Brevet FR2499244A1 — publié le 19820806

La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif de détection et d'analyse thermique par fibres optiques ou tout autre matériau possédant des propriétés électrooptiques et une faculté de variation d'indice de réfraction devant différentes contraintes. Ces contraintes peuvent être thermiques, optiques, mécaniques, acoustiques, magnétiques, électriques ou chimiques. Une variation de température ÀT appliquée à un matériau electro- optique à variation d'indice de réfraction (exemple non limitatif= fibre optique monomode) change la phase de la lumière qui s'y propage en raison de la longueur ou de la qualité du matériau et de l'indice de réfraction dudit matériau.La différence de phase entre l'onde incidente et l'onde emergente est = tL= indice de réfraction t = longueur de la fibre ou du matériau \ = longueur d'onde de la lumière guidée Si ce principe est appliqué par exemple à un interféromètre type Mach-Zehnder dont l'ùn des bras est constitué par une fibre optique inonomode ou un matériau électrooptique à variation d'indice de réfraction, nous constatons à la détection ou sur un écran un défilement de franges (ou fréquence de battement) consécutif au déphasage de l'onde électromagnétique lumineuse. La présente invention a pour but de détecter, analyser et mesurer l'élévation de température d'une enceinte, ou un loc3l,ct d'en terminer les causes. L'élévation de température peut être progressive (exemple chauffage). Dns ce cas le principe de la présente invention permet la régulation thermique du local et peut asservir les appareils de chauffage. (économie d'énergie). L'élévation de température peut être rapide. Dans ce cas le principe de la présente invention permet de détecter un début d'incendie. La présente invention a donc pour objet un procédé et un dispositif d'analyse tres fiable puisqu'elle ne comporte pas d'éléments electroniques ou optoelectroniques succeptibles de dériver tels que les détecteurs Infrarouges (Bolomètres, thermopiles, photorésistances etc..) La présente invention a également pour objet un procédé et un dispositif d'analyse qualitative etquantitative des différent composants d'un échantillon gazeux ou liquide, en particulier en vue d'une mesure de pollutiofsanalyse pouvant se faire en continu ou périodiquement, procédé simple et rapide,et dispositif facileoet rapide àmettre en oeuvre, et d'un coût relativement fnible > ,et pouvant être facilement adapté à tous les problèmes d'analyse à l'intérieur d'une enceinte ou d'un local. Selon un procédé préféré conforme à la présente Invention, on utilise l'effet RADIAN, qui est un phénomène de diffusion dû aux molécules du produit ou de l'espace moléculaire atmosphère) recevant le rayonnement lumineux, et en particulier le phénomène de résonance optique des molécules excitées, effet ayant pour effet corollaire l'augmentation et l'agitation des molécules du produit ou de l'espace moléculaire illuminé. Selon le procédé de la présente invention, on mesure l'accroissement de température et/ou de pression, s'il 'agit d'un gaz, dû à ladite augmentation d'agitation. Selon d'autres aspects du procédé de la présente invention, on peut associer le rayonnement électromagnétique lumineux à un champ magnétique (effet ZEEMAN), ou à un champ électrique (effet SThRCK). On peut également, grâce à un balayage approprié, rendre mobile la source de rayonnement électromagnétique lumineux (nonochromatique), le produit ou l'espace moléculaire à analyser tant fixe ou mobile, les appareils détecteurs étant immobiles (effet DOPPLER-FIZEAU). Avec tous les effets précités, l'effet corollaire peut être la variation de l'intensité du rayonnement onochromatique dû à l'un de ces effets, et doncodont la fréquence est différente de celle du rayonnement monochromatique incident, ladite variation d'intensité étant fonction de la concentration du composant provoquant la variation de fréquence caractéristique. Le procédé selon la présente invention consiste alors à mesurer ladite variation d'intensité et à établir la valeur de concentration correspondante. Il est bien évident que l'on peut suivant la nature des produits ou de l'espace moléculaire à analyser, utiliser d'autres effets corollaires. On peut par exemple ns le cas de l'effet ROMAN, procéder à un comptage électronique des molécules excitées, ou mesurer le temps au bout duquel l'augmen tation d'agitation de ces molécules cesse. Selon un autre aspect du procédé de la prévente invention, on se sert du rayonnement à fréquence modifiée (ou déphasée) après passage dans le produit à analyser, en particulier dans le cas d'une faible concentration bien déterminée et produisant des effets corollaires faciles à mesurer. Selon un autre aspect du procédé de la présente invention, pour analyser un produit ou un espace moléculaire dont on ne connait pas la nature des composants, on module le faisceau monochromatique à l'aide d'une modulation continuement variable ou variable par échelons, et on détecte en synchronisme avec les variations de la fréquence de modulation les raies lumineuses dûes aux susdits effets de modification de fréquence des rayonnements incidents. Selon un autre aspect du procédé de la présente invention, on module le faisceau monochromatique avec une fréquence fondamentale dont on utilisera que certains harmoniques dans les cas oùl'excitation par une fréquence fondamentale égale à la fréquence d'excitat on n'est pas suffisamment puissante. Selon un autre mode de réalisation du dispositif de mise en oeuvre du procédé de l'invention, destiné à la mesure d'un produit ou d'un espace moléculaire comportant plusieurs composants, on prévoit un générateur de modulation, à plusieurs fréquences modulantes correspondant aux divers composants à détecter, chacune de-ces fréquences modulantes étant alternativement appliquée à un modulateur différent inséré sur le trajet de l'onde électromagnétique monochromatique. Etant donnée les faibles énergies mises généralement en oeuvre dans les guides d'onde (fibres optiques ou tous matériaux optiques), les systèmes d'analyse, précités,sont "anti-déflagrants". L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détail lée des 5 planches relatives à des modes de réalisation pris comme exemples non limitatifs. La figure 1 de la planche I représente un interféromètre type Mach-Zehnder. Ce système à caractère technologique non limitatif comprend un laser 1. Le faisceau du laver 1 et dirigé vers une cellule 3 en traversant deux cubes semi-transparents ou lames semitransparentes 5 et 6. Le cube semi-tronsparent 5 a pour rôle de diviser le faisceau laser 2 en deux faisceaux d'égales puissances, le faisceau laser 2 s'appelle faisceau direct ou faisceau de référence. Le deuxième faisceau laser entre dans un enroulement de fibre optique monomode 8 en traversant un filtre ant-calorique 7 pour ressortir et se coupler au faisceau direct 2 en traversant en traversant également un autre filtre antcalorique 7 .La cellule 3 recoit deux fréquences différentes =La première fréquence est issue 1e faisceau direct 2 et la deuxième fréquence est la fréquence dephasée issue de la fibre optique 8, cette dernière subissant les contraintes thermiques de l'environnement. La cellule 3 est reliée l'entrée d'un amplificateur alternatif 4 pour traitement. La fréquence de battement (ou franges) détectée par la cellule sera proportionnelle à la température détectée par la fibre optique ou le matériau electrooptique. Généralement cette fréquence augmentera de 20 HZ par degré centigrade et pour une longueur de fibre de 7m traversé par un rayon laser ayant une longueur d'onde de 5 328A, La fréquence de battement peut être multipliée électroniquement afin de traiter le signal à des fréquences plus hautes. La figure 2 de la planche I représente une variante du système de la figure 1. Le laser est remplacé par une diode electroluminescente(ou diode laser) 9. Le faisceau conique de la diode electroluminescente 9 est concentré par optique 10. Ledit faisceau direct 15 traverse un filtre interférentiel 11 et devient parallèlle à l'aide des deux fentes 12. Le faisceau de référence 15 traverse un cube séparateur 13 et un cube coupleur 14 avant d'atteindre la cellule de détection 18. Le deuxième faisceau se propageant dans le fibre optique ou le matériau électrooptique d'indice traverse eux filtres anticaloriques 16 afin d'éviter que des rayonnements harmoniques infrarouges reviennent sur le faisceau de reférence 15. Une fréquence de battement est donc détectée au niveau de la cellule 18 , suivie d'un amplificateur 19, equel est relié à des filtres passe-bande 20 dont le rôle est de selectionner les plages de température avant le traitement.Le filtre interférentiel 11 a pour rôle de rétrécir la largeur de bande d'émission de 1 diode electroluminescente. La planche II montre un procédé non limitatif de multiplexage optique. (mélange de X longueurs d'onde) Les diodes electroluminescentes 21, 22, 23 émettent à des longueurs différentes Les trois faisceaux issus de ces trois diodes traversent respectivement une optique de concentration et de guidage 24. Après avoir également traversé des cubes séparateurs ou lames semi-transparentes ZS et avoir subi des réflexions sur les miroirs 26, les trois fais ceaux donnent naissance à deux faisceaux lumineux multiplexés 29 a et 29 b. Par le jeu d'un miroir 26 et d'un cube séparateur 25, le faisceau multiplexé 29 a atteindra la cellule 27.Le faisceau multiplexé 23 b va être injecté au moyen de cubes séparateur 25 et de miroirs 26 dans trois fibres optiques d'indices différents ou trois matériaux electrooptiques d'indices différents. Le choix de l'indice dè refraction et la longueur des matériaux 30, 31, 32 sera fonction des longueurs d'onde multiplexées injectées afin d'obtenir des retards de phase différents et choisis. Après avoir traversé les trois matériaux précités, le faisceau multiplexé 29 b, par le jeu des cubes séparateurs 25 et miroirs 26, atteint La cellule 27 reliée à l'amplificateur 28. La cellule 27 recoit donc trois fréquences de battement et donne naissance à une analyse ou mesure de cinétique (analyse à temps réel). La planche III est une vue schématique et technique non limitative d'une installation de surveillance anti-incendiede sept locaux A, B, C, D, E, F, G. L'installation comprend un laser 34 ou autre source lumineuse monochromatique. Le faisceau laser(34 a)est est divisé par un cube séparateur35. L'un des faisceaux atteindra la cellule de détection 39 au moyen du cube semi-transparent 38. Ce faisceau précité constitue la fréquence de référence. Le deuxième faisceau issu du cube séparateur 35 traverse un cube séparateur 36 et se propage dans la fibre optique monomode 45. Après avoir traversé sept enroulements optiques ou sept matériaux optiques 46 (un dans chaque local), le faisceau de lumière, se propageant dans la fibre et les enroulements, est réfléchi par le miroir 44. L'énergie lumineuse revient par la même fibre 45, est réfléchie par le cube semi-transparent 36, est réfléchie par le miroir 37, traverse le cube semi-transparent 38 et atteint le détecteur 39. La cellule 39 détecte une fréquence de battement dont le seuil era choisi en fonction de la longueur de fibre optique, e son indice de réfraction, de la longueur d'onde du laser. La cellule de détection est reliée à un amplificateur 40, suivi des filtres de sélection thermiques 41. Les filtres précités 41 sont reliés à une electronique "Interface +Microprocesseur" 42, lequel est relié aux asservissements et alarmes 43.Les locaux à surveiller sont indiqués en 47. La planche IV schématisetpar un procédé non limitatif un système d'analyse moléculaire par fibre optique. Ce système comprend un driver laser continu ou pulsé 48, une diode laser 9 et un ensemble optique de concentration 50. Le flux lumi neux émis par la diode laser 49 est réfléchi par un miroir diviseur 51 vers l'optique d'injection 50 afin-de se propager dans le coeur de la fibre optique 36. Une partie du faisceau lumineux (de fréquence laser) sera déphasé au niveau des espaces d'analyse moléculaire 60. En effet, une fibre optique comporte une gaine de réfraction d'indice déterminé 57. An niveau des espaces d'analyse ;oléculaire 60, la gaine de réfraction est remplacée par les molécules constituant l'atmosphère ambiant60 et d'un miroir tubulaire 58.Ces zones d'analyse moléculaire 60 constituent une variation d'indice de réfraction pour la fibre optique et jouent le rôle de détecteur de molécules. Il est évident que le rayonnement laser est choisi en fonction de la/ou des molécules à détecter. Les deux locaux à surveiller sont représentés en 55. Deux fréquences lumineuses se propagent donc dans la fibre optique. La première fréquence est la fréquence directe issue du laser, elle se propage dans le coeur de la fibre optique. La deuxième fréouence est la fréquence du laser déphasée par l'indice de réfraction des molécules situées dans les espaces d'analyse moléculaire 60. Cette fréquence de battement est réfléchie par le miroir 59, et passe par l'optique d'injection 50. Le flux lumineux de retour (fréquence de battement) est réfléchi par le miroir séparateur 51, traverse une optique de focalisation afin d'être détecté par la cellule 55, suivie d'un amplificateur 54. La sortie 61 de l'amplificateur est reliée aux organes de traitement. La figure 1 de la planche V schématise une variante non limitative d'analyse par l'optique. Il s'agit de l'analyse moléculaire à distance. Le faisceau 67 du laser 62 traverse un cube séparateur semi-transparent 69, traverse ensuite un télescope 64 muni d'un filtre interféren tiel ou passe-bande 69. Le faisceau laser 67 est dirigé vers une cible 68 comportant des molécules à identifier. Ces molécu- les à identifier sont éclairées par le faisceau laser et rétrodiffusent une énergie lumineuse qui refléte leur identité. Le filtre nasse-bande ou filtre interférentiel 69 autorisera la cellule ou le photomultiplicateur 65 à détecter la retrodiffusion moléculaire. L'organe de détection 65 est relié à un amplificateur 66.gIne variante peut être apportée au montage de la figure 1 de la plancheV. Le laser 62 (source monochromatique fixe) peut être remplacé par un laser multifréquences (laser à colorant) ou une source bande large muni d'un mono-chromateur. Le filtre interférentiel 69 sera alors placé devant la cellule de détection et sera interchangeable fin de selectionner les longueurs d'onde rétrodiffusées. Avec un télescope nO 338 Spectra-Physics, une détection a été réalisée dans de bonnes conditions jusqu'à 150 M. La source était constituée d'un laser Spectra-Phycics La figure 2 de la planche V représente une autre variante techniquement et technologiquement non limitative. Cette technique d'analyse à distance par laser est basée sur le principe de la résonnance optique moléculaire décrit plus haut dans le texte du présent brevet.Le système d'analyse comprend un laser 70 dont le faisceau 77 est modulé par un modulateur acousto-optique ou par effet KERR, (ou diode laser modulé). Le faisceau modulé 77 traverse un cube se mi-transparent 72 et un télescope 73, et éclaire une cible ou environnement spatial moléculaire78.Suite à I'agittion thermique des molécules ddes à la résonance optique moléculaire, un signal de retour est capté par une cellule ou un photomultiplicateur 75 après avoir traversé un filtre interférentiel 74 interchangeable. Le détecteur est relié à un amplificateur 76. Le détecteur peut prendre la forme d'un détecteur thermique par fibre optique (ou matériau electrooptique à indice thermiquement variable, voir planche, figures 1 et 2). Actuellement, la technologie optique permet de onduler une diode laser jusqu'à 10 et 100 GHZ. (Diode laser + multiplicateur de fréquence). REVENDICATIONS 1. Procédé de détection et d'analyse caractérisé par le fait que l'on utilise la variation de phase d'un rayoriement électromagnétique se propageant sumultanément dans deux milieux d'indice différents. 2. Procédé de détection de d'analyse caractéripar le fait que l'on utilise la variation de phase d'un rayonnement électromagnétique se propageant simultanèment dans une multitude de milieux d'indices de réfraction différents. 3. Procédé de détection et d'analyse caractér- sé par le fait que l'on utilise la variation de phase d'un rayonnement electromagnétique se propageant simultanément dans une enceinte sous vide et différentes milieux d'indices de réfraction différents. 4. Procédé de détection et d analyste caractérisé sé par le fait que l'on peut utiliser tous milieux ou tous matériaux pour propager l'ensemble ou une partie du spectre électromagnétique. 5. Procédé de détection et d'analyse selon les revendications précédentes, caractérisé par le fait que le matériau dans lequel se propage le rayonnement électromagnétique reut être soumis a toutes sortes de contraintes = électromagnétiques, chimiques, physiques, électroniques/ électriques, magnétiques. 6. Procédé de détection et d'analyse selon les revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on utilise la différence de phase oW la variation de phase entre une onde directe et une onde émergente se propageant simultanément Sans un milieu d'indice de réfraction soumis à toutes sortes e contraintes ou perturbations physiques ou chimiques. 7. Procédé de détection et d'analyse selon les revendications précédentes, caractérisé par le fait que la variation de phase d'un rayonnement électromagnétique est utilisable -n détection thermique, en particulier pour la détection d'incen- lie, le contrôle et la régulation thermique d'une enceinte, d'un au plusieurs locaux. 8. Procédé d'nlse limitative et quantitati ve des différents composants d'un échantillon gazeux, liquide ou solide, en particulier en vue d'une mesure de pollution atmosphérique, caractérisé par le fait que l'on module un rayon laser ou tout autre source monochromatique selon des fréquences bien déterminées en fonction des différents composants recherchés dans l'atmosphère à analyser, que l'on fait propager dans les fibres optiques ou les matériaux optiques, que l'on détecte, après passage dudit rayonnement monochromatique dans l'espace moléculaire à analyser, la fréquence caractéristique du composant excité par ladite fréquence déterminée. 9. Procédé d'analyse selon la revendication 8 caractérisé par le fait que l'on utilise l'effet RAMAN en réglant la fréquence de modulation à une valeur permettant d'obtenir la résonan ce optique des différents composants à analyser et que l'on mesure l'accroissement de température ou de pression du produit à analyser. 10. Procédé d'analyse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on mesure la variation dNintenslté de l'onde monochromatique qprès passage à travers ledit produit ou ladite atmosphère à analyser. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on mesure le temps au bout duquel cesse l'augmentation d'agitation des molécules du produit excité. 12. Procédé d'analyse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on module le rayonnement électromagnétique monochromatique à l'aide d'une modulation continuêment variable ou variable par échelons et que l'on détecte en synchronisme avec les variations de la fréquence de modulation les raies lumineuses dues aux susdits effets de modification de fréquence des rayonnements incidents. 13. Procédé d'analyse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on module le faisceau électromagnétique avec une fréquence fondamentale dont on utilise que certains harmoniques. 14. Procédé de détection et d'analyse selon les revendications précédentes, caractérisé par le fit que l'on peut surveiller simultan-ment une multitude :e locaux. 15. Procédé de détection etc'analyse selon les evendicatons préodentes, caractérisé par le fait que l'on peu ultiplexer différentes longueurs d'onde dans un seul trajet op que. (fibre optique1 matériaux ou tous milieux) 16.Procédé de détection selon les revendicatiors récédentes, caractérisé par le fait que l'on peut réaliser des détecteurs passifs (thermique, sonore, ultrasonore etc..) 17. Procédé de détection et d'analyse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait nue l'on peut détecter la formation d'OZONE consécutif à une fuite de rayonnements nucléaires. 18. Procédé de détection et d'analyse selon l'une quelconque des revendicatnons précédentes, caractérisé par le fait que l'on peut associer différents capteurs sur une même fibre optique, matériaux, ou tous milieux de propagation électromagnétiqu e en particulier : incendie, régulation thermique, détection de présence, détection acoustique etc.. 19. Procédé de détection et d'analyse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on peut faire varier la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique se propageant dans les fibres optiques ou les matériaux composant le capteur ainsi que les dimensions physiques de ces derniers.