¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las...
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IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la Materia
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¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas?
José Luis DoménechGrupo de Espectroscopía Láser
Instituto de Estructura de la Materia
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Radiación electromagnética y detección remota. • Atmósferas: terrestre,
planetarias, estelares, medio interestelar...
• La radiación electromagnética transporta información física y química sobre la fuente que la emite, la materia que atraviesa o el material desde el que se refleja.
• Espectroscopía: análisis (I vs λ) de la luz absorbida, emitida, o dispersada por las moléculas constituyentes de la(s) atmósfera(s).
• Espectrómetros en superficie (telescopios, radiotelescopios), globos, aviones, satélites, sondas espaciales.
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Espectro infrarrojo de la atmósfera de Titán tomado por el Voyager I
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Espectro infrarrojo de la estatosfera terrestre registrados por el ATMOS
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MIPAS (Envisat): algunos ejemplos.
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• Medidas “de campo”: Largos caminos ópticos, con gradientes muy grandes de presión, temperatura, y distribuciones muy variables de especies atómicas y moleculares.
• Recuperar perfiles de P, T, n, a lo largo del camino óptico de la observación a partir de datos espectroscópicos, requiere espectros de de laboratorio muy precisos (en I y en λ) en condiciones de P, T, y n “perfectamente” controladas.
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• Información que debe proporcionar la espectroscopía de laboratorio: – Posición de las líneas: composición y entorno físico– Intensidad: concentración y temperatura– Forma: presión
• Bancos de datos (HITRAN, GEISA, ATMOS) a disposición de los fisicoquímicos atmosféricos o astrofísicos para interpretar las medidas de campo: se obtienen a partir de medidas espectroscópicas de alta resolución en el laboratorio.
• Validación de modelos teóricos y métodos de cálculo de colisiones y potenciales intermoleculares
Espectroscopía de laboratorio
61 3095.360722 2.407E-24 2.056E+00.0390.0626 1919.75590.75-.006191 0 1 1 0 1F1 0 1 0 0 1 E 9F1116 8F2 10 332333332329 1 1 1 57.0 51.061 3095.365000 3.019E-23 9.116E-02.0510.0730 814.88450.65-.006000 0 2 0 0 1 E 0 0 0 0 1A1 12F2 57 12F1 2 352333312119 1 1 1 75.0 75.061 3095.371078 7.924E-20 2.786E+01.0580.0770 293.12300.72-.006000 0 0 1 0 1F2 0 0 0 0 1A1 8F2 30 7F1 1 552333312119 1 1 1 51.0 45.061 3095.379859 3.076E-25 4.371E-02.0290.0488 1593.04500.63-.006191 0 2 0 0 1 E 0 0 0 0 1A1 17E 49 17E 1 222333312129 1 1 1 70.0 70.061 3095.410282 4.982E-27 1.103E-03.0550.0883 1779.02480.63-.006191 0 2 0 0 1 E 0 0 0 0 1A1 18F1 75 18F2 2 222333312129 1 1 1 111.0 111.061 3095.418076 1.153E-25 1.089E-02.0470.0724 1592.35970.63-.006191 0 2 0 0 1 E 0 0 0 0 1A1 17F1 75 17F2 1 222333312129 1 1 1 105.0 105.061 3095.451847 4.247E-25 1.818E-02.0470.0714 1417.51980.63-.006191 0 2 0 0 1 E 0 0 0 0 1A1 16F1 70 16F2 2 222333312129 1 1 1 99.0 99.061 3095.458483 5.777E-26 2.327E-03.0470.0714 1417.12940.63-.006191 1 0 0 0 1A1 0 0 0 0 1A1 17F2 51 16F1 2 222333312129 1 1 1 105.0 99.061 3095.458959 1.813E-24 4.658E-02.0440.0831 1417.57930.63-.006191 0 2 0 0 1 E 0 0 0 0 1A1 16A1 25 16A2 1 332333312129 1 1 1 165.0 165.0
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Espectroscopía de alta resolución
• Resolución: muchos criterios y definiciones. Uno: “anchura a media altura observada de una línea aislada”.
• Contribuciones a la anchura intrínseca: ensanchamiento natural (~10-7 cm-1), ensanchamiento Doppler (~10-2cm-1), ensanchamiento por presión(~10-2 cm-1/atm).
• Achura observada: contribución de la anchura intrínseca de la línea y de la “función de aparato”.
• Alta resolución: anchura de la función de aparato mucho menor que la del espectro
( )0
PlI I e α ν−=
3095,0 3095,1 3095,2 3095,3 3095,4
0,0
0,3
0,6
Abso
rban
cia α(ν)P
l
número de ondas / cm-1
FWHM=0,0096 cm-1
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Alta resolución instrumental
3095,0 3095,1 3095,2 3095,3 3095,4
0,4
0,6
0,8
1,0
trans
mita
ncia
número de ondas / cm-1
límite Doppler
0.005 cm-1
0.010 cm-1
0.015 cm-1
0.020 cm-1
0.025 cm-1
CH4 ,1 torr, 300 K
γD(FWHM)=0.0096 cm-1
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Ensanchamiento por presión
1131,96 1131,98 1132,00 1132,02 1132,04 1132,06 1132,08
0,00
0,03
0,06ab
sorb
anci
a
número de ondas / cm-1
Gaussiana
Lorentziana
Perfil de Voigt
γL(P) = γ0P
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LINEAS DE INVESTIGACIÓN del GRUPO DE ESPECTROSCOPÍA LÁSER
Problemas:
Caracterización de estados ro-vibracionales
Estudio del perfil de las líneas del espectro vibro-rotacional e influencia de los procesos colisionales:
• Obtención de coeficientes de ensanchamiento y desplazamiento por presión y su dependencia con la Temperatura (γ 0, δ0(T) ) y el perturbador.
• “Line mixing”
• Validación de modelos
Moléculas de interés atmosférico
Técnicas:
ALTA RESOLUCIÓN: (anchura instrumental ‘menor’que la anchura Doppler)
Absorción de infrarrojogenerado por mezcla de frecuencias (differencefrequency mixing)
Espectroscopía Raman estimulada (aka SRS) en su versión Espectroscopía de pérdida Raman (aka Raman Inverso)
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(1) (2) (3)0( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ...P r t E r t E r t E r t E r t E r t E r tε χ χ χ⎡ ⎤= + + +⎣ ⎦
r r r r r r rr r r r r r r% % %
GENERACIÓN DE IR POR MEZCLA DE FRECUENCIAS
LiNbO3
3 3 1 1 2 2( )o e on n T nω ω ω= −
ω1
ω2ω3
( ) ( ) ( ) ( )(2) 3 1 2 0 3 1 2 1 2 i ijk j kjk
P g d E Eω ω ω ε ω ω ω ω ω= ± = = ± ±∑
3 1 2ω ω ω= − 3 1 2k k k= −r r r
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ModuladorElectroóptico
Rama #3
InSb
InSb
InSb
ω3
Monitor potencia IR
ω2
ω1
Horno
GENERACIÓN DE IR POR MEZCLA DE FRECUENCIAS
ω1,ω2
Rama #2
Rama #1
Célula de muestra
Célula de referencia
Filtro Ge
Resolución instrumental: 0.00005 cm-1
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ESPECTROSCOPÍA “RAMAN-INVERSA” O “DE PÉRDIDA RAMAN”
Caso particular de la espectroscopía Raman coherente:
Acoplamiento de cuatro campos electromagnéticos a través de χ(3), que se hace resonante cada vez que la diferencia de frecuencia entre dos de ellos coincide con una transición del medio activa en Raman.
ω1 ω2 ω3 ω4
ωR ωR
ω1 ω2
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19RAMAN INVERSO
preamp
Ar+
Láser de coloranteamplificado
boxcar
PCRed dedifracción
12 ns
100 μs
Chopper
Prisma (2)
Resolución instrumental: 0.0025 cm-1
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Ar+
OSC
PID HVA1 HVA2 LOCK-IN
FPI
Nd:YAGSeeder
SHG
AOMPol
Pol
λ/4
EOM
Ir cell
Raman cellPrism
Diffractiongrating
Chopper
Preamplifier
PC
Dye Stabstation.
Wave-meter
I2 cellFPI
Dye Amplifier
Ring Dye Laser
BOXCAR
ADC
InSb
InSb
I2 or Te2
LiNbO3
LOCK-IN
LOCK-IN
Ar+
opticalisolator
λ/2
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Hot bands34SF6 ν2 190K
Wavenumber (cm-1)
Simulation
SF6
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Doble resonancia Raman-Raman con resolución temporal
Groundstate
J
J
J
594 nm
591 nm529 nm
3210
3210
3210
Bombeo Espectroscopía
V=2
V=1
532 nm
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El trabajo en el grupo de espectroscopía láser
• Técnicas desarrolladas “en casa”.• Fundamentalmente trabajo experimental.• Formación:
– Quimica-Física y Espectroscopía.– Láseres y óptica lineal y no lineal.– Instrumentación, adquisición y tratamiento de
datos.– Métodos numéricos.– Fontanería, mecánica, electricidad y bricolage en
general.
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CNRS / LISA (Orsay / Créteil): J-M. Hartmann, J-P. Bouanich, C. Boulet
Université de Rennes: F. Thibault
Université de Franche Comté: J. Bonamy, P. Joubert
Université de Bourgogne: V. Boudon
Università di Bologna: G. Di Lonardo, L. Fusina, E. Canè
Instituto de Estructura de la Materia / CSIC: Dionisio Bermejo, José Luis Doménech,Angel Ramos, Raúl Martínez, Laura Gómez
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