Domaine, spécialité : Physique des milieux ionisés et des plasmas
Mots-Clés : Simulation, interaction laser-matière, plasma, instrumentation, analyse physico-chimique, temps-réel.
Unité d’accueil : NIMBE/LEDNA
Résumé
La spectroscopie LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) est une technique analytique qui détermine 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 nano-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 de la faible taille des particules. 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 dans ces conditions spécifiques, en combinant adaptation d’outils numériques, validation par comparaison avec des données expérimentales, et participation éventuelle à l’acquisition de nouveaux spectres.
Sujet détaillé
Spécialité : Simulation, plasma, instrumentation, analyse physico-chimique
Durée souhaitée : 6 mois
Période souhaitée : début février à fin juillet 2026, adaptable
Unité de recherche : [1] Écoulements Réactifs (CORIA – Saint Étienne du Rouvray) et [2] NIMBE (CEA-Saclay)
Encadrants : Arnaud Bultel et Marc Briant
Co-Encadrants : Aurélien Favre et Olivier Sublemontier
Contexte
La spectroscopie d’émission optique de plasma induit par laser (LIBS [3]) 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. 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 ont démontré la faisabilité d’acquérir des spectres LIBS à partir de l’interaction entre des nano-aérosols et une impulsion laser [4]. Pour ces expériences, un système de lentilles aérodynamiques est utilisé afin de produire un faisceau dense 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 [4,7] 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 ;
- 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 est en cours de développement 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 développement d’outils théoriques dédiés à la simulation de spectres LIBS issus de l’interaction laser – nano-aérosol sous vide. Vos missions incluront :
- appropriation des outils existants tels que les logiciels MERLIN [6] et ECHREM [5], utilisés pour simuler les spectres LIBS et modéliser l’évolution temporelle des caractéristiques du plasma (température électronique, densité des espèces : électrons, neutres, ions, etc.) ;
- modifications de ces outils pour les rendre compatibles avec les conditions spécifiques des nano-aérosols sous vide, en collaboration avec l’équipe de recherche ;
- comparaison systématique entre les spectres simulés et expérimentaux pour valider les informations obtenues et affiner les modèles.
Si le temps le permet et selon votre souhait, vous pourrez également participer à l’acquisition de spectres LIBS sur le nouveau dispositif expérimental dédié aux nanoparticules sous vide. Vous débuterez alors les études de l’influence de certains paramètres (taille des nano-aérosols, leur composition chimique ou leur structure) sur l’évolution du signal LIBS afin d’enrichir la compréhension des mécanismes d’interaction laser-matière.
Compétences développées
- maîtrise d’outils de simulation avancés (MERLIN, ECHREM) et adaptation à des cas d’étude innovants ;
- analyse critique de données expérimentales et théoriques ;
- collaboration au sein de deux équipes pluridisciplinaires (physique des plasmas, optique, nano-science des matériaux) ;
- participation à des expériences de pointe en spectroscopie laser.
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.
Profil et compétences recherchées
Dernière année d’école d’ingénieur ou M2 en physico-chimie, optique, physique des plasmas. La connaissance dans au moins l’un des domaines suivants est demandée : 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.
Références
[1] https://www.coria.fr/departement/ecoulements-reactifs/
[2] https://iramis.cea.fr/nimbe/lions/
[3] http://libs-france.com/
[4] C. Alvarez-Llamas et al. « Online elemental characterization of collimated nanoaerosols by laser-induced breakdown spectroscopy of isolated particles » Spectrochim. Acta B 225 (2025), p. 107122.
[5] « MERLIN, an adaptative LTE radiative transfer model for any mixture : Validation on Eurofer97 in argon atmosphere », A. Favre et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 330 (2025) 109222.
[6] Dynamics of a femtosecond/picosecond laser-induced aluminum plasma out of thermodynamic equilibrium in a nitrogen background gas »
Vincent Morel et al., Spectrochim. Acta B 103-104 (2015) 112.
[7] Subfemtogram Simultaneous Elemental Detection in Multicomponent Nanomatrices Using Laser-Induced Plasma Emission Spectroscopy within Atmospheric Pressure Optical Traps,
Purohit et al., Anal. Chem. 91.11 (2019) 7444.
Lieu du stage
CEA Saclay, (91) Essonne, France
Conditions de stage
- Durée du stage : 6 mois
- Niveau d’étude requis : Bac+5
- Formation : Ingénieur/Master
- Poursuite possible en thèse : Oui
- Date limite de candidature : 2 février 2026
Compétences requises
Langue : Anglais
Liens utiles
Responsable du stage
Marc BRIANT
Tél. : 01 69 08 53 05
Email :