Systèmes lasers

Fig 2.5 – Schéma du dispositif expérimental. Lors des expériences d’IR2P-2C les lasers 5 et 6 sont

Outre le laser servant à la désorption des peptides, le dispositif expérimental est constitué de plusieurs chaînes lasers UV et IR dédiées aux études spectroscopiques de ces molécules (Figure 2.5). Les mesures de spectres électroniques, de spectres vibrationnels dans la région des modes amides A (3200-3600 cm-1) et les expériences d’IR2P-2C en régime nanoseconde ont été menées au sein du Laboratoire Francis Perrin (LFP) du CEA de Saclay. Les dynamiques de relaxation électronique rapides ont été étudiées au moyen des lasers picoseconde du Centre Laser de l’Université Paris-Sud (CLUPS) à Orsay. La spectroscopie IR dans le domaine des modes de déformation hors plan des liaisons N-H (400-700 cm-1) a été réalisée avec le laser à électrons libres FELIX du FOM à Rijnhuizen (Pays-Bas).

2.2.2.a Lasers UV

Les chaînes lasers UV nanosecondes utilisées au LFP et au FOM sont composées de lasers à colorant (Lambda Physik LPD3000 et Radiant Dyes Narrow Scan) pompés par un laser à exciplexe XeCl (Lambda Physik EMG 102 MSC) ou un laser Nd:YAG (Continuum Precision II).

Le principe du laser à exciplexe repose sur l’excitation d’un mélange de gaz, ici un mélange de xénon, de chlorure d’hydrogène et d’un gaz tampon constitué d’hélium et de néon, par une décharge électrique. A l’état excité se forme un complexe stable XeCl* qui, lors de sa relaxation vers son état fondamental, se dissocie en émettant un photon de longueur d’onde fixe (308 nm pour XeCl*). Les impulsions produites par ce laser ont une largeur temporelle de 15 ns et une énergie de l’ordre de 150 mJ.

Le milieu amplificateur d’un laser Nd:YAG est un cristal, un grenat d’yttrium et d’aluminium (Y33+Al53+O122-) dans lequel une partie des ions Y3+ ont été substitués par des ions néodyme Nd3+. Un pompage optique à l’aide de lampes flash permet de réaliser une inversion de population des ions Nd3+ qui résultera en un rayonnement laser à 1064 nm. La troisième harmonique de ce rayonnement, d’une longueur d’onde de 355 nm, est utilisée pour pomper les lasers à colorants.

Le laser à exciplexe et le laser Nd:YAG émettent des impulsions lasers intenses, mais de longueur d’onde fixe. Un laser à colorant est donc placé en sortie de ceux-ci afin d’obtenir une accordabilité en longueur d’onde du faisceau UV, nécessaire à nos études spectroscopiques. Ainsi, pour accéder à la bande d’absorption du phényle dans le proche UV (~266 nm), le rayonnement doublé en fréquence de la coumarine 540A, un colorant dont le maximum d’émission se situe à 537 nm en solution dans l’éthanol, a été utilisé. Ce colorant est efficace pour

un domaine s’étendant de 512 à 588 nm. Le doublage en fréquence est réalisé par un cristal non linéaire de BBO (Figure 2.6). On obtient finalement un faisceau UV caractérisé par des durées d’impulsion de l’ordre d’une dizaine de nanosecondes, une largeur spectrale de 0.2 cm-1 et des énergies de l’ordre de 500 µJ par impulsion dans le domaine d’absorption de la phénylalanine.

Fig 2.6 – Schéma de principe d’un laser à colorant.

Pour les expériences dans le domaine picoseconde réalisées au CLUPS à Orsay, la troisième harmonique à 355 nm du rayonnement issu d’un laser picoseconde Nd:YAG à verrouillage de modes (EKSPLA-SL300) est séparée en deux faisceaux permettant de pomper chacun un amplificateur paramétrique optique, à l’origine de l’accordabilité en longueur d’onde de cette chaîne laser, couplé à un système de générations de seconde harmonique (EKSPLA- PG411). Cette chaîne laser produit des impulsions d’une largeur temporelle de 10 ps avec une largeur spectrale de 5 cm-1 et des énergies par impulsion de l’ordre de 120 µJ [10].

2.2.2.b Lasers IR

La chaîne laser IR utilisée pour étudier les modes amides A (3200-3600 cm-1) se divise elle aussi en deux parties : un laser Nd:YAG émettant à une longueur d’onde fixe de 1064 nm est chargé de pomper un oscillateur paramétrique optique (OPO) assurant l’accordabilité en longueur d’onde du faisceau IR. Un oscillateur paramétrique optique est constitué d’une cavité optique contenant un cristal non linéaire, ici du niobate de lithium (LiNbO3) ou du phosphate de potassium titanyl (KTP). Ils permettent de couvrir une région allant de 3000 à 3800 cm-1. Le cristal de LiNbO3 présente néanmoins une forte bande d’absorption entre 3465 et 3500 cm-1 qui résulte en un effondrement du gain du milieu amplificateur. L’absence de photons dans cette région empêche la détection avec ce cristal des bandes d’absorption correspondant aux modes de

vibrations d’élongation des groupements NH libres, c’est-à-dire n’étant engagés dans aucune interaction intra- ou intermoléculaire. Cependant, les structures secondaires de peptides sont déterminées par leur réseau de liaisons hydrogène, elles peuvent donc être identifiées même sans avoir caractérisé le domaine spectral des vibrations des groupements NH libres. Les impulsions produites par cette chaîne laser ont une largeur spectrale de 1 cm-1 et une énergie de l’ordre de 1 mJ.

Pour accéder au domaine des modes de déformation hors plan des liaisons N-H dans le lointain infrarouge (400-700 cm-1) une autre source de lumière a été utilisée, le laser à électrons libres FELIX (Free Electron Laser for Infrared eXperiments). Le principe de ce laser repose sur le rayonnement synchrotron, le rayonnement produit par des particules chargées en mouvement non rectiligne uniforme. Les particules chargées, ici des électrons, sont accélérées jusqu’à des vitesses relativistes avant de passer au travers d’un onduleur, une série d’aimants permanents qui crée un champ magnétique périodique perpendiculaire à la direction des électrons (Figure 2.7). L’onduleur force les électrons à adopter une trajectoire sinusoïdale et à émettre des photons par rayonnement synchrotron. La longueur d’onde du rayonnement émis par ce laser peut être ajustée en modifiant la vitesse du paquet d’électrons ou la distance entre les aimants dans l’onduleur. La largeur spectrale de FELIX dans le domaine étudié est de l’ordre de 1%, soit environ 5 cm-1 dans le domaine étudié.

2.2.3 Détecteurs