Vers la t´ el´ ed´ etection du signal FIBS ` a l’´ echelle kilom´ etrique118

Distance (m) Filaments Laser focalisé (simulation)

Fig. 4.11 – Intensit´e du signal de t´el´ed´etection FIBS en fonction de la distance de l’´echantillon. Le signal FIBS est compar´e au comportement attendu par un signal LIBS r´esultant d’un processus d’ionisation `a trois photons.

Comme nous l’avons d´ej`a montr´e au chapitre 1, les filaments peuvent ˆetre initi´es jusqu’`a une distance d’environ 2 km [30, 40]. La g´en´eration de plasma par les filaments est donc possible sur des cibles situ´ees `a de telles distances. Cependant, avec le syst`eme de d´etection utilis´e dans nos exp´eriences, le rapport signal/bruit tombe `a 1 pour une distance de 150 m. Mais cette valeur ne doit pas ˆetre consid´er´ee comme la limite du R-FIBS puisqu’elle est li´ee avant tout au syst`eme de d´etection. Or, l’efficacit´e du syst`eme de d´etection peut ˆetre facilement augment´ee d’un facteur 100 en r´ealisant un meilleur couplage entre le t´elescope et le spectrom`etre. Nous avons estim´e qu’il serait possible d’analyser des ´echantillons par la technique R-FIBS jusqu’`a des distances de l’ordre du kilom`etre.

4.2.3.5 Vers la t´el´ed´etection du signal FIBS `a l’´echelle kilom´etrique

La pr´esence des filaments ´etant suffisante `a induire une ablation sur l’´echantillon apr`es une distance “arbitraire” (du moins sur des distances kilom´etriques) de propagation, il faut d´evelopper un syst`eme de d´etection sp´ecifique pour profiter pleinement de cet avantage offert par les filaments.

Le syst`eme de d´etection (t´elescope, fibre, spectrom`etre, cam´era CCD intensifi´ee) utilis´e pour nos exp´eriences d´ecrites pr´ec´edemment, offre une bonne r´esolution spectrale (0,34 nm) mais une faible efficacit´e de d´etection (7%). En effet, une fibre collectait les photons dans la tache focale du t´elescope, or le couplage par fibre est d´elicat. Il est consid´er´e qu’un

couplage avec une efficacit´e de 50% est d´ej`a bonne. De plus, la fibre a une transmission d’environ 50 % `a 520 nm (donn´ee du constructeur) et est encore plus faible dans l’ultra-violet o`u sont pr´esentes des raies de nombreux m´etaux, notamment de l’aluminium [127]. De plus, la lumi`ere collect´ee est ensuite r´efl´echie par 5 miroirs en aluminium au niveau du spectrom`etre. `A ce niveau, en prenant en compte les pertes dues au coefficient de reflexion des r´eseaux du spectrom`etre, une estimation de l’efficacit´e de d´etection de 7% est un maximum De plus, en consid´erant les spectres acquis `a 90 m, ainsi que l’efficacit´e spectrale de la photocathode de la cam´era CCD intensifi´ee et de l’amplification due `a la haute tension, on estime `a 19 photons seulement le nombre de photons ´emis par une raie d’emission qui atteignent `a chaque tir la photocathode de la cam´era CCD apr`es avoir travers´e l’ensemble du syst`eme de d´etection (t´elescope, fibre, spectrom`etre) . Pour aller `

a des distances de l’ordre du kilom`etre, il est donc n´ecessaire d’accroˆıtre l’efficacit´e du syst`eme de d´etection.

Télescope

Cassegrain

Spectromètre à

champ plat

Caméra CCD

intensifiée

Fig. 4.12 – Sch´ema de principe de d´etection pour le R-FIBS kilom´etrique. 119

4.2. La m´ethode “R-FIBS”

Pour cela, nous proposons un syst`eme compact compos´e d’un t´elescope Cassegrain, un spectrom`etre `a champ plat et d’une cam´era CCD intensifi´ee (cf. Fig. 4.12). L’avantage du t´elescope Cassegrain par rapport au t´elescope de Newton r´eside dans sa compacit´e et `

a un syst`eme m´ecanique plus facile `a int´egrer pour la d´etection. Le spectrom`etre `a champ plat est compos´e uniquement d’un r´eseau sph´erique, ce qui permet d’´eviter des r´eflections multiples et am´eliore ainsi la collection de signal. De plus un tel syst`eme est aplan´etique et permet que le spectre soit enregistr´e dans un plan par une cam´era CCD intensifi´ee.

En supprimant la fibre pour coupler directement le spectrom`etre au foyer du t´el´escope, et en diminuant le nombre de syst`emes r´eflectifs, c’est `a dire en ayant un chemin le plus direct possible pour la lumi`ere, la sensibilit´e du syst`eme de d´etection est am´elior´ee. Dans ces conditions, une efficacit´e de d´etection de 50% peut ˆetre atteinte, ce qui permettrait d’am´eliorer par un facteur 7 le rapport signal sur bruit. Pour analyser un ´echantillon `a 1 000 m de distance, il est n´ec´essaire de tripler la taille du t´elescope. Notons que la valeur de 7% pour l’efficacit´e de la d´etection utilis´ee est tr`es optimiste, aussi un t´elescope de 40 cm est certainement d´ej`a suffisant pour atteindre une distance de 1 km. Par ailleurs, pour aller encore plus loin, une d´etection de type LIDAR `a lumi`ere blanche avec un monochromateur et un photomultiplicateur augmentera encore l’efficacit´e de la d´etection grˆace `a la tr`es grande sensibilit´e des photomultiplicateurs. La principale limitation viendra alors de la facult´e `a g´en´erer des filaments `a des distances de plusieurs kilom`etres. Cependant, la r´esolution spectrale rendrait difficile l’identification des raies observ´ees. Quoi qu’il en soit nos r´esultats montrent qu’il est tr`es raisonnable d’esp´erer d´evelopper un syst`eme R-FIBS capable de r´ealiser des mesures `a l’´echelle du kilom`etre.

4.2.3.6 Les filaments induisent un signal plasma jusqu’`a au moins 180 m Pour d´emontrer exp´erimentalement que la distance de 90 m pour laquelle les spectres du cuivre et du fer, ne constituaient pas une limite `a la technique, des ´echantillons d’alu-minium ont ´et´e plac´es `a 180 m dans un bˆatiment annexe. Des contraintes d’espace nous ont oblig´e `a utiliser le deuxi`eme syst`eme de d´etection d´ecrit au paragraphe 4.2.3.1.

Comme pr´ec´edemment, la cible ´etait irradi´ee par les filaments et la dur´ee d’impulsion ´

etait optimis´ee de mani`ere `a maximiser l’intensit´e acoustique sur l’´echantillon. Les raies d’´emission de l’aluminium sont enregistr´ees dans la r´egion ultraviolette du spectre o`u sont pr´esentes les raies d’aluminium les plus intenses. Les raies d’´emission situ´ees `a 394,4 nm et 396,1 nm ont ainsi ´et´e mises en ´evidence. Sur la figure 4.13, les signaux enregistr´es correspondant `a deux longueurs d’onde sont repr´esent´es. La ligne “on” correspond `a une raie d’´emission de l’aluminium alors que la ligne “off” caract´erise le continuum de lumi`ere blanche. Cette derni`ere ligne met en ´evidence la lumi`ere blanche r´etrodiffus´ee par diffusion

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