Spectroscopie par Source Laser. I. Etude Expdrimentale des IntensitCs et Largeurs des Raies de la Transition 00°1-(1000,0200), de CO,

ERIC A R I ~ , NELLY LACOME ET COLETTE ROSSETTI Laboraroire d'Ir!frarouge. Equipe de Recherche Associie au C N R S , Unioersirl. de Paris VI, Cornpus d'Orsay,

EL?/. 350 (91) Orsay, France

Recu le 2 fevrier 1972

Les coefficients d'absorption des raies de la transition 00°1 -(10°0,0200), du gaz carbonique ont ete systema- tiquement mesurts par une methode spectroscopique utilisant pour source un laser a CO, monochromatique, monomode, stabilise en puissance. Les valeurs des largeurs de raies et des intensites inttgrees en ont ete deduites.

The 00°1-(1000-0200), band of CO, has been studied by a spectroscopic method using a monochromatic, single mode stabilized laser source. Half-width and integrated intensity values have been deduced for every line.

Canadian Journal of Physics, 50, 1800 (1972)

Introduction Les intensites de quelques raies de rotation-

vibration de la transition 00'1 - (1 0°0.0200), du , . gaz carbonique avaient deja ete etudiees par differents auteurs (McCubbin et Mooney 1968 ; Cousin et al. 1969) par une methode spectro- scopique utilisant une source laser.

Nous avons repris l'etude systematique de cette transition pour les raies P, a P,, et R, a R,,, l'utilisation d'un laser stabilise en puis- sance et en frkquence nous permettant d'obtenir une precision superieure a celle des etudes anterieures.

Nous avons pu ainsi determiner le moment dipolaire de transition et son dkveloppement analytique en m.

Montage experimental Le dispositif experimental comprend le laser

(C0,-N,-He) servant de source de rayonne- ment, la cuve d'absorption, le spectrometre enregistreur.

Le laser utilise est monochromatique, mono- - . -made et stabilise en puissance suivant une

mkthode decrite anterieurement (Meyer et al. 1969).

Cette stabilisation permet de faire constam- ment coi'ncider la frkquence du rayonnement laser emis avec le centre de la raie consideree.

~ ~~

On peut donc mesurer directement le coefficient d'absorption au sommet de cette raie.'

'L'intensitk du rayonnement est reduite au minimum de facon a tviter tout effet de saturation dans le gaz absorbant.

La cuve d'absorption est une cuve a reflexions multiples de type White. Des parcours d'absorp- tion de 7.9 a 53.7m ont ete utilises, selon l'intensite des raies.

A la sortie de la cuve, le rayonnement est envoye sur la fente d'entree d'un spectrometre Perkin-Elmer relie a un ~otentiometre elec- tronique enregistreur. L'elongation observee sur l'enregistreur est proportionnelle a l'intensite du rayonnement transmis par la cuve.

Methode experimentale Le laser etant rkgle au sommet d'une raie,

nous mesurons le rapport des intensites I. et I,, du faisceau transmis respectivement par la cuve vide et par la cuve remplie de CO, sous une pression P. Le coefficient d'absorption s'exprime d'apres la loi de Beer-Lambert, par . = (1/L) log Io/I,

La Fig. 1 presente un enregistrement experi- mental.

Pour les tres faibles pressions (inferieures a 0.8 Torr) l'elargissement des raies est unique- ment dd a l'effet Doppler. La forme des raies est definie par une fonction de Gauss, de demi- largeur a demi-hauteur Aop a la temperature To.

Lorsque la pression du gaz augmente, l'effet des collisions moleculaires devient prepon- derant.

Au-dessus de 1 atm, cet effet est tel que l'elargissement entraine un recouvrement des

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- Doppler et collisionnel; la forme spectrale est alors dkfinie par une fonction de Voigt, produit de convolution d'une forme gaussienne par une forme lorentzienne, qui exprime le coefficient d'absorption mixte a?(/??), en fonction de cx,T"(m):

L_i FIG. I. Enregistrement experimental: variation de I'in-

tensite transmise par la cuve sous une pression P variant de 1, 2 a 200 Torr, pour la raie R,,. I. est I'intensite transmise par la cuve vide.

raies (Christiansen et al. 1971). Les pressions etudiees ici etant toutes inferieures a 1 atm, nous pouvons negfiger ces recouvrements. D'autre part, les deplacements des raies dQs aux collisions moleculaires etant tres faibles (Freed et Javan 1970), nous pouvons egalement les negliger.

La forme spectrale est ainsi definie, avec une bonne approximation, par une fonction de Lorentz. Le coefficient d'absorption au centre de chaque raie 07, est alors donne par la relation

ou SiO(m) est l'intensite integree de la raie consideree et T?(m) la demi-largeur a mi- hauteur, rapportees a l atm a la temperature To = 300 OK.

Pour les pressions intermediaires, l'elargisse- ment est dQ a la superposition des 2 effets

[3] a = (T,T"(m)/Aop(m)) (log 2)'12 (PIPo)

a est un parametre exprimant les contributions respectives de l'effet Doppler et de l'effet col- lisionnel a la largeur des raies.

La fonction ,f(a) = cx?(m)/cx?(n~) a etk cal- culee numeriquement pour chaque valeur de a . L'experience fournit pour chaque raie la valeur de ce rapport en fonction de la pression. De l'identification des valeurs calculees et des resultats experimentaux, on dkduit a = f (P), c'est une droite dont la pente permet de deter- miner la demi-largeur T,T"(m).

La Fig. 2 montre la variation du coefficient d7absorption avec P.

Signalons que pour chaque pression du gaz la temperature experimentale Test mesuree par un thermometre place dans la cuve d'absorption. On rapporte ensuite cxT(n7) a la temperature To = 300 O K , a partir du calcul de la variation relative daT(m)/cxTO(m) en fonction de d T = IT- Tol, variant de 0 a 5 OK, dans chaque domaine de pressions etudiees.

Pour une raie 177, l'intensite integree S?(rn) s'exprime par

ou Qin, est la fonction de partition interne. Nous avons adopte la valeur calculee par Gray (1965): . . el,-,.-290.97 a 300 %. E, est l'energie du niveau rotationnel initial. a,,, est le nombre d'onde

(en em-') de la raie consideree et heal l'energie du niveau vibrationnel initial. ~ R ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ , ~ ( ~ I ) ~ 2

represente le carre du module du moment dipolaire de transition, qui peut s'ecrire

F(m) est un polyn6me de la f0rm.e

representant l'interaction vibration-rotation. ~ R ~ ~ ~ ~ ~ , ~ ~ ~ ~ , ~ ~ ~ est le carre du moment dipolaire vibrationnel de transition donne par la valeur de ~ ~ ~ $ ' d ~ , , ~ , , , ( m ) l ~ pour m = 0.

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1802 CANADIAN JOURNAL OF PHYSICS. VOL. 50. 1972

,,dToI 1 0' cm* 100 200 300 $00 5.00 6pO P (Tor r))

FIG. 2. Variation du coefficient d'absorption en fonction de la pression, pour la raie R,,. (a) Pression de 0 a 600 Torr. (b) Courbe dilatee pour la pression variant de 0 a 20 Torr.

L'intensite integree (rapportee a 1 atm a 300 OK) de la bande de vibration est donnee par la relation

QR est la fonction de partition rotationnelle et sa valeur est 267.28 a 300 OK (Gray 1965).

Resultats et discussions Comme nous l'avons vu, la mesure des

coefficients d'absorption permet la determina- tion a partir des relations [3] et [I] de la demi- largeur collisionnelle T,T"(m) et de l'intensite

- . -- irftegree S,T"(m).de chaque raie. La courbe presentee par la Fig. 3 montre la

variation du coefficient d'absorption collisionnel en fonction de m.

Les Tableaux 1 et 2 rassemblent les resultats concernant TTo(m) et S,TO(m). Le Tableau 3 presente les resultats obtenus pour les quelques raies Ctudiees par d'autres auteurs: soit par la methode de la "courbe de croissance", soit par une methode identique a la notre.

Nos resultats concernant crTO(m) et T$O(m)

FIG. 3. Variation du coefficient d'absorption colli- sionnelle en fonction de m.

entrainent des valeurs de l'intensite integree S,TO(m) legerement superieures a celles deter- minees par les differents auteurs cites. Mais d'une part, notre methode presente, par rapport a la spectroscopie classique, I'avantage de permettre la mesure directe du coefficient d'absorption au centre des raies, puisque l'on

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ARIE ET AL.: SPECTROSCOPIE PAR SOURCE LASER. I 1803

TABLEAU 1. Demi-largeurs collisionnelles du gaz car- bonique pour la transition 00°1-(1000,0200)1

rn Tfa (cm-' atm- ') rn Tfa (cm-' atm-')

TABLEAU 2. Intensites integrees

S,TO 10' S,T" x lo3 rn (cm-2 atm-') rn (cm-2 atm-')

s'est affranchi des diverses corrections dues a la fonction d'appareil. D'autre part, la stabili- sation de l'intensite de I'tmission laser, ameliore sensiblement la precision des mesures que nous pouvons estimer de 3 a 5"/, De plus, nous avons

TABLEAU 3. Demi-largeurs collisionnelles et intensites inte- grees obtenues par differents auteurs

Raies I- fa S,T" x 1 o3 Itnl (cm-' atm-') (cm-2 atm-') Reference

12 0.105 0.490 13 0.095 0.510 14 0.100 0.510 b

16 0.106 0.584 b

18 0.105 0.565 b

0.549 20 {:::;: b

0.56 22 0.100 0.516 b

24 0.094 0.475 b

25 0.080 0.440 26 0.105 0.430

"McCubbin et Mooney (1968): rnethodede lacourbe decroissance. bMcCubbin el Mooney (1968): rnethode laser. 'Drayson et Young (1968): methode laser.

o+ . m

-LO -2 0 20 LO

FIG. 4. Variation du carre du moment dipolaire de transition ( ~ ~ ~ ~ ~ ~ ! , , ~ , , , ( t n ) l avec rn. La courbe en trait plein represente les valeurs calculees par moindres carres.

etudik systematiquement la transition 0O01- (10°0,0200),, alors que les differentes etudes connues dans la litterature n'ont porte que sur un nombre tres restreint de raies.

La relation [4] permet de determiner les mo- ments dipolaires de transition I ~ ~ ~ , " ~ ~ , ~ ~ ~ ~ , ~ ( t n ) ~ ~ pour chaque raie.

Les resultats sont presentes par la Fig. 4. Malgre une incertitude plus importante sur

les valeurs pour Iml eleve, le calcul de I R ~ ~ ~ ~ ~ , ~ ~ u ~ , ~ ~ par une methode de moindres carres conduit ri

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1804 CANADIAN J O U R N A L OF PHYSICS. VOL. 50, 1972

La precision des mesures effectuees ante- rieurement (Cousin e/ a/. 1969) et le nombre de raies etudiees ne permettaient pas d'obtenir un developpement en rn2.

L'intensite integrke sur toute la bande de vibration calculee par la relation [6] appliquee li chaque raie, est, en prenant la moyenne,

La precision est de 5%. McCubbin c.r a/. (1968) obtient par une

methode identique a la n6tre0.016,, cm-2 atm-' a 300 OK. L'etude du spectre de bande A basse resolution par Burch e/ a/. (1962) et par Gray (1967) a donne 0.017 et 0.021 respectivement.

On constate que notre resultat est coherent avec cet ensemble de valeurs.

Une interpretation theorique des resultats concernant les largeurs de raies fera l'objet d'un article ulterieur (Boulet c./ a/. 1972).

Remerciements Nous remercions M. le Professeur P.

Barchewitz pour 1'interEt qu'il a porte a ce travail, ainsi que Melle Bailly.

BOULET, C., ARIE?, E., BOUANICH, J. P. et LACOME, N. 1972. Can. J. Phys. A paraitre.

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