-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
1
¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las
atmósferas?
José Luis DoménechGrupo de Espectroscopía Láser
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?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
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.
-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
3
-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
4
Espectro infrarrojo de la atmósfera de Titán tomado por el
Voyager I
-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
5
Espectro infrarrojo de la estatosfera terrestre registrados por
el ATMOS
-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
6
MIPAS (Envisat): algunos ejemplos.
-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
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.
-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
8
• 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.
• Validación de modelos teóricos y métodos de cálculo de
colisiones y potenciales intermoleculares
Espectroscopía de laboratorio
61 3095.360722 2.407E-24 2.056E+00.0390.0626
1919.75590.75-.006191 0 1 1 0 1F1 0 1 0 0 1 E 9F1116 8F2 10
332333332329 1 1 1 57.0 51.061 3095.365000 3.019E-23
9.116E-02.0510.0730 814.88450.65-.006000 0 2 0 0 1 E 0 0 0 0 1A1
12F2 57 12F1 2 352333312119 1 1 1 75.0 75.061 3095.371078 7.924E-20
2.786E+01.0580.0770 293.12300.72-.006000 0 0 1 0 1F2 0 0 0 0 1A1
8F2 30 7F1 1 552333312119 1 1 1 51.0 45.061 3095.379859 3.076E-25
4.371E-02.0290.0488 1593.04500.63-.006191 0 2 0 0 1 E 0 0 0 0 1A1
17E 49 17E 1 222333312129 1 1 1 70.0 70.061 3095.410282 4.982E-27
1.103E-03.0550.0883 1779.02480.63-.006191 0 2 0 0 1 E 0 0 0 0 1A1
18F1 75 18F2 2 222333312129 1 1 1 111.0 111.061 3095.418076
1.153E-25 1.089E-02.0470.0724 1592.35970.63-.006191 0 2 0 0 1 E 0 0
0 0 1A1 17F1 75 17F2 1 222333312129 1 1 1 105.0 105.061 3095.451847
4.247E-25 1.818E-02.0470.0714 1417.51980.63-.006191 0 2 0 0 1 E 0 0
0 0 1A1 16F1 70 16F2 2 222333312129 1 1 1 99.0 99.061 3095.458483
5.777E-26 2.327E-03.0470.0714 1417.12940.63-.006191 1 0 0 0 1A1 0 0
0 0 1A1 17F2 51 16F1 2 222333312129 1 1 1 105.0 99.061 3095.458959
1.813E-24 4.658E-02.0440.0831 1417.57930.63-.006191 0 2 0 0 1 E 0 0
0 0 1A1 16A1 25 16A2 1 332333312129 1 1 1 165.0 165.0
-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
9
Espectroscopía de alta resolución
• 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 (~10-2cm-1), ensanchamiento
por presión(~10-2 cm-1/atm).
• 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
( )0
PlI I e α ν−=
3095,0 3095,1 3095,2 3095,3 3095,4
0,0
0,3
0,6
Abso
rban
cia α(ν)P
l
número de ondas / cm-1
FWHM=0,0096 cm-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?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
10
Alta resolución instrumental
3095,0 3095,1 3095,2 3095,3 3095,4
0,4
0,6
0,8
1,0
trans
mita
ncia
número de ondas / cm-1
límite Doppler
0.005 cm-1
0.010 cm-1
0.015 cm-1
0.020 cm-1
0.025 cm-1
CH4 ,1 torr, 300 K
γD(FWHM)=0.0096 cm-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?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
11
-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
12
Ensanchamiento por presión
1131,96 1131,98 1132,00 1132,02 1132,04 1132,06 1132,08
0,00
0,03
0,06ab
sorb
anci
a
número de ondas / cm-1
Gaussiana
Lorentziana
Perfil de Voigt
γL(P) = γ0P
-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
13
LINEAS DE INVESTIGACIÓN del GRUPO DE ESPECTROSCOPÍA LÁSER
Problemas:
Caracterización de estados ro-vibracionales
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
Moléculas de interés atmosférico
Técnicas:
ALTA RESOLUCIÓN: (anchura instrumental ‘menor’que la anchura
Doppler)
Absorción de infrarrojogenerado por mezcla de frecuencias
(differencefrequency mixing)
Espectroscopía Raman estimulada (aka SRS) en su versión
Espectroscopía de pérdida Raman (aka Raman Inverso)
-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
14
(1) (2) (3)0( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ...P r t E
r t E r t E r t E r t E r t E r tε χ χ χ⎡ ⎤= + + +⎣ ⎦
r r r r r r rr r r r r r r% % %
GENERACIÓN DE IR POR MEZCLA DE FRECUENCIAS
LiNbO3
3 3 1 1 2 2( )o e on n T nω ω ω= −
ω1
ω2ω3
( ) ( ) ( ) ( )(2) 3 1 2 0 3 1 2 1 2 i ijk j kjk
P g d E Eω ω ω ε ω ω ω ω ω= ± = = ± ±∑
3 1 2ω ω ω= − 3 1 2k k k= −r r r
-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
15
ModuladorElectroóptico
Rama #3
InSb
InSb
InSb
ω3
Monitor potencia IR
ω2
ω1
Horno
GENERACIÓN DE IR POR MEZCLA DE FRECUENCIAS
ω1,ω2
Rama #2
Rama #1
Célula de muestra
Célula de referencia
Filtro Ge
Resolución instrumental: 0.00005 cm-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?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
16
-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
17
-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
18
ESPECTROSCOPÍA “RAMAN-INVERSA” O “DE PÉRDIDA RAMAN”
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
ωR ωR
ω1 ω2
-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
19RAMAN INVERSO
preamp
Ar+
Láser de coloranteamplificado
boxcar
PCRed dedifracción
12 ns
100 μs
Chopper
Prisma (2)
Resolución instrumental: 0.0025 cm-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?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
20
Ar+
OSC
PID HVA1 HVA2 LOCK-IN
FPI
Nd:YAGSeeder
SHG
AOMPol
Pol
λ/4
EOM
Ir cell
Raman cellPrism
Diffractiongrating
Chopper
Preamplifier
PC
Dye Stabstation.
Wave-meter
I2 cellFPI
Dye Amplifier
Ring Dye Laser
BOXCAR
ADC
InSb
InSb
I2 or Te2
LiNbO3
LOCK-IN
LOCK-IN
Ar+
opticalisolator
λ/2
-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
21
-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
22
Hot bands34SF6 ν2 190K
Wavenumber (cm-1)
Simulation
SF6
-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
23
Doble resonancia Raman-Raman con resolución temporal
Groundstate
J
J
J
594 nm
591 nm529 nm
3210
3210
3210
Bombeo Espectroscopía
V=2
V=1
532 nm
-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
24
El trabajo en el grupo de espectroscopía láser
• 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.
-
IV Curso de Introducción a la Investigación en Estructura de la
Materia, Marzo 2007¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio
de las atmósferas?José Luis DoménechInstituto de Estructura de la
Materia
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
¿Cómo ayuda la espectroscopía láser al estudio de las
atmósferas?Radiación electromagnética y detección remota.
Espectroscopía de laboratorioEspectroscopía de alta resoluciónAlta
resolución instrumentalEnsanchamiento por presiónDoble resonancia
Raman-Raman con resolución temporalEl trabajo en el grupo de
espectroscopía láser
