12 Août 2019  |  Optoélectronique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 05/2019

Une nouvelle méthode de mesure des petites molécules

Les lasers à cascade quantique peuvent mesurer les molécules les plus petites avec une grande précision. Mais avec de plus grosses molécules gazeuses, ce n’était pas possible jusqu’à présent. Des chercheurs de l’Empa ont réussi à quantifier l’éthanol – une molécule organique importante – à l’aide d’un tel laser.

En collaboration avec l’Institut fédéral de métrologie (METAS), une équipe de chercheurs de l’Empa a mis au point une méthode pour déterminer la concentration d’éthanol dans un mélange gazeux contenant une très forte proportion de vapeur d’eau et de dioxyde de carbone.
 
En collaboration avec l’Institut fédéral de métrologie (METAS), l’équipe de chercheurs a mis au point un appareil permettant de comparer les gaz de référence utilisés pour vérifier les instruments de mesure du taux d’alcoolémie. (Image: iStock)
 
 
Une méthode efficace pour mesurer la concentration de gaz
La spectrométrie laser à cascade quantique est une méthode actuellement bien établie pour mesurer avec précision les concentrations de gaz. Jusqu’à aujourd’hui, les instruments laser ont bien réussi à mesurer de petites molécules, telles que les polluants atmosphériques gazeux ou les gaz à effet de serre. Mais les chercheurs de l’Empa ont réussi à optimiser un spectromètre laser afin de pouvoir mesurer de plus grosses molécules. «Nous avons pu visualiser la structure fine de l’absorption infrarouge des molécules», explique Lukas Emmenegger, responsable du département Pollution de l’air/Technologie environnementale de l’Empa.
Afin de déterminer les concentrations des différentes molécules d’un mélange gazeux, un faisceau laser est projeté sur le mélange de gaz à travers une cellule dite à réflexion multiple. La lumière du laser étant ensuite absorbée par les molécules du gaz. Plus l’absorption de la lumière est importante, plus la concentration des molécules est élevée. Afin de pouvoir quantifier de plus grosses molécules, les chercheurs ont utilisé un laser à très haute résolution, réduit la pression de l’échantillon de gaz et minutieusement examiné les données. En conséquence, les déviations les plus fines des spectres sont devenues visibles (cf. graphique).
 
Une coopération réussie
Cette nouvelle avancée des chercheurs de l’Empa connaît un tel succès qu’elle est déjà utilisée. En collaboration avec l’Institut fédéral de métrologie (METAS), l’équipe de chercheurs a mis au point un appareil permettant de comparer les gaz de référence utilisés pour vérifier les instruments de mesure du taux d’alcoolémie.
La concentration d’éthanol dans l’haleine synthétique – un mélange d’éthanol, d’eau, de dioxyde de carbone et d’azote – est mesurée beaucoup plus précisément qu’avec les méthodes précédentes. Les appareils de mesure de l’alcool utilisés par la police, par exemple, sont homologués et étalonnés par METAS.
Différentes méthodes de production de gaz de référence sont utilisées dans le monde entier. Cependant, ces méthodes donnent des résultats différents, ce qui n’est pas satisfaisant, car une différence de quelques pour cent peut avoir un effet considérable lors de l’étalonnage des instruments de mesure du taux d’alcoolémie. Afin de garantir des résultats de mesure uniformes et comparables, une méthode de référence définie avec précision, dans laquelle un gaz étalon est produit par saturation avec un mélange alcool-eau, est prescrite en Suisse.
 
Spectre d’absorption de l’haleine simulée avec une légère augmentation de la teneur en alcool. La spectroscopie laser peut également être utilisée pour visualiser les structures fines de l’éthanol (ligne rouge) qui permettent des mesures sélectives et sensibles. (Image: Optics Express 27, 5314; 2019)
 
 
Des données fiables et uniformes
«Grâce au laser à cascade quantique, ces gaz de référence peuvent désormais être comparés avec précision et fiabilité», explique Lukas Emmenegger. Il s’agit là d’une tâche importante, car il est essentiel pour les fabricants d’instruments, de savoir quels mélanges de gaz de référence sont comparés. Cela peut conduire à une situation dans laquelle l’instrument – avec le même étalonnage – satisfait aux exigences d’un pays, mais pas d’un autre, simplement parce qu’une méthode d’étalonnage différente est utilisée. Une mesure fiable avec le laser à cascade quantique peut aider à normaliser les systèmes de référence, afin que les exigences puissent être satisfaites de la même manière dans des pays divers.
 
De nombreuses autres applications
Mais Lukas Emmenegger et son équipe pensent déjà à l’avenir, car la méthode de mesure précise de différentes molécules organiques de tailles variées, offre un large éventail d’autres utilisations. Grâce au projet mené en commun avec METAS, les chercheurs ont pu développer une approche permettant de nombreuses autres applications, comme l’analyse médicale de l’air respirable ou la surveillance de l’environnement.
 
Bibliographie
O. Aseev, B. Tuzson, H. Looser, P. Scheidegger, C. Liu, C. Morstein, B. Niederhauser, L. Emmenegger; High-precision ethanol measurement by mid-IR laser absorption spectroscopy for metrological applications; Optics Express (2019); doi: 10.1364/OE.27.005314

Le laser à cascade quantique
Le laser à cascade quantique (QCL, Quantum Cascade Laser) est un laser à semi-conducteur, pouvant émettre de l’infra-rouge moyen à l’infra-rouge lointain. Son principe repose sur l’émission par cascade quantique, qui a été initialement proposé par R.F. Kazarino et R.A. Sursis en 1971, mais qui a été réellement mise en œuvre pour la première fois aux Laboratoires Bell en 1994 par Jerome Faist, Federico Capasso, Deborah Sivco, Carlo Sirtori, Albert Hutchinson, et Alfred Cho.
Alors que les autres lasers à semi-conducteur, de type «diode laser» sont des composants bipolaires dont le rayonnement électromagnétique provient d’une recombinaison de paires électron-trou, les lasers à cascade quantique sont unipolaires, l’émission étant obtenue par transition d’une structure à confinement quantique (un puit quantique). Ils sont constitués d’une multitude de structures hétérogènes, permettant de recycler les électrons et d’avoir ainsi des rendements quantiques supérieurs à un.
 
 
Lukas Emmenegger
Empa
Tél. 058 765 46 99
lukas.emmenegger@empa.ch
 
Bernhard Niederhauser
METAS
Tél. 058 387 02 62
bernhard.niederhauser@metas.ch


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