Rambure

Les térahertz (infrarouge lointain),
un nouvel outil d’analyse.
Nicolas Rambure, Philippe Hervé
(Université Paris X)
et
Jean Luc Bodnar
(Université de Reims Champagne Ardenne)
SFP - 27 septembre 2007
Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie
1
Voir en profondeur sans destruction.
Méthodes Actives
Méthodes Passives
Excitation thermique
• Flash
• Sinusoïdal
• Aléatoire…
Excitation par ondes
• Ultrason
• Sismique…
Excitation électromagnétique
• IRM
• Induction…
Ondes électromagnétiques
(X-UV-Visible-IR-IRlointain-Ondes)
•
Mesures par transmission
•
Réflexion
•
Emission
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Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie
2
Rappels sur les ondes
électromagnétiques
1 = α + ρ +τ
1 = α + ρ +τ
ρ
α
τ
1 = α + ρ +τ
SFP - 27 septembre 2007
α
ρ
τ
Absorptivité
Réflectivité
Transmittivité
n% = nr − j χ ≡ ε% = ε1 − jε 2
n%
nr
χ
Indice de réfraction complexe
Indice de réfraction réel
Coefficient d’extinction
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3
Spectre Electromagnétique
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4
Profondeur de pénétration
λ
δ=
4πχ
τ =e
−4πχ
x
λ
1
x
>
⇒ 4πχ = Ln(100) ≈ 4,6
100
λ
Métaux
λ 4,6
x<
χ π
Diélectriques
Semi-transparent dans l’UV
Semi-transparent dans l’IR et IRL
δ<<1µm dans l’IR
Exemple: Pour l’aluminium
à 4µm χ=40 donc δ=8nm
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Pour les diélectriques χ est très
faible 10-4-10-6 donc la profondeur
de pénétration augmente
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5
Image d'une scène dans
le visible
les Térahertz
(Photo : www.jlab.org)
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6
Transmission
de de
1m1md’air
25°C
et 1atm
Transmission
d'air àà25°C
et 1atm
en fonction de le humidité relative
En fonction
de l’humidité relative
1,00
0,90
0,80
0,70
Transmission
0,60
Hr=1%
Hr=50%
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Longueur d'onde en µm
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7
Satellite Planck (ESA 2007)
Simulation de la cartographie des fluctuations
du rayonnement fond du ciel (à 2,73K)
vue par Planck
Photo de Planck
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8
Loi de Planck
Lλ0(λ,T) : luminance monochromatique du corps noir
λ: longueur d'onde en mètre
T : température en Kelvin
Décalage en longueur d’onde de la courbe
C1=2hc²=1.191.10-16 W.m2 sr-1
de Planck normalisée au maximum d'émission
1
C2=hc/kb=1.4388.10-2 m.K
0,9
C1 λ −5
Lλ (λ , T ) =
C
exp( 2 ) − 1
λT
0,8
0
T=1000K
0,6
L°/L°m ax
W .m-2.sr-1
0,7
T=300K
T=77K
0,5
T=20K
0,4
0,3
0,2
0,1
0
1
10
100
1000
Longueur d'onde en µm
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9
Appareillage pour mesurer
l’émissivité totale
Schéma de principe
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Photo
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Emissivité totale hémisphérique en fonction de la température
1
0,9
0,8
Emissivité
0,7
0,6
Or
Peinture 1
Peinture 2
Peinture 3
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
10
60
110
160
210
260
310
360
Température en K
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Appareillage pour mesurer
l’émissivité spectrale
Schéma de principe
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Photo
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Emissivité monochromatique de deux peintures spatiales à 150K
1
0,9
0,8
0,7
Emissivité
0,6
0,5
0,4
Peinture 1
Peinture 2
0,3
0,2
0,1
0
20
40
60
80
100
120
140
L'ongueur d'onde en µm
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Diagnostic de fresque
par spectroscopie dans l’infrarouge lointain
La Cène de Léonard de Vinci
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Dispositif expérimentale en transmission
« Echantillon à étudier
»
Bolomètre
Refroidie à 1,2K
Source :
Globar ou
Lampe à
vapeur de
mercure
Séparatrice :
Solid Substrate
ou Mylar
Spectromètre à TF
Echantillons réalisé par M Joël OLIVEIRES.
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Peinture à l'huile "blanche"
100
90
nr
80
Transmission %
70
60
50
40
Interférence
30
20
10
0
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
Longueur d'onde µm
SFP - 27 septembre 2007
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Peinture à l'huile "blanche"
100
90
80
Transmission %
70
χ
60
50
40
Interférence
30
20
10
0
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
Longueur d'onde µm
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Pigments du moyen âge
l oi nt ai n- pi gmoy- l ' azot e
100
90
80
t r ansmi ssi on ( %)
70
or ange
r ouge
mar r on
noi r
bl eu
bl anc
ver t
60
50
40
30
20
10
0
20
40
60
SFP - 27 septembre 2007
80
100
120
l ongueur d' onde( um)
140
160
180
200
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Pigments du moyen âge
l oi nt ai n- pi gmoy- l ' azot e
100
90
80
t r ansmi ssi on ( %)
70
or ange
r ouge
mar r on
noi r
bl eu
bl anc
ver t
60
50
40
30
20
Groupements fonctionnels caractéristiques
10
0
20
40
60
SFP - 27 septembre 2007
80
100
120
l ongueur d' onde( um)
140
160
180
200
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Pigments du moyen âge
l oi nt ai n- pi gmoy- l ' azot e
100
90
80
Groupements fonctionnels caractéristiques
t r ansmi ssi on ( %)
70
or ange
r ouge
mar r on
noi r
bl eu
bl anc
ver t
60
50
40
30
20
Groupements fonctionnels caractéristiques
10
0
20
40
60
SFP - 27 septembre 2007
80
100
120
l ongueur d' onde( um)
140
160
180
200
Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie 20
Pigments du moyen âge
l oi nt ai n- pi gmoy- l ' azot e
100
90
80
Groupements fonctionnels caractéristiques
t r ansmi ssi on ( %)
70
or ange
r ouge
mar r on
noi r
bl eu
bl anc
ver t
60
50
40
30
20
Groupements fonctionnels caractéristiques
10
0
20
40
60
SFP - 27 septembre 2007
80
100
120
l ongueur d' onde( um)
140
160
180
200
Laboratoire d’Energétique et d’Economie d’Energie 21
Influence de l’épaisseur
sur la transmission de la chaux
chaux en di f f erent s epai sseurs
100
90
80
transmission(%)
70
60
chaux mince
chaux epai sse
50
40
30
20
10
0
20
40
60
SFP - 27 septembre 2007
80
100
120
l ogueur d' onde(µm)
140
160
180
200
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Dispositif expérimentale en réflexion
Source :
Globar ou
Lampe à vapeur de
mercure
« Echantillon à étudier »
Séparatrice :
Solid Substrate
ou Mylar
Bolomètre
Refroidie à 1,2K
SFP - 27 septembre 2007
Spectromètre à TF
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ρI
(1-ρI)τI
I
J
ρJ(1-ρI)2τI2
(1-ρJ)2τJ2(1-ρI)2τI2+
(1- ρJ)ρIρJ(1-ρI)τI2
ρIρJ(1-ρI)τI2
(1-ρJ)2τJ2(1-ρI)τI+
ρJ(1-ρI)τI
(1- ρJ)ρIρJ(1-ρI)τI2
(1-ρJ)τJ(1-ρI)τI
(1-ρJ)τJ2(1-ρI)τI
Métal ρ≈1
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Simulation de la réflexion d'un corps noir sur un systéme bicouche
1
0,9
0,9
0,8
0,8
0,7
0,7
0,6
Transmisson I
0,6
0,5
Transmission J
0,5
0,4
Réflectivité du
système
0,4
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0
300
310
320
330
340
350
360
370
380
390
Réflectivité
Transmittivité
1
0
400
Longueur d'onde µm
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Conclusion et perspectives
Etude au laboratoire :
• Banque de données des propriétés optiques de peintures dans
l’IR
• Traitement de l’image sur scène
Réalisation d’un appareillage transportable
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