{"id":3326,"date":"2025-09-21T19:48:36","date_gmt":"2025-09-21T17:48:36","guid":{"rendered":"https:\/\/www.swissrocketman.fr\/Wordpress\/?p=3326"},"modified":"2025-12-21T15:56:53","modified_gmt":"2025-12-21T14:56:53","slug":"photoionisation-par-laser-tea-n2-dans-un-gaz-par-absorption-a-2-photons","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.swissrocketman.fr\/Wordpress\/?p=3326","title":{"rendered":"Photo-ionisation multiphotonique \u00e0 2 photons"},"content":{"rendered":"

Photo-ionisation multiphotonique \u00e0 deux photons<\/strong><\/span><\/h2>\n<\/div><\/section><\/div>\n
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Dans la photo-ionisation \u00e0 deux photons<\/strong>, l\u2019atome absorbe deux photons en m\u00eame temps<\/strong> (ou dans un d\u00e9lai extr\u00eamement court, de l\u2019ordre de la femtoseconde).<\/h3>\n

L\u2019\u00e9nergie totale absorb\u00e9e est :<\/p>\n

Etotal=E\u03b31+E\u03b32E_{\\text{total}} = E_{\\gamma1} + E_{\\gamma2}\u00a0 <\/span>E<\/span>total<\/span><\/span><\/span><\/span>\u200b<\/span><\/span><\/span><\/span><\/span>=<\/span><\/span>E<\/span>\u03b3<\/span>1<\/span><\/span><\/span>\u200b<\/span><\/span><\/span><\/span><\/span>+<\/span><\/span>E<\/span>\u03b3<\/span>2<\/span><\/span><\/span>\u200b<\/span><\/span><\/span><\/span><\/span><\/span><\/span><\/span><\/span><\/p>\n

et si Etotal\u2265EionisationE_{\\text{total}} \\geq E_{\\text{ionisation}}<\/span>E<\/span>total<\/span><\/span><\/span><\/span>\u200b<\/span><\/span><\/span><\/span><\/span>\u2265<\/span><\/span>E<\/span>ionisation<\/span><\/span><\/span><\/span>\u200b<\/span><\/span><\/span><\/span><\/span><\/span><\/span><\/span>, un \u00e9lectron est arrach\u00e9.<\/p>\n

Non-lin\u00e9aire<\/strong> : la probabilit\u00e9 d\u2019ionisation d\u00e9pend de l\u2019intensit\u00e9 lumineuse au carr\u00e9<\/strong> (car deux photons sont n\u00e9cessaires).<\/p>\n

Besoin de lasers puissants<\/strong> : ce ph\u00e9nom\u00e8ne est surtout observ\u00e9 avec des lasers puls\u00e9s ultrarapides (femtosecondes ou picosecondes), car les densit\u00e9s de photons doivent \u00eatre \u00e9normes pour que deux soient absorb\u00e9s \u00ab\u00a0simultan\u00e9ment\u00a0\u00bb.<\/p>\n

La ligne bleu dans le tube de verre rempli de gaz avec le TDAE n’est pas une fluorescence mais une ionisation par les \u00e9lectrons de celui-ci.<\/strong><\/span><\/p>\n<\/div><\/section><\/div>\n

L’exp\u00e9rience consiste \u00e0 cr\u00e9e un faisceau d’\u00e9lectrons libres dans un gaz dop\u00e9 avec une mol\u00e9cule organique ayant le plus faible potentiel d’ionisation ceci un laser \u00e0 azote \u00e9mettant \u00e0 337nm. Cette mol\u00e9cule en pression partiel \u00e0 25 degr\u00e9s celsius est laT\u00e9trakis(dim\u00e9thylamino)\u00e9thyl\u00e8ne (TDAE) est une mol\u00e9cule organique de formule approximative C\u2082N\u2084(CH\u2083)\u2081\u2082.
\n\u2022Elle est extr\u00eamement riche en \u00e9lectrons, car les groupements dim\u00e9thylamino sont de tr\u00e8s bons donneurs \u00e9lectroniques.
\n\u2022Elle est connue comme l\u2019une des mol\u00e9cules neutres avec un potentiel d\u2019ionisation particuli\u00e8rement bas (~5,4 eV, donc plus bas que beaucoup d\u2019aromatiques comme le naphtal\u00e8ne ou l\u2019anthrac\u00e8ne).
\n\u2022Cela la rend facilement photo-ionisable par une source UV.
\nJ’utilise un laser \u00e0 azote puls\u00e9 (N\u2082-laser) type MOPALITE 600S<\/strong><\/span>
\n\u2022Longueur d\u2019onde : 337 nm (dans l\u2019UV proche) limite de diffraction TEM00
\n\u2022\u00c9nergie photonique : E=hc\u03bb\u22483,68 eV
\n\u2022Puissance de cr\u00eate : 600 kW sur une dur\u00e9e de 500 ps \u2192 \u00e9nergie par impulsion de l\u2019ordre de 0,3 mJ.
\nl\u2019\u00e9nergie d\u2019ionisation du TDAE est d\u2019environ 5,4 eV :
\n\u2022Un seul photon UV \u00e0 337 nm (3,68 eV) n\u2019est pas suffisant pour arracher directement un \u00e9lectron.
\n\u2022Mais deux photons donnent 2\u00d73,68=7,36 eV ce qui est bien sup\u00e9rieur au seuil.
\nOn est donc dans un processus de photo-ionisation multiphotonique \u00e0 deux photons<\/strong><\/span>, favoris\u00e9 par la forte densit\u00e9 de photons dans une impulsion laser br\u00e8ve et intense.<\/h4>\n<\/div><\/section><\/div>\n
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\u2022On produit des \u00e9lectrons libres (souvent observables par spectroscopie photo\u00e9lectronique multiphotonique).
\n\u2022Le cation TDAE\u207a est instable et se fragmente rapidement.
\n\u2022Ce type d\u2019exp\u00e9rience est utilis\u00e9 comme source d\u2019\u00e9lectrons libres (par exemple en physique des particules \u00e0 haute \u00e9nergie pour la calibration des chambres \u00e0 d\u00e9rives)<\/h3>\n

Le TDAE soumis \u00e0 un laser N\u2082 (337 nm, 600 kW, 500 ps) ne peut pas \u00eatre ionis\u00e9 par un seul photon, mais il l\u2019est tr\u00e8s efficacement par absorption \u00e0 deux photons, produisant des \u00e9lectrons libres et des fragments cationiques. C\u2019est un cas typique de photo-ionisation multiphotonique<\/strong><\/span> dans le domaine UV.<\/h3>\n

Valeurs cl\u00e9s pour un diam\u00e8tre de faisceau de 0,3 mm
\n\u2022Aire du spot : 7.07\u00d710\u207b\u2074 cm\u00b2 (\u2248 7.07\u00b710\u207b\u2078 m\u00b2).
\n\u2022Intensit\u00e9 de cr\u00eate (300 kW \/ spot) : 8.48\u00d710\u2078 W\u00b7cm\u207b\u00b2.
\n\u2022Fluence par impulsion (0,3 mJ sur le spot) : 4.24\u00d710\u207b\u00b9 J\u00b7cm\u207b\u00b2.
\n\u2022Photons par impulsion : 5.09\u00d710\u00b9\u2074.
\n\u2022Photons \/ cm\u00b2 \/ impulsion : 7.20\u00d710\u00b9\u2077.
\n\u2022Flux de photons pendant l\u2019impulsion : 14.4\u00d710exp26 photons\u00b7cm\u207b\u00b2\u00b7s\u207b\u00b9.
\nAvec \u03c3\u2082 = 1.10\u00d710\u207b\u2074\u2078 cm\u2074\u00b7s (valeur que tu proposes)
\n\u2022Taux \u00e0 deux photons calcul\u00e9 R\u22485.70\u00d7105 s\u22121R \\approx 5.70\\times10^{5}\\ \\text{s}^{-1}R\u22485.70\u00d7105 s\u22121.
\n\u2022Probabilit\u00e9 par mol\u00e9cule pendant l\u2019impulsion (500 ps) \u2248 5.6\u00d710\u207b\u2074 (\u2248 0,056 %).
\nDonc en passant de 1 mm\u00b2 (zone pr\u00e9c\u00e9dente) \u00e0 un diam\u00e8tre effectif de 0,3 mm la probabilit\u00e9 par mol\u00e9cule augmente d\u2019environ 200\u2013300\u00d7 et devient non n\u00e9gligeable (quelques 5.10\u207b\u2074 par impulsion).
\nEstimation du nombre d’ions produits par impulsion (exemples de pressions partielles)
\nJ\u2019ai calcul\u00e9 le nombre d’ions attendus par impulsion dans un volume irradi\u00e9 = spot_area \u00d7 1 cm de longueur, pour diff\u00e9rentes pressions partielles de TDAE (\u00e0 20 \u00b0C) :
\n\u2022Pour une pression partielle de 1\u00d710\u207b\u2076 atm \u2192 \u2248 9.9\u00d710\u2078 ions \/ impulsion.
\n\u2022Pour 1\u00d710\u207b\u2074 atm \u2192 \u2248 9.9\u00d710\u2079 ions \/ impulsion.
\n\u2022Pour 1\u00d710\u207b\u00b3 atm \u2192 \u2248 9.9\u00d710\u00b9\u2070 ions \/ impulsion.
\n\u2022Pour 1\u00d710\u207b\u00b2 atm \u2192 \u2248 9.9\u00d710\u00b9\u00b9 ions \/ impulsion.
\n\u2022Pour 1\u00d710\u207b\u00b9 atm \u2192 \u2248 9.9\u00d710\u00b9\u00b2 ions \/ impulsion.<\/h3>\n

\u2022Estimation de la pression de vapeur de TDAE \u00e0 25.0 \u00b0C : \u2248 0.401 torr (\u2248 53.5 Pa). (estimation par Clausius\u2013Clapeyron \u00e0 partir des points mentionn\u00e9s). OSTI+1
\n\u2022Densit\u00e9 mol\u00e9culaire correspondante \u00e0 25 \u00b0C : \u2248 1.30\u00d710\u00b9\u2076 mol\u00e9cules\u00b7cm\u207b\u00b3.
\n\u2022Spot \u00d8 = 0.3 mm \u2192 aire = 7.069\u00d710\u207b\u2074 cm\u00b2. Volume irradi\u00e9 pour 30 cm : V \u2248 2.121\u00d710\u207b\u00b2 cm\u00b3.
\n\u2022Mol\u00e9cules pr\u00e9sentes dans ce volume : \u2248 2.75\u00d710\u00b9\u2074 mol\u00e9cules.
\n\u2022Param\u00e8tres laser (inchang\u00e9s) : impulsion = 0.3 mJ, photons\/pulse \u2248 5.2\u00d710\u00b94, photons\/cm\u00b2\/pulse \u2248 7.20\u00d710\u00b97, flux \u2248 7.20\u00d710\u00b26 ph\u00b7cm\u207b\u00b2\u00b7s\u207b\u00b9.
\n\u2022Avec \u03c32=1.10\u00d710\u221248 cm4\u2009\u2063\u22c5\u2009\u2063s
\n\u2022Taux \u00e0 deux photons R \u2248 11.2\u00d710\u2075 s\u207b\u00b9.
\n\u2022Probabilit\u00e9 par mol\u00e9cule \/ impulsion (500 ps) \u2248 5.2\u00d710\u207b\u2074.
\n\u2022Ions estim\u00e9s par impulsion (tube 30 cm, conditions ci-dessus) : \u2248 15\u00d710\u00b9\u2070 ions \/ impulsion. Avec une fr\u00e9quence de r\u00e9p\u00e9tition de 20pps on produit 300\u00d710\u00b9\u2070 ions par seconde !<\/h3>\n

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