Quelques méthodes OSL

Le principe de l'OSL repose sur l'utilisation d'une source de stimulation optique afin d'obtenir le signal de luminescence. Par analogie avec la thermoluminescence, où la stimulation peut se faire par chauffage linéaire, par rampe ou paliers de températures, différentes méthodes de stimulation optique sont reportées dans la littérature [Bøtter-Jensen, 1997], [Bøtter-Jensen et al., 2003]. Nous nous proposons de présenter les méthodes usuelles de stimulation. Il existe cependant d'autres techniques OSL très particulières qui ne seront donc pas expliquées par la suite. Le lecteur peut se référer aux références citées ci-dessus pour de plus amples informations. Le choix de la méthode OSL dépend à la fois des propriétés du matériau et de l'application visée.

1.2.1. Stimulation continue (CW-OSL, Continuous Wave OSL)

Ce procédé, qui correspond historiquement au premier moyen utilisé pour obtenir l’OSL, consiste à stimuler l’échantillon de manière continue sous flux de stimulation constant (cf. Figure 1). La luminescence émise est mesurée durant la totalité de la stimulation jusqu’à ce que les pièges soient complètement vidés et que la luminescence cesse. La forme du signal

OSL est constituée d’une somme d’exponentielles décroissantes dont l’aire sous la courbe corrigée du bruit de fond est proportionnelle à la dose. La source de stimulation peut être un laser ou une lampe (xénon halogène, à incandescence) avec utilisation d’un monochromateur ou de filtres optiques.

Dans le domaine de la datation par OSL, deux méthodes de stimulation continue sont utilisées en routine. D’une part, la luminescence par stimulation infrarouge (IRSL pour Infrared Stimulated Luminescence), utilisée pour les feldspaths [Hütt et al., 1988], et d’autre part, la luminescence stimulée par lumière verte (GLSL pour Green Laser Stimulated Luminescence), utilisée à la fois avec les feldspaths et les quartz [Galloway, 1993]- [Galloway, 1994]. Cette technique peut également être appliquée avec les céramiques (porcelaine) [Bailiff, 1995] et certains matériaux synthétiques tels que l’alumine dopée au carbone [Bøtter-Jensen and McKeever, 1996], [Bøtter-Jensen et al. 1997]. Par la suite, certains auteurs se sont intéressés à la stimulation du quartz au moyen de diodes bleues [Bøtter-Jensen et al., 1999a].

Nous verrons par la suite que c’est ce procédé de stimulation légèrement modifié qui est utilisé au sein du groupe. Il présente l’avantage d’être facile à implémenter lorsque les spectres optiques de stimulation et d’émission du matériau sont complètement séparés comme dans le cas du SrS:Ce,Sm. Cependant, lorsque les spectres optiques se recouvrent partiellement ou totalement, il est nécessaire d’utiliser des techniques de filtrage comme dans le cas de l’alumine dopée au carbone ou d’utiliser une stimulation pulsée.

1.2.2. Stimulation pulsée (POSL, Pulsed OSL)

Jusqu'au milieu des années 1990, la stimulation optique (lasers, diodes ou lampes filtrées) est réalisée de façon continue. La luminescence stimulée est enregistrée durant la période où l'échantillon est exposé à la source de stimulation jusqu'à ce que la charge piégée soit déplétée. La dose absorbée est évaluée à partir de l'intégrale du signal OSL. C'est en 1994, que Sanderson et Clark ont discuté le potentiel d'une stimulation pulsée pour les applications de datation [Sanderson and Clark, 1994] (cf. Figure 1). Avec ce procédé, la luminescence est détectée uniquement entre les pulses de stimulation optique. L'intérêt de cette méthode est qu'elle permet de s'affranchir ou de minimiser les systèmes de filtrage optique puisqu’il n'est plus nécessaire de réaliser de discrimination entre le signal de stimulation et d’émission comme dans le cas d’une stimulation continue. De plus, ce procédé de stimulation permet d’étendre la gamme de longueur d’onde de stimulation. Différents auteurs ont appliqué cette

méthode à l'alumine dopée au carbone [Markey et al., 1995], [McKeever et al., 1996], [Bulur and Göksu, 1997b], [Akselrod and McKeever, 1999].

Fig. 1. Représentation schématique des trois principaux modes de stimulation optiques (d’après [Bøtter-Jensen et al., 2003]).

CW-OSL : Continuous Wave-OSL (Stimulation continue). LM-OSL : Linear Modulation-OSL (Stimulation linéaire). P-OSL : Pulsed OSL (Stimulation pulsée).

1.2.3. Stimulation linéaire (LM-OSL, Linear Modulation OSL)

Au lieu de stimuler un échantillon OSL de façon constante, il est possible de moduler linéairement la puissance optique de stimulation et d'enregistrer la luminescence simultanément (cf. Figure 1). Ce procédé est semblable à l'utilisation d'une rampe de chauffage en thermoluminescence. E. Bulur a proposé cette méthode en 1996 comme une alternative à la méthode par stimulation continue pour la datation [Bulur, 1996]. Cette méthode permet d'observer les courbes OSL sous forme de pics en fonction du temps. Pour

chaque pic OSL, le signal croît en passant par un maximum puis décroît lors de l'augmentation de la puissance optique. La position en temps du pic dépend à la fois de la pente de stimulation et de la section efficace de photo-ionisation du piège. Chaque pic correspond à un type de piège. Les temps d'apparition des pics dépendent de la profondeur (i.e., l’énergie d'activation) des pièges. Cette méthode présente l'intérêt de pouvoir distinguer la contribution de chaque pic au signal OSL. Cette méthode reste utilisée pour les études de datation, initialement avec des feldspaths [Bulur and Göksu, 1999]. Les mêmes auteurs ont également étudié le SrS et le ZnS par stimulation linéaire [Bulur and Göksu, 1997a]. Par la suite, des études sur l’OSL provenant du quartz ont été réalisées en utilisant ce procédé de stimulation [Bøtter-Jensen et al., 1999b], [Bulur et al., 2000], [Agersnap Larsen et al., 2000], [Kuhns et al., 2000], [Bulur et al., 2002]. En 2001, Bulur et al. ont étudié d’autres phosphores au moyen de ce type de stimulation présentant un intérêt dosimétrique comme l’oxyde de béryllium ou l’alumine [Bulur et al., 2001a], [Bulur et al., 2001b].

Bien que largement utilisée, cette méthode présente quelques limitations. Avec les matériaux dont les pièges ont des sections efficaces très voisines, le recouvrement des pics OSL rend difficile l'interprétation. De même, les pièges dont la section efficace de photo- ionisation est faible nécessitent un temps d’acquisition plus long. Pour ces raisons, Mishra et al. ont proposé, très récemment, une stimulation par modulation non linéaire (NL-OSL, non- linear light modulation of OSL). Dans cette méthode, l'intensité de stimulation est modulée non linéairement durant le procédé de lecture OSL [Mishra et al., 2008].