Photophysique des molécules organiques
Mesure de la température par fluorescence induite en phase gazeuse

De nombreuses techniques de mesure basées sur les diagnostics optiques ont été développées depuis plusieurs décennies. L’arrivée des lasers en a été l’élément moteur. De nos jours, plusieurs d’entre elles sont devenues des outils indispensables pour aborder la compréhension de phénomènes complexes (combustion, chimie réactionnelle, interaction entre chimie et turbulence) et d’être une source de base de données suffisamment précise pour répondre aux attentes des résultats fortement résolus des calculs numériques (RANS, LES et DNS). Plusieurs grandeurs caractérisent la combustion et peuvent être mesurées par l’utilisation de diagnostics optiques telles que la température, la vitesse des phases gazeuse et dispersée, la taille de gouttes ou de particules solides, l’évaporation de gouttes et la concentration de certaines espèces chimiques.

Ces caractéristiques peuvent également être mesurées avec des capteurs spécifiques ou des techniques appropriées comme le thermocouple pour la mesure de température, le fil chaud pour la mesure de vitesse ou de température, le chromatographe en phase gazeuse pour la spécification d’espèces, couplé avec une spectrométrie de masse par exemple. Cependant, les techniques optiques sont préférées de par leur caractère normalement non intrusif. De plus, elles peuvent atteindre des mesures in situ dans des environnements réactifs ou non, homogènes ou hétérogènes. Les techniques lasers peuvent également fournir une haute résolution spatiale et temporelle. Typiquement la durée d’un pulse laser est de l’ordre de 10⁻¹² à 10⁻⁹ s. Sur ces échelles de temps, l’écoulement ou les réactions chimiques étudiées sont considérés comme figés.

Les techniques de diagnostics laser reposent sur l’interaction entre la lumière émise par le laser et la matière du milieu sondé. Il en résulte une émission lumineuse du milieu sondé qui est de deux types ; la première est une émission élastique, c'est-à-dire que la lumière diffusée est à la même longueur d’onde que la lumière source d’excitation, la deuxième est une émission inélastique. Dans cette configuration, les phénomènes de relaxation interne des molécules de l’état excité vers l’état fondamental provoquent une émission de lumière avec une longueur d’onde différente de la source de lumière d’excitation. Il y a donc dans ce cas des transferts énergétiques plus complexes. La lumière incidente est absorbée par une molécule ou un atome, celle-ci, afin de retourner de l’état énergétique excité vers l’état fondamental, va réémettre un flux énergétique de plusieurs façons soit par diffusion, luminescence et/ou par échauffement.

Dans le cas de la diffusion, la lumière est diffusée à une longueur d’onde différente de la lumière incidente. Les décalages spectraux introduits dépendent des énergies de vibration-rotation de la molécule excitée. La diffusion de Raman permet la mesure de la concentration d’espèce et l’analyse des spectres collectés fournit des mesures de températures.

Ce type de mesure présente l’avantage d’être résolue dans le temps, avec éventuellement des cadences élevées, d’être sélective en fonction des espèces que l’on souhaite sonder et relativement simple à mettre en œuvre. Cependant, les sections efficaces Raman sont très faibles (plusieurs ordres de grandeurs inférieures aux sections efficaces de la fluorescence), ce qui limite fortement les possibilités de mesures par imagerie, mais qui a fait le succès de cette technique pour l’analyse chimique dans des milieux optiquement propres.

Dans le cas d’échauffement, l’incandescence des particules crée de la lumière. La technique de l’incandescence induite par laser (LII : Laser Induced Incandescence) est basée sur ce principe et permet d’obtenir une cartographie de la répartition des particules dans l’écoulement.

Dans les cas de luminescence, soit par phosphorescence, soit par fluorescence, la distinction entre les deux phénomènes est le temps caractéristique séparant l’absorption de la lumière de la réémission de lumière. Des états très stables sont atteints dans le cas de la phosphorescence et les molécules se désexcitent sur un temps beaucoup plus important que la fluorescence.

La fluorescence induite par laser à l’avantage d’être sélective et comme pour la diffusion Raman, le flux est émis avec un spectre caractéristique de la molécule. L’analyse de ce spectre de fluorescence permet donc de réaliser des mesures de concentration sélectives selon les espèces présentes dans le milieu. L’évolution de l’intensité de la fluorescence en fonction de la température pour une longueur d’onde d’excitation permet également de mesurer la température du milieu sondé. L’atout majeur de la FIL (fluorescence induite par laser ou LIF Laser Induced by Fluorescence) est sa grande section efficace en comparaison de celles de la diffusion Rayleigh ou de la diffusion Raman spontanée, permettant d’effectuer des mesures bidimensionnelles dans des champs de plusieurs centimètres de hauteur, en utilisant une (ou plusieurs) nappe laser pour l’excitation. Cette technique de mesure (FILP ou PLIF Planar Laser Induced by Fluorescence) allie une bonne résolution temporelle et spatiale, sur un grand champ de mesure, tout en étant sélective sur les molécules sondées. Cette technique nécessite au préalable une phase d’étalonnage, permettant de prendre en compte au mieux les évolutions de la fluorescence en fonction des paramètres thermodynamiques rencontrés. En effet, une fois la molécule dans un état excité (après absorption d’un photon), plusieurs chemins de désexcitation par voies radiative et non radiative sont en concurrence et dépendent des conditions thermodynamiques du milieu. Malgré cela, la FIL ou LIF reste un outil très intéressant et doit donc être étudiée afin de déterminer les difficultés liées à la métrologie optique, et la faisabilité de cette technique et permettre de rendre robuste les résultats obtenus. Dans une configuration d’imagerie 2D, la source laser est transformée en une nappe laser, ce qui nous permettra de visualiser la fluorescence sur un plan (FILP). D’autres approches n’utilisant pas de laser peuvent être mises en œuvre (utilisation de lampe XeHg par exemple).