Brevet FR2422155A1 — publié le 19791102

La présente invention concerne un dispositif pour étudier un milieu fluide (gazeux ou liquide transparent)par diffusion Raman anti-Stokes cohérente(DRASC). L'invention vise également l'application d'un tel dispositif, notamment à la mesure des fluctuations de densité et de température dans des écoulements gazeux pour étudier, par exemple, la combustion des gaz. La spectroscopie par diffusion Raman anti-Stokes cohérente consiste à superposer, de façon colinéaire, deux ondes cohé- rentes, l'une ayant une fréquence fixe-Wp, et l'autre une fréquence variable Ws . On induit, dans le milieu traversé par ces deux ondes, une polarisation à une fréquence égale à 2 Wp - Ws. Dans un milieu gazeux par exemple, dans leque2 les molécules gazeuses ont des fréquences propres de vibration-rotation égales à Wv X i X v,j l'onde créeede fréquence égale à 2 Wp - Ws devient très importante s lorsque la différence Wp - Ws des fréquences des deux ondes superposées coïncide avec les différentes fréquences propres de vibration-rotation Wv , j des molécules.L'intensité de l'onde diffusée sur la fréquence 2 Wp - W5 qui s'identifie alors avec la fréquence anti-Stokes WAS correspondant à la vibration-rotation v, j du gaz étudié, est proportionnelle au carré de la concentration des molécules du gaz. L'analyse de l'onde anti-stokes diffusée permet, par conséquent, de mesurer des densités gazeuses, et si on connaît la distribution de la concentration des molécules sur les différentes raies du spectre Raman, de déterminer les températures de vibration et de rotation de ces molécules. La spectroscope par diffusion Raman s'est développée notablement depuis l'existence des lasers. En effet, la finesse des raies obtenues par laser permet d'augmenter considérablement le pouvoir de résolution des dispositifs de diffusion Raman relativement aux appareils de spectroscopie Raman classiques. Dans les dispositifs de DRASÇ connus jusqu'à présent, les deux ondes superposées précitées sont obtenues par un laser à gaz continu de fréquence fixe et un laser continu à colorant accordable L'échantillon ou le milieu à étudier est placé à la sortie des deux lasers, sur le trajet des deux ondes superposées, ctest-à- dire à l'extérieur des cavités des deux lasers Le but de la présente invention est de perfectionner les dispositifs de DRASC connus, notamment en vue d'augmenter l'intensité de l'onde anti-5tokes formée lors de l'interaction entre les deux ondes superposées émises par les lasers. Le dispositif visé par l'invention comprend au moins deux sources de laser continues dont l'une est accordable en fréquence, des moyens optiques pour superposer les ondes émises par les deux sources de laser et des moyens pour détecter l'onde anti Stokes diffusée après interaction entre le milieu à étudier et les ondes superposées précitées. Suivant I1 invention, ce dispositif est caractérisé en ce que les cavités des deux lasers sont couplées, le-milieu gazeux à étudier étant placé dans ces deux cavités couplées. La puissance disponible à l'intérieur des cavités des deux lasers est au moins vingt fois plus élevée que la puissance disponible à la sortie de ces lasers. D'autre part, comme l'intensité diffusée est proportionnelle à N2 (Wp) I (Ws) où N est la concentration des molécules du milieu étudié et I(Wp), ItWs) les intensités délivrées respectivement par le laser à fréquence fixe et le laser à fréquence variable, en couplant les cavités des deux lasers, on augmente au moins quatre cents fois l'intensité de l'onde anti-Stokes diffusée relativement aux dispositifs de DRASC réalisés jusqu'à présent. Compte tenu de cette augmentation considérable de l'in- tensité anti-Stokes diffusée, il est possible de mesurer les fluctuations de densité et de température dans les écoulements gazeux avec une résolution temporelle de 10 micro-secondes et une précision de l'ordre du pourcent. En outre, il est possible d'obtenir un signal antistokes mesurable, à très faible pression (environ trente fois plus faible que dans les dispositifs connus) du gaz à étudier, ce qui présente un intérêt considérable en spectroscopie à haute résolution et en physique moléculaire. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs - la Figure 1 est une vue schématique d'un premier dispositif de DRASC conforme à l'invention, - la Figure 2 est une vue scbématique d'un second dispositif conforme à l'invention, - la Figure 3 est une vue schématique d'un troisième dispositif conforme à l'invention, - la Figure 4 est une vue schématique d'un quatrième dispositif conforme à l'invention. En référence à la Figure 1, on voit un laser 1 à gaz ionisé continu 1 dont la cavité est formée par le miroir M1 le prisme dispersif P1 , le miroir M2 et le miroir M3 . Le laser 1 fournit une onde de fréquence fixe Wp Le dispositif comprend, d'autre part, un laser accordable continu à colorant 2, dont la cavité est formée par les miroirs M4, Mg, le prisme dispersif P2, les miroirs M6, M7, le prisme dispersif P1 et les miroirs M2 et M3 . Cette cavité est couplée avec celle du laser 1, à l'aide du prisme dispersif P1, qui assure la superposition et la colinéarité de l'onde de fré quence W avec l'onde de fréquence variable Ws, issue du laser p accordable 2. Le laser accordable 2 est pompé optiquement et colinéairement par l'intensité Ip de tonde sortant de la cavité du laser fixe 1. La colinéarité de cette onde avec celle du laser accordable 2 est réalisée par les prismes à réflexion totale P3 et P4 et par le prisme dispersif P2. Le milieu gazeux 3 à analyser est placé entre les miroirs M2 et M3, c'est-à-dire à l'intérieur meme des cavités couplées des deux lasers 1 et 2. Entre le prisme dispersif P2 et le miroir M6 est placé un étalon Fabry Perot 4, dont le rôle sera expliqué ci-après. Le fonctionnement du dispositif précité est le suivant. Pour chaque milieu gazeux 3 à étudier, on règle grossièrement la fréquence Ws de l'onde issue du laser accordable 2, en orientant le miroir M8 (représenté en pointillé). On réalise ensuite le couplage des cavités des deux lasers I et 2 au moyen des miroirs M6 et M7, puis on enlève le miroir Mg. Le réglage fin de la fréquence W5 est obtenu au moyen de l'étalon Fabry Perot 4. L'onde anti-Sokes de fréquence WAs, obtenue après interaction des ondes superposées de fréquences W5 et Wp , est détectée au travers du miroir M3. Le laser à fréquence fixe 1 peut être, par exemple, un intracavité iaser a argon ionise ce puissance/egale a bu W environ, tournis- sant un rayonaement de longueur d'onde égale à 514,5 ranomètre. Le laser de fréquence variable a peut êtres par exemple4 un laser intracavité - a colorant de puissance/comprise entre 1 et 20 W , tel qu'un laser à rhodamine EG, dont la longueur d'onde peut varier de quelques dixièmes de manomètre La détection du faisceau an i-Stokes peut être réalisée au moyen d'un tube photomultiplicateur 5 recevant ce faisceau séparé de la luise parasite apres traversée d'un monochromateur à prismes P5 ou à réseaux, et d'un filtre interférentiel 6, comme indiqué sur la Figure 1. Le dispositif selon la Figure 1 s'applique, de préférence, à la spectroscopie Ram-n à haute résolution des gaz. Ainsi, ce dispositif permet1 à titre d'exemple, d'étudier le spectre Raman de l'azote à la pression atmosphérique, avec une résolution spectrale meilleure que 0,05 cm-1. Dans la réalisation de la Figure 2, le dispositif de DRASC comprend, comme dans celui de la Figure 1, un laser àgaz ionisé 1 de fréquence fixe, dont la cavité est constituée par les éléments M1, Pi, M2 et M3, et un laser accordable à colorant 2, dont la cavité est formée par les éléments M4, M5, P2, P1, M2 et M3. Ces deux cavités sont couplées, comme dans le dispositif de la Figure 1, par le prisme P1 et les miroirs M2 et M3. Le dispositif selon la Figure 2 comprend un laser auxi liaire 7, constitué par un second laser à gaz ionisé, dont la cavité est limitée par les miroirs Mg et M1o, et dont le faisceau de sortie Ip assure-le pompage optique du laser accordable 2. Le faisceau Ip est dévié sur le laser accordable 2 au moyen du miroir Mil Grâce à ce laser auxiliaire 7, on augmente la puissance de l'onde anti-Stokes de fréquence WAS d'un facteur compris entre 30 et 100 relativement au dispositif de la Figure 1. Ce résultat s'explique, notamment, par le fait que le laser à gaz ionisé 1 fonctionne sensiblement sans pertes, puisqu'il n'est pas utilisé pour le pompage optique du laser accordable 2.Par ailleurs, le rapport signal sur bruit de l'onde anti-Stokes détectée est notablement accru par rapport au dispositif de la Figure 1, car dans le cas du dispositif de la Figure 2, on peut stabiliser en intensité les deux ondes de fréquence Wp et Ws en contrôlant les courants dans les tubes à décharge des lasers à gaz. A titre d'exemple non limitatif. dans le cas du disDo intracairité sitif selon la Figure 2, la puissance/du laser à gaz 1 peut être comprise entre 150 et 200 W, et celle du laser accordable à colorant 2 comprise entre 3 et 60 W suivant le colorant utilisé. Grâce à ses hautes performances, le dispositif DRASC de la Figure 2 peut s'appliquer à l'étude des fluctuations de la densité et de la température dans des écoulements gazeux. A cet effet, on maintient la fréquence Ws de l'onde issue du laser accordable 2 à une valeur fixe, correspondant à la résonance sur un niveau déterminé de vibration-rotation des molécules de gaz de l'écoulement étudié. On observe alors les variations de l'intensité de l'onde anti-Stokes en fonction du temps. On peut ainsi suivre la variation de la concentration des molécules au niveau de vibration-rotation précité, lorsque la pression ou la température varie. Dans la réalisation de la Figure 3, le dispositif de DRASC comprend, comme dans les réalisations précédentes, un laser à gaz ionisé i de fréquence fixe dont la cavité est constituée par les éléments M1, P1, M2 et M3, et un laser accordable à colo rant 2, dont la cavité est formée par les éléments M4, Mg, P2, P1, M2 et M3. Ces deux cavités sont couplées par le prisme Pt, et les miroirs M2 et M3. Le milieu gazeux à étudier, contenu dans une cellule 8 appropriée, est placé sur le trajet optique M2 et M3 commun aux deux cavités des lasers 1 et 2. Comme dans le cas de la Figure 1, le pompage optique du laser accordable 2 est réalisé par le faisceau de sortie Ip du laser à gaz ionisé 1. Le faisceau d'intensité Ip est dévié sur le prisme P2, au moyen d'un miroir Mii Sur le trajet optique Mg, M2, de l'onde de fréquence Ws issue du laser accordable 2, sont placés quatre prismes dispersifs P2, P5 > P6, P1, les arêtes de dispersion des deux prismes extrêmes P2, P1 étant opposes aux arêtes de dispersion des deux prismes intermédiaires P5, P6 Grâce à ces prismes, on compense la dispersion angulaire, et les deux ondes de fréquence Ws et W p restent colinéaires sur toute la plage d'accord du laser accordable 2. Dans le cas de la Figure 3, la variation de fréquence du laser accordable 2 est réalisée par un filtre de Lyot 9 et un étalon Fabry-Perot 10 placés sur le trajet optique des miroirs M4 et M12* On corrige ainsi l'astigmatisme et ia coma. Le signal anti-Stokes de fréquence WAS obtenu après traversée de l'échantillon 8 est séparé des deux ondes de fréquences Wp et Ws par un monochromateur double 13, puis il est détecté par un photomultiplicateur 14 relié à un compteur de photons 15. Le spectre de diffusion Raman de l'échantillon 8 est relevé à l'aide d'un enregistreur XY 16. Le dispositif selon la Figure 3 est particulièrement adapté à l'enregistrement de spectres Raman d'échantillons gazeux divers, étant donné que la compensation de la dispersion obtenue grâce aux prismes P2, P5, P6 et P1 permet de faire varier la longueur d'onde du faisceau issu du laser à colorant 2 sur toute la plage d'émission du colorant utilisé, c'est-à-dire sur plus de 10 nanomètre avec un colorant tel que la rhodamine 6G. Le dispositif représenté sur la- Figure 4 est identique à celui de la Figure 3, excepté que le pompage optique du laser accordable 2 est réalisé au moyen d'un laser à gaz ionisé auxiliaire 7, comme dans le cas de la réalisation selon la Figure 2. Le dispositif selon la Figure 4 combine, par conséquent, les avantages du dispositif selon la Figure 2 (gain de puissance) avec les avantages du dispositif selon la Figure 3 (compensation de la dispersion). Le dispositif selon la Figure 4 peut, par conséquent, être appliqué à toutes les mesures et analyses pouvant être effectuées par les dispositifs selon les Figures 1 à 3, et en particulier au relevé de spectres Raman sur une grande plage de longueur sonde et à ltétude des variations en fonction du temps de la densité et de la température d'un milieu gazeux. Bien entendu, l'invention peut également être appliquée à l'étude par DRASC d'un milieu liquide, pourvu que ce dernier soit suffisamment transparent aux longueurs à'ondes mises en jeu. REVE?.TDICATI0:5 1. Dispositif pour étudier un milieu gazeux ou liquide transparent par diffusion Raman anti-Stokes cohérente, comprenant au moins deux sources de laser continues, dont l'une est accordable en fréquence, des moyens optiques pour superposer les ondes émises par les deux sources de laser et des moyens pour détecter l'onde anti-Stokes diffusée après interaction entre le milieu à étudier et les ondes superposées précitées, caractérisé en ce que les cavités des deux lasers sont couplées, le milieu à étudier étant placé dans ces deux cavités couplées. 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'un des lasers est un laser accordable à colorant. 3. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications i ou 2, caractérisé en ce que l'autre laser est un laser à gaz ionisé. 4. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les cavités des deux lasers sont couplées au moyen d'au moins un prisme dispersif placé sur le trajet optique des deux ondes issues des sources d laser. 5. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le pompage optique du laser accordable est réalisé au moyen du faisceau sortant de la cavité de l'autre laser. 6. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendi cations 1 à 5, caractérisé en ce que le 1&commat; pompage optique du laser accordable est réalisé au moyen du faisceau sortant d'un laser auxiliaire à fréquence fixe. 7. Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que le laser auxiliaire est un laser à gaz ionisé. 8. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens optiques pour compenser la dispersion angulaire de l'ondé issue du laser accordable. 9. Dispositif conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens optiques de compensation comprennent quatre prismes dispersifs placés sur le trajet de l'onde issue du laser accordable, les arêtes de dispersion des deux prismes extrêmes étant opposées aux arêtes de dispersion des deux prismes intermédiaires. 10. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications i à 9, caractérisé en ce que la variation de fréquence du laser accordable est réalisée par un filtre de Lyot et un étalon Fabry Perot. Application du dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 10, à la mesure des fluctuations de densité et de température dans les écoulements gazeux.