Résumé du poste
La spectroscopie LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) est une technique analytique qui détermine, sous certaines conditions, la composition élémentaire d’un matériau en analysant la lumière émise par un plasma généré par une impulsion laser. Déjà largement utilisée dans des domaines comme la métallurgie ou l’environnement, elle se révèle prometteuse pour l’étude des nano-aérosols, un enjeu crucial en pollution atmosphérique et santé publique. Des expériences récentes ont démontré la possibilité d’obtenir des spectres LIBS à partir de ces particules, grâce à un système de lentilles aérodynamiques qui concentre les aérosols dans une enceinte sous vide, améliorant ainsi la sensibilité et permettant une analyse à l’échelle de la particule individuelle. Cependant, cette application reste peu documentée, notamment en raison de la complexité des interactions laser-nano-aérosol et du plasma particulier qui en résulte. Pour surmonter ces défis, des travaux théoriques et expérimentaux sont en cours, visant à adapter les outils de simulation existants et à développer de nouveaux modèles. Le stage proposé s’inscrit dans cette dynamique, avec pour objectif de contribuer à la modélisation des spectres LIBS en fournissant des données expérimentales qui permettront d’affiner les modèles théoriques développés.
Disponibilité du poste
01/02/2027
Durée du contrat
5-6 mois
Description de l’offre
Contexte
La spectroscopie d’émission optique de plasma induit par laser (LIBS [1]) est une technique analytique puissante permettant de déterminer la composition multi-élémentaire d’un échantillon massif. Son principe repose sur l’analyse de la lumière émise par un plasma généré lors de l’irradiation d’un échantillon par une impulsion laser de haute énergie (plusieurs GW/cm2). Grâce à une compréhension approfondie des mécanismes de génération du plasma et d’émission photonique, la LIBS permet désormais d’identifier la composition élémentaire des matériaux avec une fiabilité accrue. Bien que des recherches soient toujours en cours pour optimiser les analyses quantitatives, la LIBS est déjà largement utilisée pour caractériser des matériaux massifs dans des domaines variés (métallurgie, environnement, patrimoine culturel, etc.).
La LIBS émerge aujourd’hui comme une technique prometteuse pour l’analyse d’aérosols submicroniques, un enjeu majeur dans les domaines de la pollution atmosphérique, de la dissémination de particules et de la santé publique. Des expériences préliminaires menées au NIMBE [2] ont démontré la faisabilité d’acquérir des spectres LIBS à partir de l’interaction entre des nano-aérosols et une impulsion laser [3]. Pour ces expériences, un système de lentilles aérodynamiques est utilisé afin de produire un faisceau dense, fin et colinéaire d’aérosols dans une enceinte sous vide. La technique LIBS est alors utilisée pour l’acquisition d’un spectre composé notamment des raies atomiques et ioniques des atomes constituant les aérosols. Cette configuration permet :
– d’augmenter la sensibilité de la détection en limitant les interférences atmosphériques;
– d’isoler l’interaction entre un nano-aérosol et l’impulsion laser, ouvrant la voie à des analyses à l’échelle de la particule individuelle.
En revanche, l’application de la LIBS aux nano-aérosols, en particulier sous vide, reste peu documentée [3, 4] tant sur le plan théorique qu’expérimental. Les principaux défis incluent :
– la sensibilité de la détection, limitée par la taille réduite des particules et la dynamique complexe du plasma généré (plasma hors Équilibre Thermodynamique Local);
– la compréhension des mécanismes d’interaction laser-nano-aérosol, encore incomplète.
Pour surmonter ces obstacles, deux approches sont actuellement explorées. Sur le plan expérimental, un nouveau dispositif a été développé et doit être optimisé afin d’améliorer le rapport signal/bruit et la limite de détection. D’un point de vue théorique des travaux sont en cours afin d’adapter les outils existants (simulations, modèles physiques) à l’interaction laser nano-aérosols sous vide et d’en développer de nouveaux pour décrire la dynamique du plasma dans ces conditions spécifiques.
Objectifs
Au cours de ce stage, vous contribuerez activement au perfectionnement du dispositif expérimental existant afin d’améliorer sa sensibilité et le rapport signal sur bruit des signaux détectés. Pour cela vous réaliserez :
- l’amélioration du système de collecte optique
- l’optimisation de l’interaction laser-nanoparticule : focalisation laser, durée d’impulsion, énergie par impulsion, fréquence de répétition
- la synchronisation de l’acquisition par rapport au laser, la durée de vie du plasma, etc.
Ces perfectionnements vous permettront d’améliorer les limites de détection de chaque élément y compris lorsqu’ils sont dans une matrice complexe.
Pour mener à bien ce travail, des NanoParticules (NP) modèles seront choisies. Celles-ci sont parfaitement définies en termes de distribution de taille, de structure et de composition. Il sera alors possible d’établir un lien clair entre les caractéristiques des nanoparticules étudiées (taille, composition) et le signal LIBS : les effets de matrice, la réponse LIBS de certains éléments chimiques minoritaires et la vaporisation totale ou non des NP.
Pour être plus précis, l’ensemble des expériences menées vise à comprendre l’influence de ces paramètres caractéristiques des nanoparticules sur l’évolution du signal LIBS. Ce travail expérimental est indispensable mais insuffisant. En effet, la compréhension des mécanismes d’interaction laser-nanoparticule et de la dynamique du plasma sous vide nécessite le développement de nouveaux modèles théoriques qui doivent être validés. C’est la comparaison entre les spectres expérimentaux et ceux simulés qui permettra de les valider et ainsi de pouvoir extraire des informations et affiner les modèles. Ces modèles sont développés au CORIA (Cf. Collaboration envisagée).
Collaboration envisagée
Arnaud Bultel, Vincent Morel, Aurélien Favre : Écoulements Réactifs [5] du CORIA (COmplexe de Recherche Interprofessionnel en Aérothermochimie) à Saint Étienne du Rouvray.
La collaboration permettra de discuter de la dynamique des plasmas et de comparer les spectres expérimentaux à ceux simulés pour valider les informations obtenues et affiner les modèles théoriques développés au CORIA.
Selon l’avancement du stage, il sera également possible d’être initié aux codes de calculs développés au CORIA, MERLIN [6] et ECHREM [7]
Compétences développées
Durant ce stage, vous développerez les compétences suivantes :
– Caractérisation physico-chimique de nanoparticules
– Optique : laser, spectromètre et spectroscopie atomique.
– participation à des expériences de pointe en spectroscopie laser.
– analyse critique de données expérimentales et théoriques ;
Impact du stage
Votre travail contribuera directement à l’amélioration des modèles théoriques pour l’analyse de nano-aérosols par LIBS. La validation expérimentale des outils développés ouvrira la voie à des applications en environnement, santé publique et sécurité industrielle.
Poursuite possible en thèse
Oui, selon financement
Liens utiles
Bibliographie
[1] http://libs-france.com/.
[2] https://iramis.cea.fr/nimbe/.
[3] C. Alvarez-Llamas et al., «Online elemental characterization of collimated nanoaerosols by laser-induced breakdown spectroscopy of isolated particles,» Spectrochim. Acta B, vol. 225, p. 107122, 2025.
[4] P. Purohit et al., «Subfemtogram Simultaneous Elemental Detection in Multicomponent Nanomatrices Using Laser-Induced Plasma Emission Spectroscopy within Atmospheric Pressure Optical Traps,» Anal. Chem., vol. 91.11, p. 7444, 2019.
[5] https://www.coria.fr/departement/ecoulements-reactifs/.
[6] A. Favre et al., «MERLIN, an adaptative LTE radiative transfer model for any mixture : Validation on Eurofer97 in argon atmosphere,» J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf., vol. 330, p. 109222, 2025.
[7] V. Morel et al., «Dynamics of a femtosecond/picosecond laser-induced aluminum plasma out of thermodynamic equilibrium in a nitrogen background gas,» Spectrochim. Acta B, Vols. %1 sur %2103-104, p. 112, 2015.
Localisation du poste
Site
CEA Saclay, (91) Essonne, France
Critères candidat
Profil du candidat
Dernière année d’école d’ingénieur ou M2 en physico-chimie, optique, physique des plasmas. Des connaissances en physique atomique sont souhaitées et dans au moins l’un des domaines suivants: physico-chimie, optique, physique des plasmas. L’absence de connaissances dans certains de ces domaines pourra être complétée durant le stage et n’est pas rédhibitoire.
Autres compétences requises :
Langages informatiques et logiciels : savoir programmer (python, C ou autre)
Langues
Anglais (Intermédiaire)