Plus récemment, nous avons identifié un schéma d’excitation pompe-sonde de la fluorescence spécifique qui permet de distinguer la fluorescence d’espèces biologiques fluorescentes au détriment d’hydrocarbures polycycliques. Cette observation est un premier pas vers la discrimination biologique/non biologique tout optique de particules atmosphériques. En partant de ce même schéma d’excitation, nous avons montré qu’il était possible de façonner l’impulsion pompe d’excitation dans une expérience de type contrôle optimal de façon à discriminer deux molécules biologiques (flavine mononucléotide et riboflavine) dont les propriétés linéaires d’absorption et de fluorescence sont indiscernables (Figure A). Ces dernières expériences ont été réalisées en collaboration avec l’équipe de Herschel Rabitz, Professeur à l’Université de Princeton et celle du Prof. Jean-Pierre Wolf, à l’Université de Genève.

Actuellement nous poursuivons nos études dynamiques, dans le cadre d’une ANR (LuminNanoH, 2009-2013) en collaboration avec spectrobio de l’ILM et le groupe de V. Koutecky (Berlin), dont l’objectif est l’étude de l’émissivité de nanohybrides, en particulier résolue en temps, en phase liquide diluée ou gazeuse. Dans ce cadre, nous avons mis au point un dispositif de porte kerr optique de façon à mesurer les déclins de fluorescence d’espèces moléculaires ou de nanohybrides en phase liquide. Une illustration en est donnée avec la comparaison des déclins de fluorescence de la curcumine, une molécule dont les vertus thérapeutique et anti-oxydante en font une espèce très étudiée, comparés dans l’éthanol et l’acétonitrile (Figure B).

Figure A : Contrôle cohérent moléculaire optimal dans les flavines. Partant d’un schéma d’excitation pompe-sonde similaire à celui décrit dans la Figure A, l’impulsion pompe (à 400 nm) d’excitation des flavines (FMN ou RBF) est façonnée de façon à optimiser la dépopulation de fluorescence induite par l’impulsion sonde dans un système moléculaire (exemple FMN) au détriment d’un autre.

Figure B. Comparaison des déclins de fluorescence de la curcumine (autour de 550±20 nm) en solution dans (a) l’éthanol, (b).l’acétonitrile. Les déclins moyens observés sont compatibles avec ceux de la littérature [19].

Un moyen de contourner l’utilisation de chaînes laser amplifiées tout en bénéficiant d’un champ laser intense est par ailleurs d’utiliser le couplage d’un oscillateur femtoseconde avec une cavité passive. Si la cavité est asservie à l’oscillateur femtoseconde, il est en effet possible d’atteindre au waist de la cavité des champs ultra-intenses. Notre objectif est alors d’utiliser ce champ intracavité intense pour générer des effets non linéaires au cœur de microgouttes à un taux de répétition très élevé (typiquement 100 MHz). Cette approche devrait permettre y compris de réaliser des expériences de dynamique pompe-sonde ou de contrôle cohérent moléculaire. La thématique bénéficie de l’expertise apportée dans l’équipe par l’intégration de Jérôme Morville, spécialiste des cavités optiques passives, depuis début 2009. La thèse de Lucile Ruthovsky a débuté sur ce thème dès septembre 2011.

Une des étapes clés est de réaliser un asservissement de la longueur de la cavité passive sur les fluctuations existant entre l’oscillateur laser femtoseconde et la cavité optique. Le couplage entre le laser et la cavité optique se réalise en accordant parfaitement les deux peignes de fréquences. Cela implique l’égalité des intervalles spectraux libres et également des fréquences d’offset. Dans le montage, un asservissement de type Hänsch-Couillaud est utilisé. La Figure C  reprend le dispositif expérimental. La cavité optique est de type onde progressive composée de cinq miroirs dont deux sont montés sur un actuateur piezoélectrique qui va permettre leur déplacement fin (M3 et M5). Cette géométrie a été choisie dans le contexte du projet car elle permet l’illumination et donc l’excitation de microgouttes par une onde progressive. Les impulsions ne faisant pas d’aller-retour sur elles-mêmes, cela permet également d’accéder plus facilement à un signal de réponse de la cavité qui construira le signal d’erreur de l’asservissement.

Figure C. (a) dispositif expérimental : cavité en anneau à 5 miroirs (onde progressive). Les miroirs M3 et M5 sont montés sur un actuateur piezoélectrique qui permet un réglage fin de la longueur de la cavité. Le signal recueilli derrière M1 va servir à l’établissement du signal d’erreur pour l’asservissement. (b) Signal d’erreur typique Hänsch-Couillaud à la base de l’asservissement (c) Intensité transmise en cours d’asservissement par  la cavité à résonance.

Plasma induit par laser et applications aux sciences analytiques

ACTIVITE

Nous organisons nos projets de recherche dans cette opération en deux aspects complémentaires afin d’avancer efficacement vers notre objectif qui est le développement de la technique LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) et ses applications. D’une part, nous étudions les processus physiques impliqués dans la génération et l’expansion du plasma induit par laser ; d’autre part, nous mettons au point des méthodes et des prototypes d’instrument en prenant en compte de nos connaissances acquises avec les études fondamentales. Nos collaborations sont nombreuses, une organisation de travail qui a été nécessitée par le caractère pluridisciplinaire de notre activité de recherche. Nos collaborations sont orientées selon trois axes : interdisciplinaire Physique-Chimie,  académique-industriel, et international. Notre stratégie est de travailler en réseaux en réunissant toutes les compétences nécessaires pour accélérer la maturation de la technique LIBS et de ces applications dans tous les secteurs socio-économiques où la technique apporte une contribution décisive et irremplaçable.

Plasma induit par laser et son expansion dans le gaz ambiant

Nos projets de recherche fondamentale visent à comprendre les processus physico-chimiques impliqués dans la génération, l’expansion et la transformation du plasma induit par laser. Une étude systématique est engagée avec des observations expérimentales résolues en temps, en espace et en spectre, ce qui correspond aux moyens de diagnostic du plasma par imagerie spectrale rapide et par spectroscopie d’émission avec les résolutions spatiale et temporelle. Plusieurs thèses se sont engagées dans ce but. Nos récents résultats montrent la structure et la dynamique du plasma induit par laser et les influences des paramètres laser (longueur d’onde, fluence et durée d’impulsion) sur l’évolution du plasma. Le rôle du gaz ambiant est aussi étudié en fonction de la nature du gaz, qu’il soit mono atomique ou moléculaire comme l’air ambiant. Nos études systématiques et approfondies permettent une meilleure compréhension du plasma induit par laser et donnent de précieuses indications pour l’amélioration de l’instrumentation LIBS.

Développement de la méthodologie et de l’instrumentation LIBS

LIBS est une technique analytique utilisant le plasma induit par laser comme source d’émission spectroscopique. Elle représente un certain nombre d’avantages intrinsèques par rapport à d’autres techniques analytiques élémentaires. Mais sa maturation n’est pas encore acquise aujourd’hui dû au fait de la complexité des processus impliqués dans la génération et l’expansion du plasma. Dans notre équipe, nous développons et optimisons la méthodologie et l’instrumentation LIBS pour des applications ciblées en collaboration avec des industriels ou des laboratoires utilisateurs de la technique. Les projets en cours peuvent être résumés ci-dessous.

-          Cartographie élémentaires de tissus biologiques et de matériaux géologiques ;

-          Analyse sur des sites de patrimoine culturel ;

-          Tri automatique de déchets plastiques ;

-          Analyse d’éléments de trace métalliques et non-métalliques dans liquides et huiles.

Ces projets applicatifs se débouchent souvent sur soit le dépôt d’un brevet, soit sur un contrat industriel.

Collaborations

Collaborations académiques :

Institut des Sciences Analytiques, Université Lyon 1, Lyon

Laboratoire de Recherche des Monuments Historiques (LRMH), Paris.

Institut national de police scientifique (INPS), Écully, Lyon

East China Normal University, Shanghai, Chine

Ocean University of China, Qingdao, Chine

Hong Kong Baptiste University, Hong Kong, Chine

Collaborations industrielles

CRITT Matériaux Alsace (http://www.critt.fr/) : tri de déchets plastiques

CILAS (http://www.cilas.com/) : laser pour LIBS

Epitopose (http://www.epitopos.fr/) : application de LIBS en restauration de patrimoines

Alumni

Matthieu Baudelet (baudelet@creol.ucf.edu), Research Assistant Professor of Optics, CREOL, The College of Optics & Photonics, University of Central Florida, USA

Myriam Boueri (myboueri@gmail.com), Ingénieur, RHODIA (Solvay), France

Wenqi Lei (wenqi1983_0410@163.com), Ingénieur, IVEA-Solution, France

Qianli Ma (Qianli.Ma@univ-lyon1.fr), Post-Doc, Equipe ONLI, Institut Lumière Matière, Université Lyon 1, France

Liste de publications des 5 dernières années

2009

1. Myriam Boueri,Matthieu Baudelet, Jin Yu, Xianglei Mao,Samuel S. Mao,and Richard Russo, Early stage expansion and time-resolved spectral emission of laser-induced plasma from polymer, Appl. Surf. Sci. 255, 9566-9571 (2009).
2. Matthieu Baudelet, Myriam Boueri,Jin Yu, Xianglei Mao,Samuel S. Mao,and Richard Russo, Laser ablation of organic materials for discrimination of bacteria in an inorganic background, SPIE 7214(2009). 72140J-1-72140-10.
3. Wenqi Lei, Vincent Motto-Ros, Myriam Boueri, Qianli Ma, Dacheng Zhang, Lijuan Zheng, Heping Zeng, and Jin Yu, Time-resolved characterization of laser-induced plasma from fresh vegetables, Spectrochim. Acta Part B 64, 891-898 (2009).

2010

1. Q. L. Ma, V. Motto-Ros, W. Q. Lei, M. Boueri, L. J. Zheng, H. P. Zeng, M. Bar-Matthews, A. Ayalon, G. Panczer, and J. Yu, Multi-elemental mapping of a speleothem using laser-induced breakdown spectroscopy, Spectrochim. Acta Part B 65, 707-714 (2010).
2. Q. L. Ma, V. Motto-Ros, W. Q. Lei, M. Boueri, X. S. Bai, L. J. Zheng, H. P. Zeng, and J. Yu, Temporal and spatial dynamics of laser-induced aluminum plasma in argon background at atmospheric pressure: interplay with the ambient gas, Spectrochim. Acta Part B 65, 896-907 (2010).

2011

1. M. Boueri, V. Motto-Ros, W. Q. Lei, Q. L. Ma, L. J. Zheng, H. P. Zeng and J. Yu, Identification of polymer materials using laser-induced breakdown spectroscopy combined with artificial neuronal networks, Applied Spectroscopy, 65, 307-314 (2011).
2. W. Q. Lei, J. El Haddad, V. Motto-Ros, N. Gilon-Delepine, A. Stankova,   Q. L. Ma, X. S. Bai, L. J. Zheng, H. P. Zeng, and J. Yu, Comparative measurements of mineral elements in milk powders with ICP and LIBS: assessment and validation of the CF-LIBS procedure, Anal. Bioanal. Chem., 400, 3303-3313 (2011).
3. N. Gilon, J. El-Haddad, A. Stankova, W. Lei and Q. Ma, V. Motto-Ros and J. Yu. A matrix effect and accuracy evaluation for the determination of elements in milk powder LIBS and laser ablation/ICP-OES spectrometry, Anal. Bioanal. Chem., 401, 2681-2689 (2011).

2012

1. Q.L. Ma, V. Motto-Ros, W.Q. Lei, X.C. Wang, M. Boueri, F. Laye, C.Q. Zeng, M. Sausy, A. Wartelle, X.S. Bai, L.J. Zheng, H.P. Zeng, M. Baudelet, and J. Yu, Characteristics of Laser-Induced Plasma as a Spectroscopic Light Emission Source, AIP Conf. Proc. 1438, 243-248 (2012).
2. Qianli Ma, Vincent Motto-Ros, Fabrice Laye and Jin Yu, Wenqi Lei, Xueshi Bai, Lijuan Zheng and Heping Zeng, Ultraviolet versus infrared: effects of ablation laser wavelength on the expansion of laser-induced plasma into one-atmosphere argon gas, J. Appl. Phys., 111, 053301 (2012).
3. W. Q. Lei, Q. L. Ma, V. Motto-Ros, X. S. Bai, L. J. Zheng, H. P. Zeng and J. Yu, Effect of ablation photon energy on the distribution of molecular species in laser-induced plasma from polymer in air, , Spectrochim. Acta Part B, 73, 2-12 (2012).
4. V. Motto-Ros, Q.L. Ma, S. Grégoire, W.Q. Lei, X.C. Wang, F. Pelascini, F. Surma, V. Detalle, and J. Yu, Dual-wavelength differential spectroscopic imaging for diagnostics of laser-induced plasma, Spectrochim. Acta Part B, 74-75, 11-17 (2012).
5. S. Grégoire, V. Motto-Ros, Q.L. Ma, W.Q. Lei, X.C. Wang, F. Pelascini, F. Surma, V. Detalle, and J. Yu, Correlation between native bonds in a polymeric material and molecular emissions from the laser-induced plasma observed with time- and space-resolutions, Spectrochim. Acta Part B, 74-75, 31-37 (2012).
6. V. Motto-Ros, L. Sancey, Q. L. Ma, F. Lux, X. S. Bai, X. C. Wang, Jin Yu, G. Panczer and O. Tillement, Mapping of native inorganic elements and injected nanoparticles in a biological organ with laser-induced plasma, Appl. Phys. Lett., 101, 223702 (2012).
7. Jin Yu, Qianli Ma, Vincent Motto-Ros, Wenqi Lei, Xiaochun Wang, Xueshi Bai, Generation and expansion of laser-induced plasma as a spectroscopic emission source, Front. Phy., 7, 649-669 (2012).
8. Jin Yu and Ronger Zheng, Laser-induced plasma and laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) in China: The challenge and the opportunity, Front. Phys., 7, 647-648 (2012).

2013

1. Xueshi Bai, Qianli Ma, Vincent Motto-Ros and Jin Yu, David Sabourdy, Luc Nguyen, and Alain Jalocha, Convoluted effect of laser fluence and pulse duration on the property of a nanosecond laser-induced plasma into an argon ambient gas at the atmospheric pressure, J. Appl. Phys., 113, 013304  (2013).
2. Jin Yu et Vincent Motto-Ros, Spectroscopie du plasma induit par laser pour l’analyse de matière organique, Photoniques, Février 2013.
3. Xueshi Bai, Qianli Ma, Vincent Motto-Ros and Jin Yu, David Sabourdy, Luc Nguyen, and Alain Jalocha, Experimental study of laser-induced plasma: influence of laser fluence and pulse duration, in press Spectrochim. Acta B, DOI: 10.1016/j.sab.2013.05.019 (2013).
4. V. Motto-Ros, L. Sancey, X. C. Wang, Q. L. Ma, F. Lux, X. S. Bai, G. Panczer, O. Tillement and J. Yu, Mapping nanoparticles injected into a biological tissue using laser-induced breakdown spectroscopy,in press Spectrochim. Acta B, DOI: 10.1016/j.sab.2013.05.020 (2013).
5. Xiaochun Wang, Vincent Motto-Ros, Gérard Panczer, Dominique De Ligny, Jin Yu, Jean-Michel Benoit, Jean-Luc Dussossoy, Sylvain Peuget, Mapping of rare earth elements in nuclear waste glass-ceramic using micro-laser inducedbreakdown spectroscopy (LIBS), in press Spectrochim. Acta B, DOI: 10.1016/j.sab.2013.05.022 (2013).
6. Junshan Xiu, Xueshi Bai, Erwan Negre, Vincent Motto-Ros, and Jin Yu, Indirect laser-induced breakdown of transparent thin gel layer for sensitive trace element detection, Appl. Phys. Lett. 102, 244101 (2013).

Doctorant(e)s et Post-doctorants

Anciens membres de l'équipe