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Qu'est-ce que la spectroscopie CARS ? Pourquoi est-elle si spéciale ?
Dans le domaine scientifique actuel, la spectroscopie CARS (spectroscopie Raman cohérente anti-Stokes) a émergé dans la recherche chimique et physique avec ses avantages uniques. Cette technique est principalement utilisée pour détecter les signaux vibratoires des molécules, similaire à la spectroscopie Raman traditionnelle, mais sa sensibilité et la force du signal dépassent de loin les premières. La spectroscopie CARS est réalisée grâce à la technologie multiphotonique, ce qui lui permet de fournir des images moléculaires plus claires et devient ainsi un outil important dans de nombreux domaines de recherche.
La spectroscopie CARS est un processus optique non linéaire du troisième ordre impliquant l'interaction de trois faisceaux laser.
Contexte historique
La spectroscopie CARS a été proposée pour la première fois en 1965, lorsque P. D. Maker et R. W. Terhune de Ford Motor Company ont publié un rapport de recherche sur ce phénomène. Ils ont utilisé des lasers à rubis pulsés pour sonder la réponse de troisième ordre de divers matériaux et ont observé que lorsque les impulsions des deux faisceaux se chevauchaient dans l'espace et dans le temps, un signal CARS décalé vers le bleu était produit. Cette technologie a reçu le nom de « spectroscopie CARS » par Begley et al. de l'Université de Stanford en 1974.
Principes de base
Le principe de fonctionnement de la spectroscopie CARS peut être expliqué par des modèles de mécanique classique et quantique. Classiquement, une molécule peut être considérée comme un oscillateur harmonique (amorti) avec une fréquence caractéristique ωv. Dans CARS, cet oscillateur est piloté par la différence de fréquence entre le faisceau de pompe et le faisceau Stokes. Ce mécanisme d'entraînement est similaire à celui lorsque deux notes différentes sont frappées sur un piano, et l'oreille est sensible à la différence de fréquence entre elles.
Dans le processus CARS, le faisceau de pompe excite d'abord la molécule vers un état virtuel, qui n'est pas l'état propre de la molécule mais permet la transition vers d'autres niveaux d'énergie réels.
Comparaison entre la spectroscopie CARS et Raman
Les spectroscopies CARS et Raman sont similaires dans la détection des modes de vibration moléculaire, mais il existe également des différences significatives. CARS nécessite deux sources laser pulsées, tandis que la spectroscopie Raman ne nécessite qu'un seul laser à onde continue (CW). Puisque le signal CARS est observé du côté bleu, il n’a pas à entrer en compétition avec les phénomènes de fluorescence, ce qui rend le CARS plus avantageux dans les applications pratiques.
Champs de candidature
Technologie de microscopie CARS
CARS a de nombreuses applications dans la microscopie sélective d'espèces et le diagnostic de combustion, en particulier dans l'imagerie non invasive d'échantillons biologiques. De nombreux chercheurs utilisent la technologie de microscopie CARS pour observer les lipides dans des échantillons biologiques, offrant ainsi de nouvelles méthodes pour étudier la biologie.
Diagnostic de combustion
La spectroscopie CARS est également utilisée pour surveiller la température des gaz et des flammes, car le signal dépend de la température de manière non linéaire. Le signal CARS reflète l’état thermique du système car il est lié au nombre de particules dans l’état fondamental et aux états vibratoirement excités.
Autres applications
En plus des applications ci-dessus, la technologie CARS est également en cours de développement pour être utilisée dans les domaines de la surveillance de la sécurité, tels que la détection des bombes en bordure de route. Cela met en évidence sa valeur potentielle pour la sécurité publique.
En résumé, la spectroscopie CARS est devenue une technologie en vogue dans la recherche actuelle en raison de sa force de signal supérieure et de sa haute sensibilité aux modes de vibration moléculaire. À mesure que la technologie évolue, pourrons-nous voir ses applications dans davantage de domaines à l’avenir ?
