Brevet FR2008805A1 — publié le 19700123

■ 69 1609g 1 2008805 -'j- La. présente invention concerne un spectromètre à double faisceau, comprenant un diviseur de rayonnement qui oriente lé rayonnement provenant -de la source suivant deux trajets que ce rayonnement parcourt à tour dë rôle, alors 5 qu'un élément absorbant le rayonnement est inséré dans au moins l'un des trajets. Il existe déjà un tel speetrometre à double faisceau, dans lequel les pertes d'énergie dans les deux trajets peuvent être comparées par exemple par détection photo-électrique. 0 Le speetrometre connu utilise un diviseur de faisceau (par exemple un miroir semi-transparent) qui scinde l'énergie entrante en deux faisceaux de même intensité mais de directions différentes. La variation dans le temps de l'intensité s'obtient en insérant dans le faisceau, à plusieurs reprises, un corps absorbant à tour de rôle dans un faisceau 5 et dans l'autre. Le dispositif connu présente certains inconvénients. Tout d'abord, un commutateur mobile est nécessaire pour diriger le faisceau' soit suivant l'un des ttajets sôit suivant l'autre. Cela requiert de l'énergie mécanique, provoque de l'usure et s'effectue assez lentement. En 0 second lieu, le diviseur de rayonnement réduit de moitié l'énergie du faisceau. L'invention obvie à ces inconvénients. A cet effet, elle présente la particularité que le rayonnement de polarisation linéaire provenant de la source de rayons est commandé par un commutateur de polarisation 5 qui commute le plan de polarisation du rayonnement entre deux positions perpendiculaires entre elles, et que le diviseur de rayonnement est sensible à la polarisation. De préférence, le commutateur de polarisation est un élément mettant en oeuvre l'effet de Faraday. L'invention requiert donc l'emploi de mo-0 yens sensibles à la direction de la polarisation pour diriger le rayonnement, à tour de rôle, le long des deux trajets. Ces moyens peuvent Être constitués par un prisme de Wollaston, à double .réfraction, ou par une plaquette d'e germanium orientée selon l'angle de Brev/ster par rapport au faisceau' à polarisation linéaire, qui, à partir du com-5 mutateur de polarisation, parvient sur la plaquette» Le tels moyens forment ainsi une partie- du diviseur de rayonnement, et la direction du faisceau peut être commutée, pour ainsi dire instantanément, entre les deux trajets dont 'chacun comporte une cellule absorbant le rayonnement. L'une des deux cellules peut être une cellule de référence 0 ou un dispositif connu, par exemple être rempli d'un fluide à pouvoir gÀ'y . 69 16C9S a 2008805 dcabsorption connu» Dans une forme dé réalisation préférée, on utilise un' détecteur photo-électrique commun auquel se terminent les deux trajets de commutation, pour engendrer un .signal, courant alternatif dônt 1'"amplitude *dé-5 pend de la fluctuation'du rayonnement sur"le détecteur et donc de la-différence entre les pertes se produisant dans les deux trajets. Un perfectionnement possible de l'invention consiste à utiliser le signal courant alternatif pour* exciter un second commutateur de polarisation inséré dans l'un des deux trajets/afin de réduire les fluctuations au 10 minimum.» Dans des conditions avantageuses, cela peut entraîner une réduction de certaines imprécisions, par exemple une dispersion de fréquence et des variations de sensibilité du commutateur de polarisation dues à la température, ainsi que des variations de sensibilité du détecteur photo-électrique avec la température» 15 Pour obtenir l'effet compensateur le plus avantageux, la modulation de polarisation doit être symétrique par rapport à la vaieur qui, en l'absence de modulation, scinderait le faisceau exactement en deux parties égales, dont chacune suivrait l'un des deux trajets„ Dans le cas idéal, la modulation doit être de 45° de part et d'autre de cette 20 valeur» les éléments statiques, sensibles a la polarisation, utilisés comme analyseurs et autres, ne doivent pas introduire dcellipticité dans la polarisation,' car cela entraînerait probablement des erreurs lui ne pourraient ê'tre compensées d'une manière facile ou sûre. L'intensité du signal ainsi obtenu fournit alors sous forme de fluctuations 25 la différence désirée des pertes se produisant dans les deux trajets. La description qui -va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non liirïita-tif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. 30 Sur le dessin, une source lumineuse 1 émet (à l'aide de moyens non représentés) un faisceau 2 de rayons infra-rouges parallèles, polarisé linéairement et indiqué par une ligne en pointillés, vers un grenat (par exemple un grenat d'yttrium-fer ou un grenat semblable) constitué par un élément 3 mefctent si oeuvre 1! effet de Faraday; cet élément est dis-35 posé dans un champ magnétique déterminé par" le courant dcune source '4 qui fournit en fonction du temps un courant de forme .rectangulaire tel. que représenté par le diagramme cour an t--tem.ps 5; ce courant traverse une bobine d'excitation représentée symboliquement par 6 » Le plan'de polarisation du faisceau 2® transmis par l'élément 3 varie entre des 40 directions qui correspondent aux deux valeurs que lè courant I acquiert à des intervalles différènts du temps t. le courant de forme rec- 3AD ORIGINAL f 69 16095 3 2008805 tangulaire a une amplitude telle que les deux directions du plan de polarisation soient perpendiculaires entre elles» Le faisceau 2e parvient alors sur une plaque de germanium 7 qui forme un angle de 76°, 1:angle de Er-ev/sters avec le faisceau et qui est 5 orientée, par rapport aux doux p?ans de polarisation perpendiculaires entre eu;: du faisceau, de fcçcn que le rayonnement polarisé suivant l'une des deux directions ne subisse pratiquement pas de réflexion, de sorte qu'il est transmis pratiquement à 100 jî et forme alors le faisceau 8 (représenté en pointillés) tandis que le rayonnement polarisé 3 suivant l'autre direction est réfléchi à environ 87 i» et forme alors le faisceau 9 (représenté en traits pleins), tandis que le reste (environ 13 i<>) est transmis„ Le faisceau résiduel transmis 8 comporte environ 13 i* de rayonnement qui, dans le cas idéal, serait entièrement réfléchi et ces 13 peuvent être éliminés, bien que cela ne soit pas 5 nécessaire pour un bon fonctionnement du système, afin que la cellule contenant 1;échantillon absorbant le rayonnement soit traversée par un faisceau polarisé linéairement,, On dispose ainsi de deux faisceaux 6 et 9 à plans de polarisation perpendiculaires entre eux et, par suite de la présence dcun réflecteur 0 10 dans le trajet du faisceau 9» les faisceaux suivent des trajets parallèles. Dans chaque trajet est insérée une cellule de mesure 11-12 dont la face avant pe'ùt à nouveau former un angle de Brewster avec le faisceau correspondant pour assurer au besoin une sélectivité meilleure encore de la polarisation,, Un réflecteur 13 réfléchit l'un des deux fais-5 ceaux, à savoir le faisceau 8 de façon que les deux faisceaux 8 et 9 parviennent sur un détecteur photoélectrique commun 14, dont le signal de sortie électrique dans les lignes 15 est un signal de forme rectangulaire présentant la fréquence du courant indiqué sur le diagramme 5, sauf lorsque le détecteur 14 reçoit des faisceaux 8 et 9 de même in-0 tensité. Dan9fee cas, iT ne se produit pas de fluctuations„ Lorsque les cellules-11 et 12 absorbent dans la même proportion, il y a avantage à ce qu'il rïe se produise pas de fluctuations sur le détecteur 14 et ce résultat peut être obtenu par l'insertion d'un atténuateur 16 dans l'un des 69 16095 « 2008805 lorsque les faisceaux 8 et 9 ne sont pas polarisés d'une maniéré rigoureusement linéaire, le détecteur l4 perçoit moins de fluctuations car il reçoit simultanément un cartain rayonnement des deux directions mais on peut évidemment 'en tenir compte à l'aide de dispositions opti-5 ques ou électriques» Dans- ce cas* les mesures sont cependant moins précises à moins de recourir a une compensation» Une telle compensation est plus facile lorsque la déviation de la linéarité de la polarisation des faisceaux 8- et 9 est symétrique,, Une information Concernant l'absorption déterminante peut être dédui 10 te de ls amplitude du courant alternatif rectangulaire dans les lignes de sortie 15» Toutefois, il peut se produire des imprécisions de grandeur indésirable par sui-te 'de variations de la température ambiante du dispositif de Parâ'dây 3 ou du détecteur 14 ou encore de la rotation du plan de polarisation se produisant dans le dispositif de Faraday et 15 tributaire de la longueur dsonde du rayonnement incident. Pour réduire de telles imprécisions^ on utilise, comme compensateur, un second élément de Faraday 17 qui-est commandé, par voie électro-magnétique, par une bobine 18 à laquelle le signal de sortie du détecteur est appliqué par l'intermédiaire des lignes 15» Cet élément de Faraday doit être 20 disposé devant un polsrisateur„ Dans ce cas, le réflecteur 10 doit être remplacé.par exemple par un réflecteur en tirant parti de 1:effet de Brewster, La bobine 18 est orientée de façon qu° avec le réflecteur 10 sensible à la polarisation, il règle 15 atténuation du faisceau 9 de 25 façon que d5éventuelles fluctuations au détecteur 14 soient réduites à un minimum. Ce courant de compensation qui peut être un courant continu, est contrôlé à l'aide d'un appareil de mesure 20; comme il a été mentionné ci-dessus, la déviation- de cet appareil de mesure dépendra des absorp-30 tions relatives des cellules 11 et."12„ Toutefois, cette déviation sera beaucoup moins tributaire de la température et des effets de dispersion des éléments 3 et" Î4 que dans le cas précédent» Même lorsque, dans le système décrit, le dispositif de compensation est omis, on conserve l'avantage que l3on n3utilise pas de parties mo~ 35 biles ou de miroir semi-transmetteur„ Au lieu de la plaquette de germanium 7- disposée sous l'angle de Brer/ster, on peut utiliser un prisme à double réfraction étant donné que, comme on le sait, celui-ci. présente des coefficients de réfraction différents ..pour les-faisceaux de rayonnement à plans de polarisa-40 tion perpendiculaires entre eus» 69 16095 5 2008805 D'autres manières pour scinder des faisceaux à polarisation linéaire et les diriger suivant des trajets différents suivant leur polarisation méritent parfois la préférence L'une des cellules, dans le présent cas la cellule 12; sera fréquem-5 ment une cellule de référence mouvoir d:absorption connu, tandis que l'autre contient uns cuba tance inconnue à examiner. Pour une longueur d'onde déterminée dans le domaine infra-rouge, l'alcool éthylique, même utilisé en petites quantités, absorbe d'une manière étonnante„ Lorsque la cellule 11. contient un solvant pour l'al-0 cool éthylique et est exp'osée à une atmosphère ne comportant que des traces d'alcool éthylique, le rayonnement présentant cette longueur dconde déterminée .esb absorbé dans me proportion notable» La cellule 12 peut être une cellule' de référence ou contenir une substance qui absorbe le rayonnement dans la même proportion que la cellule 11 lorsque 5 celle-ci n'est pas exposée h l'alcool éthylique0 La cellule 12 n'est pas exposée à 1ealcool éthylique ni à une autre influence perturbatrice quelconque„ Une petite quantité d'alcool éthylique provoque- alors une fluctuation notable du rayonnement incident sur le détecteur 14 et provoque dans l'appareil de mesure 20 un courant d'inten-:0 3ité notable, proportionnelle auxdites fluctuationsa Une application importante de cet effet est la détermination de la quantité d'alcool éthylique contenue dans l'haleine de conducteurs de véhicules à moteur, do"nt on présume qu'ils ne sont pas à même de conduire leurs véhicules comme il convient, en les faisant souffler dans '5 une atmosphère qui Communique avec le solvant pour l'alcool éthylique dans la cellule 11, et en mesurant ensuite les fluctuations qui se produisent sur 1#détecteur 14» La source 1 doit être aussi monochromatique que possible pour obtenir une sensibilité optimale à la longueur d'onde qui est fortement ab'sbrbée par l'alcool éthylique, .0 Le signal de sortie- du détecteur photoélectrique 14? se produisant dans les lignes 15, peut être utilisé pour contrôler les déviations du 3ignal de référence 'd-'un servo-système 21, sensible à la phase, dont le courant de sortië est" contrôlé dans l'appareil de mesure 20» Ce courant fournit un champ magnétique pour l'élément de Faraday„ 69 16095 2008805 6 R-gvSRDICATIOÏÏS 1o Spectromètre à double faisceau, comprenant un diviseur de rayonnement qui oriente lé rayonnement provenant de la source suivant deux trajets que ce rayonnement parcourt h tour de rôle» alors qu'un élé-5 ment absorbant le rayonnement ect inséré dans au moins l'un des trajets, caractérisé en ce que le rayonnement à polarisation linéaire provenant de la source de rayons est commandé par un commutateur de polarisation qui commute le plan de polarisation du rayonnement entre deux positions perpendiculaires entre elles» et en ce que le diviseur de 0 rayonnement est sensible à la polarisation0 2, Spectrometré K double faisceau selon la revendication ^.. caractérisé en ce que les deux trajets parcourus par le rayonnement sont combinés et qu'un détecteur de rayonnement est inséré dans ce trajet combiné o 5 '3o Spectromètre h faisceau double selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que dans l'un des deux trajets est inséré un commutateur de polarisa.tion dont le signal d'alimentation est déduit du signal électrique engendré dans le détecteur» 4» Spectrometre à, faisceau double selon, la revendication 1, 2 ou 3, 0 caractérisé en ce que le commutateur de polarisation est constitué par des éléments, mettant en oeuvre l'effet de Faraday.