Brevet FR2581190A1 — publié le 19861031

DETECTEUR INTERFEROMETRIQUE DE GAZ La présente invention se rapporte à un détecteur interférométrique de gaz et vise, notamment, un dispositif de grande sensibilité permet- tant l'analyse de plusieurs gaz. On connaît déjà des dispositifs interférométriques pour l'analyse et/ou le dosage de gaz, ou d'identification de ces gaz. On utilise souvent dans ces dispositifs, comme moyens d'interféro- métrie, une lame biréfringente entre deux éléments polarisants associés à un filtre interférentiel, des moyens étant prévus pour régler l'épais- seur de la lame biréfringente afin d'ajuster la différence de marche introduite par cette lame. On joue, par exemple, sur la température régulée de cette lame, Un des éléments polarisants est mis en rotation pour assurer la modulation du système à la sortie duquel est disposé un détecteur fournissant un signal en cours d'analyse. Ainsi, dans un dispositif de l'art antérieur, l'image d'une source lumineuse émettant dans l'ultraviolet est formée sur un détecteur, à travers une cuve contenant le gaz à analyser et les moyens d'interféro- métrie et de modulation décrits ci-dessus. Un tel dispositif, utilisant comme éléments polarisants des films polarisants, par exemple, "Polaroid", l'un de ceux-ci tournant, est parfaitement au point pour les mesures à l'émission, mais il est cepen- dant souhaitable de pouvoir disposer d'un dispositif présentant une plus grande sensibilité et, de plus, utilisable sans modifications pour la détection de plusieurs gaz. Ainsi, dans le dispositif de l'art antérieur, certains des compo- sants sont relativement peu performants. Les polariseurs, notamment, dans la mesure o ils sont constitués par des films polarisants, présen- tent une absorption relativement élevée et un mauvais taux d'extinction. 2 5 8 1190 De même, le filtre interférentiel utilisé dans le dispositif de l'art antérieur a l'inconvénient de présenter, dans l'ultraviolet, une très faible transmission, 10 à 15%, et aussi de laisser passer une lumière parasite importante qui crée un bruit pouvant noyer les signaux faibles. La présente invention a pour objet de fournir un dispositif pour la détection de gaz par interférométrie présentant une grande sensibi- lité. Comme on le verra ci-après, le dispositif selon l'invention permet commodément l'analyse de plusieurs gaz. Un dispositif interférométrique selon l'invention, pour la détec- tion et/ou l'analyse de gaz dans un mélange gazeux, du genre comprenant un ensemble optique formant l'image d'une source lumineuse sur l'élément sensible d'un détecteur qui délivre un signal en réponse, cette image étant formée à travers une cuve contenant le mélange gazeux à analyser qui est suivie d'un ensemble d'interférométrie comprenant un filtre interférentiel et une lame biréfringente entre un polariseur et un analyseur, et comprenant aussi des moyens de modulation, ce dispositif est caractérisé en ce que le polariseur et l'analyseur consistent en deux prismes polariseurs, dont les axes optiques sont normaux à celui du dispositif et donnant chacun deux images photométriquement identiques mais polarisées rectilignement et perpendiculairement. Pour la modulation du signal, il est peu commode de faire tourner l'un des prismes, aussi peut-on avoir recours à une lame demi-onde tournant autour de l'axe optique du dispositif. Cependant, on sait que la rotation d'un composant optique dans un faisceau lumineux engendre toujours une modulation parasite qui peut devenir très gênante, surtout lorsque l'on veut détecter de très faibles signaux. L'invention prévoit de constituer les moyens de modulation par un modulateur photoélastique comprenant une lame de silice ou de fluorine excitée par une céramique piézoélectrique de manière à donner à ladite lame une biréfringence variable par compression. On arrive ainsi à supprimer toute modulation parasite. Parmi les inconvénients des dispositifs de l'art antérieur, figure aussi la très faible transmission du filtre interférentiel dans l'ultra- violet, 10 à 15%, ce filtre présentant également des "pieds" qui lais- sent passer une lumière parasite importante; cette lumière crée un bruit qui peut noyer les faibles signaux. 8 1190 L'invention prévoit de remplacer le filtre interférentiel des dispositifs de l'art antérieur par un réseau holographique ou gravé, par exemple pour l'ultraviolet entre 180 et 1.000 nm par un réseau hologra- phique concave de faible rayon de courbure, avec une fente d'entrée qui est l'image d'une fente source associée à la source lumineuse, et une fente de sortie conjuguée de la fente d'entrée et placée en regard du détecteur. La faible rayon de courbure, qui est de l'ordre de 100 nmm, permet d'obtenir une transmission importante d'environ 40% et les fréquences de coupure de ce système sont parfaitement définies, ainsi que sa bande passante, ce qui justifie pleinement son utilisation comme filtre. De plus, fréquences de coupure et bande passante peuvent être ajustées en changeant la largeur des fentes et, avec ce dispositif, il est possible de se caler sur plusieurs domaines spectraux, soit en maintenant les fentes fixes et en faisant tourner le réseau, soit en disposant plusieurs fentes de sortie correspondant aux domaines spec- traux que l'on s'est fixé et en les sélectionnant par obturations successives des différents domaines. Comme on le verra ci-après, on peut aussi utiliser un réseau plan, de façon plus générale tout dispositif démultiplexeur à réseaux. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs mieux de la description suivante donnée uniquement à titre d'exemple, en référence aux dessins annexes dans lesquels: - la figure 1 est un schéma d'une forme de réalisation d'un dispo- sitif interférométrique d'analyse de gaz selon l'invention; - la figure 2 est un schéma du détail du dispositif de la figure 1; - la figure 3 est une vue schématique d'un détail d'une forme de réalisation du dispositif comportant deux lames biréfringentes pour le traitement simultané de plusieurs gaz; - la figure 4 est une vue schématique, de dessus, de la sortie d'une variante du dispositif interférométrique selon l'invention, utilisant un réseau plan. Dans une forme de réalisation choisie et représentée par le schéma de la figure 1, le dispositif interférométrique selon l'invention est formé d'une source lumineuse S, (par exemple, une lampe quartz iode pour des longueurs d'onde supérieures à 280 nm ou une lampe au deutérium pour 2 5 8 1 1 90 des longueurs d'onde inférieures à 280 nm), d'une fente source Fo, de deux objectifs 01 et 02 (d'une distance focale de 100 mm chacun par exemple) dont les axes optiques sont confondus et alignés avec la fente Fo, et, entre ces objectifs, en partant de 01 successivement, d'une cuve à gaz C et d'un ensemble d'interférométrie I, qui sera décrit plus en détail et, à sa sortie, d'une fente F1 sur laquelle se forme l'image de la fente Fo à travers l'objectif 01, la cuve C, l'ensemble d'interféro- métrie I et l'objectif 02). Cette fente F1 constitue la fente d'entrée d'un réseau holographique H concave à faible rayon de courbure, et est associée à une fente de sortie F2 disposée devant l'élément sensible d'un détecteur PM qui délivre un signal s lorsqu'il est éclairé. L'ensemble d'interférométrie I se compose de deux prismes polari- seurs W1 et W2, à double image et de même nature et, entre ceux-ci, d'une lame biréfringente L et d'un modulateur photoêlastique M. Les deux prismes W1 et W2 sont deux prismes polariseurs à double image de même nature, par exemple deux prismes de Wollaston ou deux prismes de Rochon ou analogues. Ils peuvent être, par exemple, réalisés en fluorure de magnésium, leurs éléments étant adhérisés (et non collés). W1 et W2 sont des prismes de Wollaston à la figure 1. La lame biréfringente L est régulée en température pour un ajuste- ment de la différence de marche qu'elle introduit. Le modulateur photoélastique M est une lame de silice ou de fluorine excitée par une céramique piézoélectrique, ce qui donne à cette lame une biréfringence variable par compression. L'axe optique du modulateur M est parallèle à celui de la lame L. La figure 2 illustre le fonctionnement de l'ensemble d'interféro- métrie I, dans lequel W1 et W2 sont des primes de Wollaston. Le prisme W1 fournit à partir d'une onde plane de lumière natu- relle deux ondes incohérentes et polarisées perpendiculairement suivant P1 et P2. Le modulateur photoélastique M et la lame biréfringente L ont leurs axes parallèles et à 45 de P1 et P2 et fournissent deux couples d'ondes parallèles de polarisation (V1, V'1) et (V2, V'2). Les ondes de chaque couple sont cohérentes, déphasées de + et polarisées perpendicu- lairement (à 45 de P1 ou de P2). Le prisme W2 donne de chaque couple précédent deux nouveaux couples de deux ondes parallèles et polarisées parallèlement. On obtient donc, à la sortie, les couples 1, 2, 3, 4. Les deux ondes 1 interfèrent et sont focalisées par l'objectif 02 au point 1, 2 5 8 1190 avec une intensité proportionnelle à 1 + cos q. Les deux ondes 4, de la même façon, sont focalisées au point 4 avec une intensité 1 ±cos *. Quant aux couples 2 et 3, ils sont parallèles, focalisés au foyer de 02 et ont une intensité de 2(1-cos 6). Pour l'exploitation, il faut isoler un des trois points de focali- sation; on choisit, de préférence, le foyer de l'objectif 02' l'image y ayant une intensité double des deux autres images. Cela est obtenu par le placement judicieux de la fente F1 (figure 1). Comme on va le voir, le dispositif qui vient d'être décrit peut être appliqué au traitement simultané de plusieurs gaz. On notera qu'il est cependant nécessaire que les différents gaz recherchés présentent une bande d'absorption dans la même région spec- trale, par exemple ultraviolet/visible, 180 nm - 1000 nm, afin de pouvoir utiliser même source, même détecteur, même réseau holographique. Theoriquement, à chaque structure fine de gaz correspond une épaisseur optimale pour la lame biréfringente, mais la tolérance sur cette épaisseur n'est pas très sévère. En effet, la recroissance des franges correspondant à une structure fine de période 6a (a étant le nombre d'onde égal à 1/) a lieu à une différence de marche 1 A-_ sa mais plusieurs dizaines de franges réapparaissent avec un bon contraste. Dans le cas du gaz S02, A = ean = 100X O 10X; e étant l'épaisseur et An la biréfringence. On a une tolérance sur e égale à Ae = 10x/An; pour An =10-2, l = 300 nm (ultraviolet) ou à Ae = 0,3 mm, donc l'épaisseur e peut être comprise entre 2,7 et 3,3 mm. La tolérance est d'autant plus grande que le spectre est moins périodique. Des expériences ont montré qu'avec la même lame, on pouvait traiter simultanément S02, NO2, NO et 03, ce qui présente un grand intérêt pour les mesures en environnement et pour les mesures à l'émis- sion. Si une même lame ne peut convenir pour le traitement simultané de plusieurs gaz, il est possible de juxtaposer plusieurs lames d'épais- seurs convenablement choisies. Par exemple, on peut placer deux lames comme l'indique la figu- re 3. Les deuxolames biréfringentes L1 (épaisseur e1) et L2 (épais- seur e2) ont leurs axes parallèles et à 45 de ceux du modulateur photoelastique M. Cet ensemble permet de disposer simultanément des épaisseurs el + e2 et el - e2. La figure 4 illustre une variante de réalisation du dispositif interférométrique selon l'invention, dans laquelle le réseau hologra- phique concave H est remplacé par un réseau plan H', gravé ou holographique, placé directement derrière le deuxième prisme de Wollaston W2, de telle manière que les traits de ce réseau H' soient horizontaux, c'est-à-dire parallèles au plan de la figure 4 (vue de dessus du dispo- sitif). L'objectif de focalisation 02 des figures 1 et 2, qui est placé entre le prisme W2 et une fente F1, est remplacé ici par un objectif 0'2, à la suite du réseau H', qui forme une image F' de la fente source Fo sur l'élément sensible du détecteur PM, ce dernier délivrant un signal A. Comme précédemment, on obtient une image centrale d'intensité double de celles de deux images latérales et, de préférence, on utilise cette image centrale. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte pour cela de l'esprit de l'invention. 2 5 8 1 90 REVENDICATIONS 1.- Dispositif interférométrique pour la détection et/ou l'analyse de gaz, du genre comprenant un ensemble optique formant l'image d'une source lumineuse (S) sur l'élément sensible d'un détecteur, cette image étant formée à travers une cuve (C) contenant le mélange gazeux à analyser qui est suivie d'un ensemble d'interférométrie (I) comprenant un filtre interférentiel et une lame biréfringente (L) entre un analy- seur et un polariseur, associé à des moyens de modulation, caractérisé en ce que analyseur et polariseur consistent en deux prismes polariseurs (W1 et W2), dont les axes optiques sont normaux à celui du dispositif et donnant chacun deux images photométriquement identiques mais polarisées rectilignement et perpendiculairement et en ce que les moyens de modu- lation consistent en un modulateur photoélastique (M) comprenant une lame de silice ou de fluorine associée à une céramique piézoélectrique mise en vibration pour donner à ladite lame une biréfringence variable par compression, d'axe parallèle à celui de la lame biréfringente (L), le filtre interférentiel étant constitué par un dispositif multiplexeur à réseaux (H, H'). 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filtre interférentiel est formé par un réseau holographique concave (H) de faible rayon de courbure avec une fente d'entrée (F1) qui est l'image d'une fente source (Fo) associée à la source lumineuse (S) et une fente de sortie (F2) conjuguée de la fente d'entrée et placée en regard du détecteur (PM). 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les fentes d'entrée et de sortie étant fixes, le réseau (H) tourne en fonction du domaine spectral choisi. 4.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'à une fente d'entrée (F1) correspondent plusieurs fentes de sortie (F2) choisies en fonction des domaines spectraux désirés et obturables à volonté. 5.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filtre interférentiel est formé par un réseau plan (H'), gravé ou holographique, disposé directement derrière le second prisme (W2) et suivi d'un objectif (02) de focalisation d'une fente source (Fo) asso- ciée à la source (S), sur une fente de sortie (F'2) placée en regard du détecteur (PM). 6.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux lames biréfringentes (L1, L2).