusion résultant, il est possible d’évaluer l’énergie des modes
de vibrations pouvant diffuser efficacement la lumière.
Le but de ce laboratoire est d’utiliser la spectroscopie Raman pour mesurer avec
précision certaines caractéristiques fondamentales de différentes molécules. D’abord, en
comparant l’intensité de la diffusion Raman générée par une solution d’éthanol concentré
et par un échantillon d’alcool commercial, nous chercherons à vérifier que la concentration
d’alcool dans l’échantillon correspond bien à la valeur nominale affichée par le fabricant.
Puis, en mesurant le spectre de diffusion Raman d’une molécule de haute symétrie (CS2 ),
nous identifierons les modes de vibration permis par la symétrie de cette molécule.
1.2 Diffusion Raman vs. absorption IR
Lors du laboratoire d’absorption que vous avez réalisé dans le cadre de ce cours, vous
avez vu qu’il est possible d’obtenir l’énergie des transitions électroniques fondamentales
d’un matériau, par exemple l’énergie de la bande interdite d’un matériau semi-conducteur,
en mesurant son spectre d’absorption. Il est possible de réaliser une expérience similaire
pour mesurer les énergies de transition entre les différents niveaux vibrationnels : un mode
de vibration peut être activé par l’absorption d’une onde électro-magnétique de même
énergie. Cependant, comme ces énergies sont typiquement beaucoup plus faibles que les
énergies des transitions électroniques, il faut utiliser une source dont la fréquence est beau-
coup plus basse, on parlera alors d’absorption infra-rouge (IR).
À priori, l’absorption IR fournit la même information que la diffusion Raman, soit les
énergies des différents modes de vibration présents dans un matériau. Cependant, pour
mesurer une absorption appréciable, il est indispensable d’étudier des modes de vibrations
induisant des variations du moment dipolaire (e.g. les vibrations de la molécule d’eau). Pour
les matériaux ne possédant aucun moment dipolaire (e.g. le silicium), la majorité des modes
de vibration ne sont pas actifs en absorption et il est souvent plus approprié d’utiliser les
techniques de diffusion, puisqu’elles n’imposent aucune condition sur le moment dipolaire.
Les techniques d’absorption IR et de diffusion Raman sont donc complémentaires et
doivent être utilisées conjointement afin de mesurer l’ensemble du spectre vibrationnel.
3 PHS3210 - Spectroscopie
Protocoles de laboratoire
CHAPITRE 1. SPECTROSCOPIE RAMAN
1.3 Instrumentation et calibration
1.3.1 Contexte théorique
L’utilisation d’un spectromètre à réseau traditionnel nécessite une bonne connaissance
de base des phénomènes optiques impliqués afin d’obtenir des résultats précis et exacts. En
effet, il est non seulement essentiel de calibrer convenablement l’instrument, mais il faut
aussi considérer les effets que peuvent avoir tous les composants du spectromètre sur la
mesure effectuée, partant des fentes d’entrée jusqu’au détecteur, sans oublier le réseau et
les miroirs.
Fs
C2
Ms
D
R
Me C1
Fe
Figure 1.1 – Fonctionnement schématique d’un spectromètre de type Czerny-Turner
Le fonctionnement du spectromètre utilisé lors de cette expérience est très similaire à
celui du spectromètre Ocean Optics utilisé lors d’autres séances de laboratoire. Toutefois,
un certain nombre de différences en font un appareil beaucoup plus précis et versatile.
Premièrement, les dimensions du spectromètre 9055 de Sciencetech sont beaucoup plus
importantes que celles du spectromètre miniature, et ce principalement à cause de la plus
grande longueur focale des miroirs de collimation. Cette longueur focale est un des pa-
ramètres les plus importants déterminant la résolution de l’appareil, car elle permet une
plus grande séparation spatiale des différentes longueurs d’onde diffractées par le réseau.
La deuxième principale différence entre les deux appareils est le réseau mobile du 9055,
4 PHS3210 - SpectroscopieProtocoles de laboratoire
CHAPITRE 1. SPECTROSCOPIE RAMAN
qui permet de sonder différentes plages de longueurs d’onde en modifiant les angles d’inci-
dence et de diffraction sur ledit réseau. De plus, la tourelle sur laquelle est monté le réseau
comprend trois faces, deux desquelles sont munies de réseaux différents, et il est donc pos-
sible de sélectionner le réseau utilisé (1200 ou 1800 lignes par mm) lors des mesures, ce
qui permet de maximiser l’intensité du signal ou la résolution, tout en variant l’étendue
spectrale, et ce afin de satisfaire les besoins de l’expérience.
Finalement, le spectromètre 9055 est muni de deux fentes d’entrée ajustables ainsi
que d’une fente de sortie, qui peut être utilisée au lieu de la caméra CCD. Ceci permet
une utilisation du spectromètre comme monochromateur, ou encore un couplage avec un
détecteur spécialisé ultra-rapide ou ultra-sensible plutôt qu’une CCD. De plus, en variant
la largeur des fentes d’entrée et/ou de sortie, il est possible encore une fois de varier la
résolution et l’intensité de la mesure.
1.3.2 Filtrage de la diffusion Rayleigh
Lors d’un processus de diffusion Raman, l’onde électro-magnétique peut émettre un
quanta d’énergie vers le mode de vibration avec lequel elle interagit ou en absorber un.
On parlera alors, respectivement, de processus Stokes et anti-Stokes. (voir Fig. 1.2). En
comparant la position spectrale de ces pics de diffusion avec celle de la source, il est possible
de calculer les énergies des différents modes de vibration.
Niveaux virtuels
Niveaux vibrationnels
ΔE
Niveau fondamental
Stokes Rayleigh Anti-Stokes
Figure 1.2 – Illustration des différents processus de diffusion
Un spectre de diffusion typiques correspond au spectre présenté à la figure 1.3. Cepen-
dant, la raie de Rayleigh, dont la longueur d’onde correspond à celle du laser, est beaucoup
plus intense que les raies Stokes et anti-Stokes. Il est donc nécessaire de l’éliminer à l’aide
d’un filtre passe-long ou coupe-bande afin de ne pas saturer l’instrumentation de détection.
Dans le cadre de ce laboratoire, un filtre passe-long est utilisé à ces fins.
5 PHS3210 - SpectroscopieProtocoles de laboratoire
CHAPITRE 1. SPECTROSCOPIE RAMAN
Rayleigh
Anti-Stokes Stokes
Intensité
ΔE2 ΔE2
ΔE1 ΔE1
λ Laser
Énergie Longueur d'onde
Figure 1.3 – Schématisation des raies de diffusion
1.3.3 Montage expérimental
A
PL Le EL PB DN
Laser
532 nm
Spectromètre
9055
B ES
Caméra CCD
Apogee Alta
Figure 1.4 – Montage expérimental utilisé pour les acquisitions Raman
Le montage utilisé est présenté à la figure 1.4. On y retrouve un laser d’excitation
à 532 nm, qui est atténué par une densité optique neutre (DN) puis filtré par un filtre
passe-bande très étroit centré à 532 nm (PB). Par la suite, un miroir amovible permet
de sélectionner l’une ou l’autre des configurations d’excitation (A ou B). La configuration
A est utilisée pour les échantillons liquides et comporte une cuvette munie de fenêtres
optiques permettant de faire passer le faisceau laser au travers de l’échantillon.
Finalement, la lumière est collectée par une lentille puis focalisée sur les fentes par une
seconde lentille (Le), et passe au travers d’un filtre passe-long servant à éliminer la lumière
laser du spectre mesuré.
6 PHS3210 - SpectroscopieProtocoles de laboratoire
CHAPITRE 1. SPECTROSCOPIE RAMAN
1.3.4 Calibration en longueur d’onde
Avant de procéder à toute prise de mesure, il est essentiel de calibrer le système utilisé
afin de s’assurer de recueillir des données exactes. Étant donné que les mesures Raman
sont des mesures de longueur d’onde relatives, il est surtout important de connaı̂tre avec
précision la position du pic laser ainsi que la distribution des longueurs d’onde sur le
détecteur en fonction de celle-ci. Dans cette première partie de l’expérience, vous allez
déterminer la position de quelques raies spectrales, et la distribution de longueurs d’onde
va pouvoir être calculée par le logiciel LabView à partir de ces valeurs et de la configuration
géométrique du spectromètre.
Manipulations
Afin de procéder à la calibration, il vous faut d’abord positionner le réseau du spec-
tromètre au bon endroit, puis effectuer la calibration numérique en vous basant sur des
raies d’émission d’une lampe à arc. Lors de ce laboratoire, vous utiliserez une lampe au
mercure étant donné que celle-ci présente plusieurs raies dans la région d’intérêt.
Le montage est entièrement confiné à l’intérieur d’un boı̂tier d’aluminium dont le cou-
vercle est relié à un obturateur électronique qui bloque l’émission laser dès l’ouverture du
boı̂tier afin de minimiser les risques d’exposition au laser. L’alignement du fasceau étant
déjà effectué, vous n’avez qu’à positionner les échantillons et la lampe de calibration dans
le chemin optique lors des manipulations. Si vous n’obtenez aucun signal ou que le laser
est visiblement désaligné, demandez l’aide d’un chargé de laboratoire.
1. Démarrer le programme LabView ‘SPECTRE 3.5’ et sélectionnez la case ‘USB’,
cliquez sur ‘Search’ puis sur l’identifiant de la caméra ‘Apogee Alta’.
2. Dans l’onglet ‘Spectromètre’, cliquez sur ‘On’ et positionnez le réseau de 1800
raies/mm à 568nm, ce qui correspond à une plage d’observation qui va environ
de 200 à 2000 cm−1 pour un laser à une longueur d’onde centrale de 532nm.
3. Assurez vous que le seul éclairage dans la pièce soit incandescent.
4. Allumez la lampe au mercure et positionnez-la dans le chemin optique, entre les deux
miroirs et la première lentille en prenant bien soin de ne pas déplacer les miroirs
ou lentilles. Faites bien attention de manipuler la lampe seulement par sa
base car elle peut devenir chaude, et le capuchon n’est pas solidement
fixé sur la base.
5. Dans l’onglet ‘Calibration’, cliquez sur ‘On’ puis sur ‘Acquisition de données’
6. Ajustez le temps d’acquisition à 0.04 secondes puis ajustez largeur de la fente
d’entrée à l’aide de la vis micrométrique pour obtenir des raies fines, claires et
définies. La lampe étant très intense, il est possible que vous ayez à la déplacer ou à
7 PHS3210 - SpectroscopieProtocoles de laboratoire
CHAPITRE 1. SPECTROSCOPIE RAMAN
tourner le capuchon légèrement pour éviter de saturer la caméra CCD. L’ajustement
de la vis peut être très sensible, procédez par faibles incréments.
7. Une fois satisfaits du spectre, cliquez sur ‘Utiliser ce spectre’ puis sélectionnez les
trois raies du mercure telles qu’indiquées à la figure 1.5 à l’aide du curseur rouge et
des trois boutons dans le sous-onglet ’Raman’.
8. Cliquez sur ‘Calculer calibration Raman’ puis sur ‘Convertir en cm−1 ’
9. Cliquez de nouveau sur ‘Utiliser ce spectre’ puis sur ‘Off’.
10. Pour des fins d’analyse, il est recommandé d’enregistrer un spectre de la lampe via
l’onglet ’Acquisition Raman’ (voir section 1.4) avant d’éteindre la lampe. NB : Il est
forement déconseillé d’enregistrer vos données directement sur un clef USB, mais
plutôt de sauver les données sur le disque dur puis de les transférer à la fin des
manipulations.
11. Éteignez la lampe et enlevez-la du chemin optique. Le spectromètre est calibré.
546.074 nm
579.065 nm
Intensité
576.959 nm
Pixels
Figure 1.5 – Schématisation des raies du mercure utilisées pour la calibration
1.4 Prise de données
Une fois le spectromètre calibré tel que décrit à la section 1.3.4, il faut maintenant
positionner l’échantillon et procéder à l’acquisition de données.
8 PHS3210 - SpectroscopieProtocoles de laboratoire
CHAPITRE 1. SPECTROSCOPIE RAMAN
Mise en garde
La puissance d’émission du laser utilisé lors de ces manipulations est
suffisante pour endommager sérieusement les yeux. Afin d’éviter toute
exposition des yeux à un rayonnement dommageable, il est important,
lors de toute manipulation des composants optiques, c’est-à-dire lors
de l’alignement du laser et de l’installation d’échantillons, de désactiver
l’émission laser si possible ou encore de porter des lunettes de sécurité
appropriées.
Règles à suivre au laboratoire :
— Enlever tout bijou, montre ou morceau de vêtement réfléchissant en entrant au
laboratoire afin d’éviter des réflexions spéculaires accidentelles.
— Ne jamais faire de mouvements brusques ou imprévus, surtout lorsque vous mani-
pulez des composants optiques ou des échantillons afin d’éviter les réflexions acci-
dentelles.
— Ne jamais placer ses yeux au niveau du faisceau laser.
— Se référer au chargé de laboratoire si le laser est désaligné.
— S’assurer de ne pas porter de vêtements trop amples et pendants ou de cheveux
longs détachés afin de ne pas obstruer les faisceaux laser ou de ne pas endommager
les miroirs et autres composants optiques.
1. Important : les individus qui manipulent le laser et/ou qui ne sont pas protégés par
des barricades laser adéquates doivent porter des lunettes de sécurité. L’émission
laser est assez puissante pour gravement endommager la rétine de l’oeil.
2. Démarrez le préchauffage du laser en tournant la clé à ‘On’, et en positionnant le
commutateur à ‘Standby’. Le laser peut prendre jusqu’à 30 minutes avant
de se stabiliser. Il est donc recommandé de préchauffer le laser dès que possible
s’il n’est pas déjà allumé.
3. Allumez le laser en positionnant le commutateur à ’Lase’. Assurez-vous que le laser
est en fonction (le voyant lumineux à côté du commutateur devrait s’allumer).
4. L’alignement du système optique est déjà effectué - vous n’avez qu’à positionner les
échantillons et à ajuster la largeur des fentes lors de cette manipulation.
5. Positionnez l’échantillon sur le porte-cuvette et refermez le boı̂tier de confinement
laser.
6. Dans l’onglet ‘Acquisition Raman’ du logiciel, sélectionnez une durée d’acquisition
d’environ 1 seconde puis lancez l’acquisition en mode continu. Vous pouvez afficher
l’axe des x en nm ou en cm−1 . Ajustez au besoin la largeur des fentes.
7. Après avoir déterminé la largeur de fente désirée, désactiver l’acquisition conti-
nue, puis sélectionner le temps d’acquisition désiré (environ 30 secondes) avant de
démarrer la prise de données.
9 PHS3210 - SpectroscopieProtocoles de laboratoire
CHAPITRE 1. SPECTROSCOPIE RAMAN
8. Une fois un spectre adéquat obtenu, cliquez sur ‘Enregistrer’ pour sauvegarder les
données.
9. Pour faciliter certaines procédures de traitement de données, il est recommandé de
faire une seconde acquisition sans échantillon après chaque mesure pour obtenir un
spectre de référence.
1.4.1 Teneur en alcool d’un produit commercial
Mise en garde
Pour réaliser cette partie de l’expérience vous devez fournir un échantillon d’une
boisson alcoolisée (nous suggérons une teneur en alcool au-delà de 20%). Il est fortement
suggéré de choisir un alcool blanc comme le gin ou la vodka, parce que les alcools
de couleur plus foncée absorbent une trop grande quantité de lumière ce qui diminue
fortement leur signal Raman.
Une des applications les plus utiles de la spectroscopie Raman est d’évaluer la concen-
tration d’un des composants d’un mélange ou d’une solution. Par exemple, certains capteurs
utilisent la diffusion Raman pour mesurer la concentration, dans un mélange gazeux, de
gaz qui seraient difficiles à détecter par spectroscopie infrafouge. Dans l’industrie agro-
alimentaire, on utilise également la spectroscopie Raman afin de mesurer la teneur des
aliments en gras, en sucre, etc.
Dans cette partie de l’expérience, nous utiliserons la diffusion Raman pour mesurer la
concentration en alcool (éthanol) d’une boisson alcoolisée afin de vérifier la concordance
avec la valeur affichée par le producteur.
La fiole contenant l’échantillon de référence d’éthanol se trouve dans la hotte du la-
boratoire. Vous devez préparer une fiole avec votre échantillon de boisson alcoolisée. Pour
ce faire, versez une quelques millilitres de votre alcool dans un bécher puis, à l’aide d’une
pipette jetable, transférez l’alcool dans la fiole vide pour qu’elle soit environ remplie aux
deux tiers. NB : Faites attention de seulement manipuler les fioles par la partie du haut ou
par les faces dépolies afin de ne pas salir les surfaces optiques utilisées.
À la fin des manipulations, prenez bien soin de replacer les fioles de référence dans la
hotte, et de vider le bécher et la fiole contenant votre alcool dans l’évier de la hotte.
Rapport de laboratoire :
Dans cette section, vous devez élaborer un protocole d’analyse qui vous permettra
d’évaluer le plus précisément possible le pourcentage d’éthanol contenu dans votre échantillon
10 PHS3210 - SpectroscopieProtocoles de laboratoire
CHAPITRE 1. SPECTROSCOPIE RAMAN
commercial. Vous devrez présenter clairement ce protocole, l’appliquer rigoureusement et
l’évaluer de façon critique à partir des résultats que vous obtenez.
Faites attention. Pour obtenir une valeur correcte de la teneur en alcool de votre pro-
duit, vous devrez mesurer l’intensité des pics Raman de l’éthanol dans ce produit et dans
l’échantillon d’éthanol pur, puis comparer ces intensités. Cependant, comme ces mesures ne
sont pas faites en même temps, il est possible qu’une variation des conditions expérimentales
affecte les résultats. Notamment, la puissance du laser d’excitation peut fluctuer dans le
temps et augmenter ou diminuer l’intensité d’un spectre par rapport à l’autre menant ainsi
à une mauvaise estimation de la teneur en alcool de votre produit. Pour éviter ce biais, il
faudra normaliser chacun des spectres obtenus par une valeur de référence qui tient compte
des conditions de mesure. Nous suggérons d’utiliser un pic du laser présent dans les deux
spectres comme pic de référence. En s’assurant, sur chaque spectre, que l’intensité de ce
pic est normalisée, il sera possible de comparer précisément les rapports d’intensité des pics
provenant de la diffusion Raman de l’éthanol.
1.4.2 Étude des modes vibrationnels du CS2
Cette dernière expérience vous permettra de mesurer directement la fréquence de cer-
tains modes vibrationnels de la molécule de CS2 et de la comparer à vos calculs théoriques
fait lors du prélaboratoire. La prise de mesure se fait pareillement à la section précédente,
à l’exception que le CS2 exige certaines mesures de sécurité additionnelles. La fiole scellée
de CS2 se trouve dans la hotte du laboratoire. Prenez soin de ne pas toucher les fenêtres
optiques et de la remettre en place après les manipulations.
Mise en garde
Le sulfure de carbone, ou CS2 est un liquide volatile,
toxique et hautement inflammable. L’échantillon utilisé
est scellé dans une fiole, mais en cas de bris ou de fuite,
informez immédiatement le chargé de laboratoire et rincer
à grande eau en cas de contact avec la peau. Veuillez
vous renseigner au sujet de ce composé en consultant sa
fiche signalétique (MSDS) disponible sur le site Moodle
du cours.
Rapport de laboratoire :
Le CS2 est une molécule linéaire de symétrie D∞,h . Étant donné qu’il s’agit d’une
molécule linéaire, elle possède 3 × 3 − 5 modes normaux de vibrations : deux linéaires
11 PHS3210 - SpectroscopieProtocoles de laboratoire
CHAPITRE 1. SPECTROSCOPIE RAMAN
(symétrique et asymétrique) et un mode de frétillement.
Pour modéliser les modes de vibration d’une molécule triatomique linéaire, nous allons
considérer seulement les modes normaux pour lesquelles les atomes oscillent en phase à la
même fréquence, mais avec des amplitudes distinctes, xi = Ai exp iωt. De plus, nous ne
considèrerons pas le mode de frétillement.
1. Illustrer la molécule et définir le système de coordonnées que vous allez utiliser.
2. Écrire l’énergie cinétique de la molécule T et l’énergie potentielle V .
3. À l’aide du Lagrangien,
p écrire les équations d’Euler-Lagrange caractérisant la molécule
en utilisant ω0 = k/ms et r = mc /ms .
4. Résoudre ce système d’équations : déterminer les fréquences oscillations du système
et décrire la nature des modes de vibration.
5. Si on estime la constante de rappel à environ 730 kg/s2 , déterminer le nombre d’onde
des modes de vibration linéaire.
6. Estimer les intensités relatives des deux variantes isotopiques les plus communes.
Poursuivez votre analyse du spectre de diffusion Raman de la molécule de CS2 à l’aide
des notions de théorie des groupes vues en classe.
7. Déterminer les symétries des modes normaux de vibration pour cette molécule.
8. Déterminer les règles de sélections Raman et IR.
9. Déterminer les règles de sélections Raman et IR si la même molécule avait plutôt
une symétrie C∞,v .
10. Identifier les raies obtenues dans le spectre de diffusion Raman de l’échantillon
mesuré.
11. Expliquer pourquoi nous observons des raies normalement interdites.
12. Déterminer la constante de rappel (k) du mode de vibration linéaire.
12 PHS3210 - SpectroscopieAnnexe A
Fiches techniques
A.1 Spectromètre ScienceTech 9055
Figure A.1 – Spectromètre 9055
Table A.1 – Spécification techniques du spectromètre 9055
Longueur focale d’entrée 200 mm
Longueur focale de sortie 250 mm
Étendue spectrale 0-1000 nm
Ouverture numérique f/3.5
Résolution optique 0.2 nm
Dispersion 4.0 nm/mm
Précision en longueur d’onde ±0.2 nm
Reproductibilité ±0.1 nm
Fentes d’entrée 0-6 mm par pas de 10 µm
13Protocoles de laboratoire
ANNEXE A. FICHES TECHNIQUES
A.2 Spectromètre Ocean Optics USB650 Red Tide
Figure A.2 – Spectromètre USB650 Red Tide
Table A.2 – Spécification techniques du spectromètre USB650 Red Tide
Longueur focale d’entrée 42 mm
Longueur focale de sortie 68 mm
Étendue spectrale 350-1000 nm
Ouverture numérique f/4
Résolution optique ∼2 nm
Fentes d’entrée 25 µm
Taille du détecteur (pixels) 1 x 650
Taille des pixels 14 x 200 microns
Pas du réseau 600 raies/mm
A.3 Lasers
Les deux lasers utilisés lors de ces laboratoires sont des lasers Nd :YAG pompés par une
diode laser infrarouge (∼800 nm). L’émission du laser YAG à 1064 nm passe par un cristal
doubleur de longueur d’onde, ce qui donne une longueur d’onde d’émission à la sortie de
532 nm.
La sortie du laser utilisé pour les manipulations d’émission, un RGB Lase FC-532-050,
est couplée à une fibre optique, et son boı̂tier de contrôle permet de moduler la puissance
d’émission entre 0 et 50 mW. Le laser utilisé pour les manipulations Raman, un Lightwave
Series 142 est sensiblement plus puissant (émission d’environ 500 mW), et sa sortie n’est
pas couplée à une fibre optique. Ce laser est quelque peu instable, et sa puissance d’émission
n’est pas régulière.
14 PHS3210 - SpectroscopieProtocoles de laboratoire
ANNEXE A. FICHES TECHNIQUES
Les deux lasers nécessitent une période de préchauffage avant de pouvoir lancer l’émission,
cette période étant significativement plus longue pour le laser 500 mW.
Mise en garde
Les deux lasers utilisés au laboratoire sont des lasers de clase IIIb, et donc sont assez
puissants pour causer de graves dommages à la rétine en cas d’exposition directe au
faisceau ou à une réflexion spéculaire. Il est essentiel de respecter les protocoles de sécurité
énoncés dans le présent document, de porter l’équipement de protection approprié et de
les manipuler de façon attentionnée et sécuritaire afin d’éviter tout accident.
La limite d’exposition sécuritaire pour un laser à 532 nm est de 2,5 ×10−3 W/cm2
pour une exposition de 0,25 s, qui correspond au temps de réaction des paupières, et de
1.0 ×10−6 W/cm2 pour une exposition à long terme.
A.4 Caméra CCD Apogee Alta U30-OE
La caméra CCD couplée au spectromètre 9055 comprend un détecteur au silicium,
dont les propriétés géométriques sont présentées au tableau A.4. L’efficacité quantique du
détecteur est présentée à la figure A.3(b).
Il s’agit d’un détecteur de 1024 par 256 pixels refroidi par effet thermoélectrique. Ainsi,
il est possible d’observer un spectre de 1024 longueurs d’onde distinctes simultanément.
Toutefois, la résolution maximale n’est pas nécessairement déterminée par la dimension
ou le nombre des pixels, étant donné qu’elle dépend aussi de la diffraction engendrée par
l’optique du spectromètre.
(a) Boı̂tier de la caméra (b) Courbe de réponse
Figure A.3 – Caméra Apogee Alta U30-OE
15 PHS3210 - SpectroscopieProtocoles de laboratoire
ANNEXE A. FICHES TECHNIQUES
Table A.3 – Spécification techniques de la caméra Alta U30-OE
Taille du détecteur (pixels) 1024 x 256
Taille des pixels 26 x 26 microns
Taille du détecteur 26.6 x 6.6 mm
A.5 Filtres
A.5.1 Filtre passe-bande FL05532-1 de ThorLabs
Ce filtre interférentiel laisse passer uniquement une fine bande (1±0.2 nm) de longueurs
d’onde centrée à 532±0.2 nm. Étant donné qu’il s’agit d’un filtre à interférence, son efficacité
présente une forte dépendance angulaire.
Figure A.4 – Courbe de transmission du filtre FL05532-1
A.5.2 Densité optique ND10A de ThorLabs
Ce filtre réfléchissant transmet entre 12 et 19% de la lumière incidente sur une plage
de longueurs d’onde de 350 à 1100 nm, avec un transmission d’environ 15% à 532 nm.
A.5.3 Filtre passe-long Semrock RazorEdge 532 nm
Ce filtre interférentiel laisse passer les longueurs d’onde dépassant 534.5 nm. Dans
la plage des longueurs d’onde transmises par le filtre passe-bande, soit environ de 530.6
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ANNEXE A. FICHES TECHNIQUES
Figure A.5 – Courbe de transmission du filtre ND10A
à 533.4 nm, il présente un facteur de transmission moyen d’environ 5.3×10−5 , avec une
transmission de 9.6×10−7 à 532 nm. Étant donné qu’il s’agit d’un filtre à interférence, son
efficacité présente une forte dépendance angulaire.
Figure A.6 – Courbe de transmission du filtre RazorEdge
A.6 Optique Thorlabs (A et B)
Thorlabs offre une gamme de composants optiques munis de couches anti-reflets ciblant
certaines plages de longueurs d’onde. Le revêtement ‘A’ est conçu pour maximiser la trans-
mission et minimiser la réflexion dans la région du visible, soit de 400 à 700 nm, alors que
le revêtement ‘B’ est conçu pour le proche infrarouge, soit de 650 à 1050 nm.
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ANNEXE A. FICHES TECHNIQUES
Lorsqu’applicable, il est donc recommandé de choisir le jeu de lentilles et de composants
optiques appropriés selon la plage de longueurs d’onde utilisée.
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