Brevet FR2086385A1 — publié le 19711231

i 2086385 La présente invention concerne un dispositif pour la mesure des vitesses locales d-*un milieu animé d'un mouvement d'écoulement, avec une première lentille pour la focalisation d'un faisceau de lumière laser sur le point de mesure 5 à l'intérieur du milieu, et avec de moyens optiques pour la superposition de la partie du faisceau qui traverse le milieu sans subir de diffusion avec une partie de la lumière diffusée par les particules du milieu. De tels&ispositifs , appelés le pluaéouvent 10 sondes d'écoulement laser-Doppler, servent à l'étude microscopique de champs de vitesses, par exemple pour les mesures de la couche limite dans les tunnels aérodynamiques, ou de mouvements de gaz, de liquides et de corps solideso Ils se distinguent des appareils de mesure classiques, tels que le tube de Pitot ou 15 dispositifs similaires, en ce qu'ils mesurent la vitesse sans contact et, par conséquent, sans perturber le champ de vitesses,, Ils permettent, en outre, de déterminer la répartition locale de la vitesse avec un pouvoir de résolution dans l'espace très élevé. 20 Une sonde d'écoulement laser-Doppler fonc tionne selon le principe fondamental suivant : On focalise le rayon lumineux d'un laser à émission continue sur le domaine que l'on désire étudier, à l'intérieur du milieu. Du fait des particules du milieu qui se 25 déplacent, la lumière laser diffusée subit un glissement de la fréquence, qui est directement proportionnel à l'indice de réfraction du milieu en écoulement, ainsi qu'à la valeur de la vitesse des particules diffusantes et au cosinus de l'angle définissant la direction de cette vitesse, et inversement propor-30 tionnel à la longueur d'onde dans le vide de la lumière laser «, Pour la mesure de ce glissement de fréquence, on focalise ensemble, sur un point d'un photo-détecteur, le rayon non diffusé et un rayon diffusé, et l'on obtient par ce moyen un signal de battement de fréquence basse, et par consé-55 quent exploitable, un signal dit d'hétérodyne. Selon la vitesse de l'écoulement, la fréquence du signal de battement se situe entre environ 100 Hz et 1 GHz . Des détails plus complets et des exemples de réalisation figurent par exemple dans le IEE J. of Quantum Electronics, 1966, pp. 260 à 266. 71 14740 2 2086385 Dans les sondes laser-Doppler connues, en raison des nombreux degrés de liberté, le réglage du système optique présente de grosses difficultés, car pour obtenir une valeur maximale du rapport signal-bruit du signal hétérodyne, 5 il faut amener en coïncidence les vecteurs du flux d'énergie (vecteurs de Poynting) du rayon de référence et du rayon du signalo L'objet de la présente invention est d'éviter les inconvénients des dispositifs connus, et de fournir 10 un dispositif du type cité dans le préambule, qui soit facile à régler. La tâche précitée est résolue ai ce qu'il est prévu une deuxième lentille 5» dont le plan focal coupe au point de mesure le plan focal de la première lentille 2, 15 ou coïncide avec celui-ci, cette deuxième lentille 5 convertissant la lumière diffusée et la partie de la lumière qui n'est pas diffusée en faisceaux lumineux 4, 6 dirigés parallèlement à l'axe optique z de la deuxième lentille 5 ; en. ce que, derrière la deuxième lentille 5» il est prévu, dans le 20 cheminement de ces faisceaux lumineux 4,6, une lame à faces planes parallèles 7 qui» selon son inclinaison par rapport à l'axe optique z de la dueixème lentille, superpose la partie non diffusée du faisceau 4 avec un faisceaux déterminé de la lumière diffusée ; en ce que, derrière ladite lame à faces 25 planes parallèles 7 est prévu un premier diaphragme 10 qui, de l'ensemble de la lumière quittant la lame à faces planes parallèles 7» ne laisse passer que le faisceau résultant 9 obtenu par superposition des faisceaux partiels diffusé et non diffusé, ce faisceau résultant 9 étant focalisé, après pas-30 sage dans le premier diaphragme 10, à l'aide d'une troisième lentille 11, sur l'orifice d'un deuxième diaphragme 12 ; et en ce qu'il est prévu un photo-détecteur 13, qui mesure l'intensité de la lumière qui passe par ce deuxième diaphragme 12« Ce dispositif présente l'avantage que le 35 réglage du système optique se limite seulement à un petit nombre d'opérations, dont la plus importante consiste à obtenir au point de mesure à l'intérieur du milieu, l'intersection ou la coïncidence des plans focaux des deux premières lentilles, afin que, lors de 1'éclairement avec de la lumière colimatée, 40 le faisceau de lumière diffusée et le faisceau partiel non 71 14740 5 2086385 diffusé soient parallèles entre eux après la deuxième lentille,, Il est particulièrement intéressant de choisir le dispositif optique de manière à utiliser le faisceau de lumière diffusée quittant le milieu selon une direction qui, 5 par rapport à l'axe optique de la deuxième lentille, est symétrique au faisceau partiel non diffuséo Ceci présente l'avantage d'éviter dans une grande mesure, grâce à la symétrie de la structure les distorsions du front d'onde par les dispositifs de représentation. La deuxième lentille, qui transforme les ra-10 yons du champ diffusé en Tin faisceau parallèle à son axe optique, ne sert alors pratiquement qu'à représenter des points disposés symétriquement par rapport à son centre. Pour des raisons de construction, ces points ont des caractéristiques optiques identiques, donc aussi des distorsiors de représentation identi-15 ques , par exemple des distorsions de front d'onde par aberration sphérique. Si, par conséquent, les deux faisceaux partiels se trouvent modifiés au passage par la lentille, la modification se fait de la même manière pour les deux faisceaux partiels, de sorte que les défauts de représentation n'ont pas 20 d'influence sur le résultat de la mesure» Selon une autre réalisation de l'invention, il est prévu d'insérer dans le cheminement du faisceau partiel non diffusé, derrière la deuxième lentille, un atténuateur, par exemple sous la forme d'un filtre gris, qui sert à ajuster le 25 rapport optimal entre l'intensité du faisceau de lumière diffusée et celle du faisceau partiel non diffusée Dans une outre r'-alisaticn avantageuse de l'objet de l'invention, des composants tels que : lame à faces planes parallèles, premier diaphragme, troisième lentille, deu-50 xième diaphragrre et détecteur photoélectrique, sont réunis en un sous-ensemble, la disposition choisie étant telle, que lorsque l'on inexine la lame à faces planes parallèles par rapport à l'axe optique de la deuxième lentille, le premier diaphragme avec la troisième lentille qui lui fait suite, le deuxième dia— 55 phragme et le détecteur photoélectrique, se déplacent dans une direction perpendiculaire à l'axe précité, de telle sorte qu'indépendamment de l'inclinaison de la lame à faces planes parallèles, le faisceau résultant passe toujours à travers le premier diaphragme, et par conséquent aussi par le deuxième,. Avec cette 40 disposition, le réglage du système optique est encore considéras» 71 14740 * 2086385 blement simplifiée L'invention sera expliquée ci-dessous plus en détail, à l'aide d'un exemple de réalisation représenté sur la figure lo j. montre un milieu 1, qui s'écoule dans la direction x , et que l'on éclaire avec la lumière d'un laser à émission continue 3» focalisée par la lentille 2. Du milieu 1, soèt un faisceau partiel sans être diffusé vers la lentille 5« Dans le champ de lumière diffusée, on n'a représen-10 "t© que le faisceau diffusé 6, dirigé symétriquement par rapport à l'axe optique z de la lentille 5» Qui sort également vers la lentille 5» La lentille 5 est réglée de manière que son plan focal (non représenté) coupe le milieu 1 dans le domaine où doit se faire la mesure. A la sortie de la lentille 5, le faisceau 15 partiel non diffusé 4 et le faisceau diffusé 6 âont parallèles et symétriques par rapport à l'axe optique z de cette lentille» Ces deux faisceaux arrivent alors sur une lame à faces planes parallèles 7» orientable dans le plan x-z, où ils se superpo-àent. Sur la face opposée à celle sur laquelle arrive la lumière, 20 cette lame est partiellement réfléchissanteo Entre la lentille 5 et la lame à faces planes parallèles 7» est inséré un filtre gris ajustable 8, qui sert à ajuster le rapport optimal entre l'intensité du faisceau diffusé et celle du faisceau partiel non diffusé. Le faisceau résultant 9 q^i sort de la lame à faces planes 25 parallèles 7 arrive sur le diaphragme 10, dont l'objet est d'intercepter tous les rayons qui ne sont pas destinés à subir le traitement ultérieur. Le diamètre de ce diaphragme est de l'ordre de 1 mm, et il est approximativement égal à celui du faisceau résultant. A l'aide d'une autre lentille 11, la lumière qui 30 quitte le diaphragme 10 est focalisée sur l'orifice d'un deuxième diaphragme 12. La lentille 11 reproduit donc sur le diaphragme 12, l'image du point de mesure situé dans le milieu 1. Le diamètre de l'orifice du diaphragme 12 détermine ainsi l'étendue du domaine à mesurer dans le milieu 1. Il est intéressant qu'il 35 ait un ordre de grandeur de l'ordre de lO^u. A l'aide d'un multiplicateur photoélectrique 13, on mesure l'intensité de la lumière qui traverse le diaphragme 12, et on la transforme en une tension électrique, que l'on applique à l'entrée d'un analyseur de fréquence 14. De tels dispositifs sont connus, et on ne s'y 40 étendra donc pas davantage® 71 14740 5 2086385 Pour terminer, on exposera encore une fois les opérations de réglage, dont l'importance est essentielle pour la qualité de la mesure. On ajuste le plan focal de la première lentille 2 sur le point de mesure, à l'intérieur du milieu 5 1. On procède ensuite au réglage du plan focal de la deuxième lentille, de manière que les deux plans focaux se coupent au point de mesure, ou qu'ils coïncident. Ce dernier cas se produit, par exemple, en cas de coïncidence des axes optiques des deux lentilles 2 et 5» L'opération de réglage suivante consis— 10 te à tourner la lame à faces planes parallèles 79 dans le plan x-z. On détermine ainsi la direction, du faisceau diffusé désiré quittant le milieu 1D II faut, ensuite, déplacer simplement, parallèlement à l'axe Z, le diaphragme 10, la lentille 11, le diaphragme 12 et le photomultiplicateur 13- Cette dernière opé-15 ration, consistant à tourner la lame à faces' planes parallèles 7, et la translation des éléments 10, 11, 12, 13 peut être simplifiée, en réunissant tous ces éléments en un sous-ensemble (esquissé sur le dessin par le coffret représenté en trait pointillé), et en prévoyant un mécanisme qui assure la translation 20 des éléments 10, 11, 12, 13» •lorsaue l'on oriente la lame à faces planes parallèles 7« L'organe de manoeuvre de la lame à faces planes parallèles peut être gradué directement en degrés d'angle, de manière à indiquer la valeur de l'angle sous lequel le faisceau diffusé désiré quitte le milieu 1„ 71 14740 6 2086385 BKVKWDI CATIONS 1. Dispositif pour la mesure des vitesses locales de milieux animés d'un mouvement d'écoulement, avec une première lentille pour la focalisation d'un faisceau de rayons 5 laser sur le point de mesure à l'intérieur du milieu, et avec des moyens optiques pour la superposition de la partie du faisceau qui traverse le milieu sans subir de diffusion avec une partie de la lumière diffusée par les particules du milieu, caractérisé en ce qu'il est prévu une deuxième lentille (5)» dont 10 le plan focal coupe au point de mesure cel^ai de la première lentille (2), ou coïncide avec lui, cette deuxième lentille (5) transformant la lumière diffusée et la partie non diffusée du faisceau en un faisceau lumineux (4,6) dirigés parallèlement à l'axe optique (z) de cette deuxième lentille (5) » en ce que 15 derrière la deuxième lentille (5)* dans le cheminement du faisceau lumineux (4,6) est prévue une lame à faces planes parallèles (7)» qui assure, selon son inclinaison par rapport à l'a» optique (z) de la deuxième lentille, la superposition de la partie non diffusée du faisceau (4) avec un faisceau partiel 20 déterminé de la lumière diffusée ; en ce que, derrière ladite lame à faces planes parallèles (7)s il est prévu un premier diaphragme (10) qui, de la lumière quittant la lame à faces planes parallèles (7)» ne laisse passer que le faisceau (9) résultant de la superposition des faisceaux partiels diffusé et 25 non diffusé, ce faisceau résultant (9), après passage par le diaphragme (10), étant focalisé, à l'aide d'une troisième lentille (11), sur l'orifice d*un deuxième diaphragme (12) } et en ce qu'un photodétecteur (13) est prévu, qui mesure l'intensité de la lumière qui passe par ce deuxième diaphragme (12) 30 2. Dispositif selon la revendication 1 ca ractérisé en ce que la lame à faces planes parallèles (7) superpose, au faisceau partiel non diffusé (4), un faisceau de lumière diffusée (6) dont la direction est symétrique à celle du faisceau partiel non diffusé, par rapport à l'axe optique de 35 la deuxième lentille. 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un atténuateur (8) est inséré dans le cheminement du faisceau partiel non diffusé (4), entre la deuxième lentille (5) et la lame à faces planes parallèles (7). 71 14740 7 2086385 4-e Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est prévu un mécanisme qui, lorsque l'on tourne la lame à faces planes parallèles (7) dans le plan défini par la direction d'écoulement du milieu (x) et l'axe optique 5 (z) de la deuxième lentille (5)* déplace simultanément dans ce plan, parallèlement à l'axe optique (z) de la deuxième lentille (5), les éléments qui se trouvent après la lame à faces planes parallèles (7)» à. savoir le premier diaphragme (10), la troisième lentille (11), le deuxième diaphragme (12) et le détecteur 10 photoélectrique (13).