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1 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? José Luis Doménech Grupo de Espectroscopía Láser Instituto de Estructura de la Materia José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? 2 Radiación electromagnética y detección remota. • Atmósferas: terrestre, planetarias, estelares, medio interestelar... • La radiación electromagnética transporta información física y química sobre la fuente que la emite, la materia que atraviesa o el material desde el que se refleja. • Espectroscopía: análisis (I vs λ) de la luz absorbida, emitida, o dispersada por las moléculas constituyentes de la(s) atmósfera(s). • Espectrómetros en superficie (telescopios, radiotelescopios), globos, aviones, satélites, sondas espaciales. José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? 3 José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? 4 Espectro infrarrojo de la atmósfera de Titán tomado por el Voyager I José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? 5 Espectro infrarrojo de la estatosfera terrestre registrados por el ATMOS José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? 6 MIPAS (Envisat): algunos ejemplos. José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? 7 • Medidas “de campo”: Largos caminos ópticos, con gradientes muy grandes de presión, temperatura, y distribuciones muy variables de especies atómicas y moleculares. • Recuperar perfiles de P, T, n, a lo largo del camino óptico de la observación a partir de datos espectroscópicos, requiere espectros de de laboratorio muy precisos (en I y en λ) en condiciones de P, T, y n “perfectamente” controladas. José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? 8 Espectroscopía de laboratorio • Información que debe proporcionar la espectroscopía de laboratorio: – Posición de las líneas: composición y entorno físico – Intensidad: concentración y temperatura – Forma: presión • Bancos de datos (HITRAN, GEISA, ATMOS) a disposición de los fisicoquímicos atmosféricos o astrofísicos para interpretar las medidas de campo: se obtienen a partir de medidas espectroscópicas de alta resolución en el laboratorio. 61 61 61 61 61 61 61 61 61 3095.360722 3095.365000 3095.371078 3095.379859 3095.410282 3095.418076 3095.451847 3095.458483 3095.458959 2.407E-24 3.019E-23 7.924E-20 3.076E-25 4.982E-27 1.153E-25 4.247E-25 5.777E-26 1.813E-24 2.056E+00.0390.0626 9.116E-02.0510.0730 2.786E+01.0580.0770 4.371E-02.0290.0488 1.103E-03.0550.0883 1.089E-02.0470.0724 1.818E-02.0470.0714 2.327E-03.0470.0714 4.658E-02.0440.0831 1919.75590.75-.006191 814.88450.65-.006000 293.12300.72-.006000 1593.04500.63-.006191 1779.02480.63-.006191 1592.35970.63-.006191 1417.51980.63-.006191 1417.12940.63-.006191 1417.57930.63-.006191 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 2 0 2 2 2 2 0 2 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1F1 1 E 1F2 1 E 1 E 1 E 1 E 1A1 1 E 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 E 1A1 1A1 1A1 1A1 1A1 1A1 1A1 1A1 9F1116 12F2 57 8F2 30 17E 49 18F1 75 17F1 75 16F1 70 17F2 51 16A1 25 8F2 10 12F1 2 7F1 1 17E 1 18F2 2 17F2 1 16F2 2 16F1 2 16A2 1 332333332329 352333312119 552333312119 222333312129 222333312129 222333312129 222333312129 222333312129 332333312129 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 57.0 75.0 51.0 70.0 111.0 105.0 99.0 105.0 165.0 51.0 75.0 45.0 70.0 111.0 105.0 99.0 99.0 165.0 • Validación de modelos teóricos y métodos de cálculo de colisiones y potenciales intermoleculares José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? 9 • • Resolución: muchos criterios y definiciones. Uno: “anchura a media altura observada de una línea aislada”. Contribuciones a la anchura intrínseca: ensanchamiento natural (~10-7 cm-1), ensanchamiento Doppler (~10-2 cm-1), ensanchamiento por presión(~10-2 cm-1/atm). Absorbancia α(ν)Pl Espectroscopía de alta resolución 0,6 -1 FWHM=0,0096 cm 0,3 0,0 • Achura observada: contribución de la anchura intrínseca de la línea y de la “función de aparato”. • Alta resolución: anchura de la función de aparato mucho menor que la del espectro José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia 3095,0 3095,1 3095,2 3095,3 número de ondas / cm 3095,4 -1 I = I 0e −α (ν ) Pl IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? 10 Alta resolución instrumental 1,0 transmitancia 0,8 límite Doppler -1 0.005 cm -1 0.010 cm -1 0.015 cm -1 0.020 cm -1 0.025 cm 0,6 CH4 ,1 torr, 300 K 0,4 γD(FWHM)=0.0096 cm 3095,0 -1 3095,1 3095,2 3095,3 número de ondas / cm José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia 3095,4 -1 IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? 11 José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? 12 Ensanchamiento por presión γL(P) = γ0P Perfil de Voigt absorbancia 0,06 Lorentziana Gaussiana 0,03 0,00 1131,96 1131,98 1132,00 1132,02 1132,04 1132,06 número de ondas / cm José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia 1132,08 -1 IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? LINEAS DE INVESTIGACIÓN del GRUPO DE ESPECTROSCOPÍA LÁSER Problemas: ƒ Caracterización de estados ro- vibracionales ƒ Estudio del perfil de las líneas del espectro vibro-rotacional e influencia de los procesos colisionales: • Obtención de coeficientes de ensanchamiento y desplazamiento por presión y su dependencia con la Temperatura (γ 0, δ0(T) ) y el perturbador. • “Line mixing” • Validación de modelos 13 Técnicas: ALTA RESOLUCIÓN: (anchura instrumental ‘menor’ que la anchura Doppler) ƒ Absorción de infrarrojo generado por mezcla de frecuencias (difference frequency mixing) ƒ Espectroscopía Raman estimulada (aka SRS) en su versión Espectroscopía de pérdida Raman (aka Raman Inverso) Moléculas de interés atmosférico José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? 14 GENERACIÓN DE IR POR MEZCLA DE FRECUENCIAS r r r r r r r r r r r r r r (1) (2) (3) P( r , t ) = ε 0 ⎡⎣ χ% E ( r , t ) + χ% E ( r , t ) E ( r , t ) + χ% E ( r , t ) E ( r , t ) E ( r , t ) + ...⎤⎦ Pi (2) (ω3 = ω1 ± ω2 ) = ε 0 g ∑ d (ω ijk 3 = ω1 ± ω2 ) E j (ω1 ) Ek ( ±ω2 ) jk ω3 = ω1 − ω2 ω1 ω2 José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia r r r k3 = k1 − k2 LiNbO3 ω3 n3oω3 = n1e (T )ω1 − n2oω2 IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? 15 GENERACIÓN DE IR POR MEZCLA DE FRECUENCIAS InSb Rama #3 ω1, ω2 Monitor potencia IR ω1 Rama #2 Filtro Ge ω3 Célula de muestra InSb Horno Modulador Electroóptico ω2 Rama #1 Célula de referencia InSb Resolución instrumental: 0.00005 cm-1 José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? 16 José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? 17 José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? ESPECTROSCOPÍA “RAMAN-INVERSA” O “DE PÉRDIDA RAMAN” 18 Caso particular de la espectroscopía Raman coherente: Acoplamiento de cuatro campos electromagnéticos a través de χ(3), que se hace resonante cada vez que la diferencia de frecuencia entre dos de ellos coincide con una transición del medio activa en Raman. ω1 ω2 ω3 ω4 ω1 ω2 ωR José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia ωR IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? 19 RAMAN INVERSO Chopper Ar+ 100 μs 12 ns Prisma (2) Láser de colorante amplificado Resolución instrumental: 0.0025 cm-1 José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia PC preamp boxcar Red de difracción IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? 20 OSC PID HVA1 HVA2 LOCK-IN Ar+ I2 or Te2 Pol FPI Pol Seeder LiNbO3 λ/2 AOM SHG Ar+ InSb λ/4 Chop per Nd:YAG Ir cell InSb EOM Raman cell Prism Dye Amplifier optical isolator Ring Dye Laser Dye Stab station. Diffraction grating Wavemeter BOXCAR FPI Preamplifier I2 cell ADC LOCK-IN PC LOCK-IN José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? 21 José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? SF6 22 Simulation 34 SF6 ν2 190K Hot bands Wavenumber (cm-1) José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? Doble resonancia Raman-Raman con resolución temporal 529 nm 532 nm 591 nm 594 nm V=2 3 2 1 0 J V=1 3 2 1 0 J 3 2 J 1 0 Ground state Bombeo José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia 23 Espectroscopía IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? El trabajo en el grupo de espectroscopía láser 24 • Técnicas desarrolladas “en casa”. • Fundamentalmente trabajo experimental. • Formación: – Quimica-Física y Espectroscopía. – Láseres y óptica lineal y no lineal. – Instrumentación, adquisición y tratamiento de datos. – Métodos numéricos. – Fontanería, mecánica, electricidad y bricolage en general. José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas? 25 CNRS / LISA (Orsay / Créteil): J-M. Hartmann, J-P. Bouanich, C. Boulet Université de Rennes: F. Thibault Université de Franche Comté: J. Bonamy, P. Joubert Université de Bourgogne: V. Boudon Università di Bologna: G. Di Lonardo, L. Fusina, E. Canè Instituto de Estructura de la Materia / CSIC: Dionisio Bermejo, José Luis Doménech, Angel Ramos, Raúl Martínez, Laura Gómez José Luis Doménech Instituto de Estructura de la Materia IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la Materia, Marzo 2007 ¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las atmósferas?