Brevet FR2628528A1 — publié le 19890915

INTERFEROMETRE ET PROCEDE D'ANALYSE GAZEUSE La présente invention a pour objet un nouvel interféro- mètre d'analyse gazeuse et le procédé d'analyse des gaz mis en oeuvre par cet interféromètre. Dans l'art antérieur et notamment on peut citer les demandes et brevets français suivants: brevet français 2 168 948 du 27 janvier 1972 brevet français 2 216 565 du 06 février 1973 10. ler certificat d'addition français 2 300 998 du 11 février 1975 2ème certificat d'addition français 2 340 540 avec priorité allemande du 05 février 1976 tous au nom de l'Agence Nationale pour la Valorisation de la Recherche (ANVAR), ainsi que le brevet français 2 581 190 du avril 1985 au nom de ELF FRANCE et dont l'un des inventeurs est inventeur de la présente demande. Dans ces divers docu- ments, on a décrit des dispositifs et des procédés d'analyse de gaz par interférométrie faisant appel à deux paramètres du spectre d'absorption du gaz: - d'une part la longueur d'onde moyenne de la bande d'ab- sorption; - d'autre part la structure fine souvent quasi-périodique de ce spectre. La bande d'absorption du gaz est isolée à l'aide d'un filtre interférentiel ou d'un monochromateur à réseau. Le paramètre lié à la structure fine est défini par un interféromètre à deux ondes, en travaillant à une différence de marche à telle que: 1 = o 6a ôa étant la périodicité en nombre d'ondes du spectre du gaz recherché. Un interféromètre de construction la plus simple est formé d'une lame biréfringente taillée parallèlement à l'axe, placée entre un polariseur et un analyseur. Dans le domaine spectral allant de 250 nm à 2 000 nm environ, on peut utiliser des matériaux synthétiques dichroiques connus dans le commerce sous la dénomination POLAROID. Ce ne sont pas des monocristaux mais des feuilles de macromolécules organiques orientées selon un quasi-alignement généralement obtenu par étirage. De tels matériaux: - permettent l'utilisation d'une étendue optique impor- tante, - sont peu encombrants et peu coûteux, cependant ils présentent les inconvénients: - d'absorber une fraction de la lumière, - de présenter un taux d'extinction assez faible aux bords dudit domaine spectral. Dans le brevet français 2 581 190 (ELF FRANCE) dont l'un des inventeurs est inventeur de la présente demande, on uti- lise pour la détection ou l'analyse gazeuse interférométrique une lame biréfringente, un polariseur, un analyseur ainsi qu'un modulateur comprenant une lame de silice ou de fluorine associée à une céramique piézo-électrique qui, mise en vibra- tion, donne à ladite lame une biréfringence variable par compression. De plus, un filtre interférentiel est constitué par un dispositif démultiplexeur à réseaux (H, H'). On a obtenu avec des dispositifs de ces types d'intéressants résul- tats dans la gamme de 180 nm à 1 000 nm environ, c'est-à-dire dans l'ultra-violet et le visible. Dans ce brevet, analyseur et polariseur sont des prismes de Wollaston. Ce matériel bien que performant est relativement coûteux et encombrant et ne travaille pas dans la gamme des infrarouges qui peuvent être très utiles dans la détection et l'analyse des gaz. Si l'on veut aller au-delà de ce domaine spectral allant de 180 nm à 1 000 nm ou de 250 nm à 2 000 nm (avec des maté- riaux POLAROID), dans l'état actuel de la technique, il faut recourir à des prismes polariseurs de type WOLLASTON (comme dans le brevet français 2 581 190), ROCHON, GLAN ou autre, en quartz ou en fluorure de magnésium, par exemple. On peut ainsi étendre le domaine spectral à environ 160 nm à 7 000 nm. Les principaux inconvénients de tels prismes polariseurs sont leur coût et surtout la faible étendue lumineuse qu'ils autorisent. La présente invention a donc pour but essentiel d'éviter les inconvénients de ces divers dispositifs antérieurs, c'est- à-dire, de disposer d'un ensemble interférométrique peu coû- teux et peu encombrant sur une étendue optique importante avec un taux d'extinction satisfaisant et donc une bonne étendue lumineuse. A cette fin, on élimine le polariseur et l'analy- seur en faisant appel à un'interféromètre du type SAGNAC dont la description est rappelée ci-après en se référant à la figure 1, interféromètre connu de l'art antérieur mais que, conformément à la présente invention, on transforme pour les besoins de l'analyse gazeuse interférométrique. L'interféromètre de SAGNAC représenté très schématique- ment figure 1 comprend une source lumineuse de tout type classique symbolisée par le point S émettant un faisceau lumineux dans la direction de la lame semi-réfléchissante placée à 45 par rapport au faisceau. Une partie du faisceau est réfléchie vers le haut (figure 1) et va suivre un trajet polygonal; elle est d'abord réfléchie à nouveau par le mi- roir M1 (par exemple à 22 1/2 par rapport au faisceau) vers la lame biréfringente LB. Celle-ci est suivie d'une lame demi- onde 1/2 et le faisceau qui en est issu est réfléchi par le miroir M2 (par exemple à 22 1/2) avec ledit faisceau, pour être à nouveau réfléchi en partie par la lame semi- réfléchissante LS, mais cette fois sur sa face arrière. L'autre partie du faisceau issu de la source traverse la lame semiréfléchissante et va suivre le trajet polygonal inverse de celui qui vient d'être décrit, c'est-à-dire: réflexion sur le miroir M2, traversée de la lame demi-onde >/2, et de la lame biréfringente LB, réflexion sur le miroir M, arrivée sur la lame semi-réfléchissante LS, une partie du faisceau la tra- versant. Les diverses lames et les divers miroirs sont de préfé- rence orthogonaux au plan de figure pour assurer la coïnci- dence des points d'entrée et de sortie des divers faisceaux atteignant la lame semi-réfléchissante LS et, de ce fait, la planéité du trajet polygonal (dans le plan de la figure 1). Selon l'invention, la lame biréfringente LB est taillée parallèlement à l'axe et placée sur l'un des bras de l'inter- féromètre (ici à titre d'exemple entre les miroirs M1 et M2). L'interféromètre est réglé à ce que l'on appelle une "teinte plate", c'est-à-dire que tout rayon incident donne naissance à deux rayons émergents confondus et sans déphasage entre eux. On notera que, conformément à l'invention, l'orientation de cette lame peut être quelconque autour de l'axe de symétrie de l'interféromètre. Dans le présent cas et, pour fixer les idées, on la supposera perpendiculaire à cet axe. La lame demi-onde >/2, conformément à l'invention, présente ses axes à 45 par rapport à l'axe de la lame biré- fringente LB. Cette lame demi-onde >/2 transforme une vibra- tion polarisée rectilignement en une vibration également rectiligne, mais symétrique de la direction de la vibration incidente par rapport à ses axes. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement la décomposition de la lumière de la source S, ici en lumière naturelle, en deux vibrations polarisées rectilignement, orthogonales entre elles et incohérentes. La vibration 1 est rectiligne dans le plan de figure, ainsi que l'axe de la lame LB, la vibration 2 est rectiligne mais orthogonale au plan de figure. Si l'on considère la vibration rectiligne 1 selon le premier parcours polygone décrit ci-dessus (marqué par des flèches simples sur la figure 1) , elle attaque la lame LB selon cette polarisation 1 et parcourt le chemin optique l1 à travers la lame: il = e x ne o: n est l'indice extraordinaire de réfraction; et e l'épaisseur de la lame LB e l'épaisseur de la lame LB. Elle traverse ensuite la lame demi-onde >/2 et en émerge suivant la direction 2. On la retrouve ainsi à la sortie de l'interféromètre. Si, maintenant, considérant toujours la vibration d'en- trée 1, on suit le second trajet décrit plus haut (représenté figure 1 par les flèches doubles), à la sortie de la lame: demi-onde 1/2, elle a pris la direction 2 et parcourt dans la lame biréfringente LB le chemin optique 12 tel que: 12 = e x no o: n est l'indice ordinaire de réfraction. o Les deux trajets suivis transforment la vibration 1 en vibra- tion 2, c'est-à-dire en deux vibrations polarisées parallèle- ment mais qui présentent entre elles une différence de chemin optique. 6 = 11 - 12 = e (ne - no) Comme ces deux vibrations sont parallèles, il est inu- tile d'utiliser un analyseur pour les recombiner. Elles pro- duisent un éclairement du type: E = E (1 + cos. 0) E étant l'éclairement initial, E l'éclairement final, et * ayant la valeur = 2116 o X est la longueur d'onde. Si maintenant, on raisonne sur la vibration 2 à l'entrée, on arrive à des résultats à la fois analogues et symétriques, c'est-à-dire que les deux vibrations à la sortie sont de type 1 polarisées parallèlement et présentant entre elles la même différence de chemin optique: = e (no - ne) avec le même éclairement: E - Eo (1 + cos Les vibrations suivant 1 et 2 étant incohérentes, les éclairements suivant ces deux polarisation s'ajoutent et fournissent au total: E' = 2 E (1 + cos 0) o o a la valeur ci-dessus définie. On vient de souligner que, grâce à ce dispositif, l'ana- lyseur est inutile puisqu'il n'est pas nécessaire de recombi- ner les vibrations émergeant de l'interféromètre. Pour mieux illustrer l'intérêt des dispositifs employés dans la présente invention, on se placera dans le cas d'une lame biréfringente suivie seulement d'un analyseur, la lumière naturelle est décomposée suivant les deux directions 1 et 2 orthogonales entre elles. La lame biréfringente ayant son axe à 45 des directions 1 et 2 des vibrations incidentes pour la raison qui sera expliquée ci-après, la vibration 2 se décompo- se à la sortie en deux vibrations l'une selon l'axe de la lame, l'autre orthogonale avec la différence de chemin op- tique: = e (ne no) tel que défini plus haut. Mais étant perpendiculaires entre elles, ces vibrations émergentes nécessitent un analyseur pour les recombiner. Si l'analyseur est en position 1, l'éclairement est: E = E (1 + cos 4) O S'il est en position 2, l'éclairement est: E = E. (1 - cos 4) o Eo et * ayant les valeurs ci-dessus définies. o Si l'on considère la vibration incidente 2, on va égale- ment observer un phénomène d'interférence mais complémentaire du précédent, c'est-à-dire que si l'analyseur est en posi- tion 1: E = E (1 - cos 4) o S'il est en position 2: E = E (1 + cos 4) o Or, les vibrations incidentes 1 et 2 sont incohérentes, donc les éclairements s'ajoutent et quelle que soit la position de l'analyseur, on obtient au total: E' = Eo (1 + cos 4) + Eo (1 - cos) = 2 Eo Ceci explique que l'on cale la lame biréfringente à 45 par rapport aux vibrations incidentes car il faut utiliser un polariseur à 45 de l'axe de la lame pour obtenir le résultat optimum. On se trouve donc dans l'obligation de disposer à la fois d'un analyseur et d'un polariseur, comme c'était le cas dans le brevet français 2 581 190 cité plus haut. Conformément à l'invention, on combine un interféromètre de SAGNAC (figure 1) avec tout ensemble classique comprenant une cuve d'échantillon entre les optiques adéquates, une fenêtre d'entrée et une de sortie de faisceau, un modulateur et un dispositif de filtrage ainsi, bien entendu, que le dispositif de détection nécessaire à la sortie. Pour mieux faire comprendre les caractéristiques techni- ques et les avantages de la présente invention, on va en décrire deux exemples de réalisation étant bien entendu que ceux-ci ne sont pas limitatifs quant à leur mode de mise en oeuvre et aux applications qu'on peut en faire. On se référera, en plus de la figure 1 ci-dessus décrite et qui représente schématiquement un interféromètre de SAGNAC, à la figure 2 qui représente schématiquement un interféromètre conforme à la présente invention et à la figure 3 qui en représente schématiquement une variante (figure partielle). Dans les deux figures, les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références. Une source S de tout type classique éclaire une fenê- tre F1 ayant de préférence la forme d'un trou. Sur l'axe du faisceau ainsi créé sont montés en série un objectif 01 dont le foyer objet est en F1, une cuve C pour l'échantillon à analyser, à parois extrêmes transparentes pour le passage du faisceau, un second objectif 02 puis la lame semi- réfléchissante LS, séparant les deux faisceaux, qui parcourent en sens inverses le même trajet polygonal sur lequel sont montés un modulateur M, la lame biréfringente LB et la-lame demi-onde X/2. Le trajet polygonal lui-même est défini par tout moyen adéquat, par exemple à l'aide des deux miroirs M1 et M2. A la sortie de ce trajet polygonal et de la lame semi- transparente LS, un troisième objectif 03 focalise le faisceau sur la fenêtre de sortie F2 constituée, de préférence, par un simple trou, un filtre interférentiel F étant intercalé. Un détecteur de tout type adéquat est monté en aval de la seconde fenêtre F2. Les conditions de travail de ce dispositif sont de préférence les suivantes: L'interféromètre est réglé à "teinte plate". Le modulateur photo-élastique M est à axe parallèle à celui de la lame biréfringente LB.- Les divers composants optiques et en particulier objec- tifs l, 02,' 03 lame semi-réfléchissante LS et modulateur sont en fluorine. La lame biréfringente LB est en quartz, en fluorure de magnésium ou en rutile. Le filtre interférentiel F peut être remplacé de deux façons: 1) par une grille dont le pas est égal au pas de franges obtenues avec l'interféromètre de SAGNAC pour la lon- gueur d'onde moyenne du spectre d'absorption étudié; 2) par un disperseur (prisme ou réseau) dont un montage indiqué Fig 4 à titre non limitatif est le suivant: On remplace dans l'interféromètre de SAGNAC (cf. figu- re 3) un des miroirs (ici M1 des figures 1 et 2) par un prisme de PELLINBROCCA P. Celui-ci a la propriété, du fait de ses caractéristiques, de provoquer pour une longueur d'onde donnée une dispersion de la lumière dans une direction perpendiculaire à la lumière incidente. Si la lame LS et le second miroir M2 font entre eux un angle de 45 , pour une longueur d'onde donnée, tout rayon incident donnera naissance à deux rayons émergents confondus, c'est-à-dire à une teinte plate dont la modulation du flux pourra être obtenue par les moyens. indiqués ci-dessus. Pour obtenir la modulation maximale pour une autre longueur d'onde, il suffit de faire tourner le prisme autour de l'axe perpendiculaire au plan de la figure 4 et passant par le point 1, intersection du rayon inci- dent et du rayon émergent. Lorsque le prisme est en position P, le faisceau par- court le chemin ABC avec réfraction en A, réflexion en B et réfraction en C. Lorsque le prisme est en position P', le faisceau parcourt A'B'C' dans des conditions équiva- lentes avec réfraction en A' et C' et réflexion en B', mais l'indice de réfraction pris ici en considération est celui correspondant à une nouvelle longueur d'onde pour laquelle la modulation est maximale. Une telle disposition permet d'obtenir la résolution théorique du disperseur avec une étendue optique limitée uniquement par les dimensions des composants de l'inter- féromètre, mais de toute façon nettement plus importante par rapport à un spectromètre à fentes utilisant le même disperseur. Ce dispositif peut donc être utilisé comme filtre de longueur d'onde mais il peut être également utilisé indépen- damment en vue de la spectrométrie à infrarouge à haute réso- lution, au même titre que la spectrométrie par transformée de FOURIER, en présentant, à résolution égale, par rapport à cette dernière, l'avantage d'une luminosité beaucoup plus grande et cela sans qu'il soit nécessaire de passer par des calculs de transformation de FOURIER numérique. Revenant à la disposition de la figure 2, on obtient les franges en déplaçant par translation l'un des miroirs M1 ou M2 de l'interféromètre à partir de la position correspondant à une teinte plate. Le pas i des franges à la sortie du dispositif est donné par la formule: I XF . T dans laquelle: X est la longueur d'onde; F la focale de l'objectif 03; et T le dédoublement des rayons émergeant de l'interféromètre donné par la formule: T = 1,53 d dans laquelle: d est le déplacement en translation du miroir par rapport à sa position en teinte plate. On notera que, conformément à l'invention, le modulateur photo-élastique M peut être remplacé par un équivalent à savoir par la vibration d'une grille placée dans-le plan des franges ou encore par la vibration de l'un des miroirs M ou M2, par exemple, en montant celui-ci sur une céramique piézo- électrique. Le procédé d'analyse conforme à l'invention est basé sur le fonctionnement suivant: Après avoir soigneusement purgé la cuve, on introduit le gaz à analyser; la source S étant allumée émet un faisceau de lumière dans la gamme de longueurs d'onde o le gaz recherché absorbe. Elle éclaire le diaphragme F1 placé dans le plan focal de l'objectif O1 afin de collimater le faisceau à tra- vers la cuve contenant le gaz qui absorbe l'énergie lumineuse pour un certain nombre de longueurs d'onde correspondant par exemple aux énergies de vibration et de rotation du gaz. A la sortie de la cuve, le faisceau est focalisé sur la lame LB à l'intérieur de l'interféromètre de SAGNAC réglé à la teinte plate. Comme indiqué plus haut, cette lame a son axe à 45 des axes de la lame 1/2 et ce même axe parallèle à celui du modulateur dont le rôle est de modifier périodiquement la différence de chemin optique provoquée par la lame LB afin de moduler uniquement le terme d'interférence qui contient les informations quantitatives sur la présence du gaz recherché, comme cela est indiqué dans les brevets références ci-dessus. Ce terme d'interférence apparait à la sortie de la lame semi-réfléchissante LS et son énergie est focalisée par l'ob- jectif 03 sur le diaphragme F2 et est reçue par le détecteur D après filtrage par le filtre interférentiel F qui isole le domaine de longueur d'onde o le gaz absorbe. Le signal déli- vré par le détecteur D est traité par détection synchrone de la fréquence du modulateur, ce qui fournit un signal continu dont le niveau est proportionnel à la concentration du gaz recherché. A titre d'exemple, on supposera que dans le mélange gazeux à analyser, on recherche le gaz HCl. On va travailler de préférence dans les conditions correspondantes suivantes: - la source est une lampe quartz iode 100 W, 12 volts; - les composants objectifs, fenêtres de cuve, lame semi- réfléchissante, modulateur sont en silice; - la lame biréfringente est en spath et a une épaisseur de 3,65 mm; - la lame 1/2 est en quartz; - le détecteur est une cellule photoconductive en germa- nium; - le filtre interférentiel est centré à 1,75 p avec une O bande passante de 220 A. REVENDICATIONS 1.- Dispositif interférométrique d'analyse gazeuse comprenant une source S, émettant un faisceau, l'optique F1, 01, 02' 031 F2 faisant passer le faisceau dans une cuve du gaz à analyser, puis par un interféromètre LS, M1, M2, LB, X/2' proprement dit et l'amenant à un détecteur D recevant le faisceau issu de l'ensemble, caractérisé par le fait qu'il est essentiellement constitué par un interféromètre de SAGNAC sur une branche duquel est intercalé un modulateur M, associé à un dispositif filtrant F, P les longueurs d'onde. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le dispositif filtrant est un filtre interféren- tiel F. 3.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le dispositif filtrant est constitué par un dis- perseur disposé en lieu et place de l'un des miroirs M1, M2 de l'interféromètre de SAGNAC. 4.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le disperseur est un réseau. 5.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le disperseur est un prisme P, P'. 6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le disperseur est un prisme P de PELLIN-BROCCA dispersant la lumière pour une longueur d'onde donnée et une incidence donnée selon une direction d'émergence perpendicu- laire à l'incidence. 7.- Dispositif selon l'une des revendication 1 à 6, caractérisé par le fait que le modulateur M est un modulateur photo-élastique. 8.- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le modulateur M est à axe parallèle à celui de la lame biréfringente LB de l'interféromètre de SAGNAC. 9.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la lame demi-onde X/2 de l'inter- féromètre de SAGNAC présente ses axes à 45 par rapport à l'axe de la lame biréfringente LB. 10.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le dispositif filtrant est réglable en longueur d'onde. 11.Procédé d'analyse gazeuse par interférométrie, caractérisé par le fait qu'il utilise le dispositif selon l'une des revendications 1 à 10. 12.- Procédé selon la revendication 11, caractérisé par le fait que l'interféromètre est réglé en teinte plate. 13.- Procédé selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé par le fait que l'on travaille à chacune des longueurs d'onde correspondant aux énergies de vibration et de rotation du gaz recherché. 14.- Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait que l'on règle le dispositif de filtrage successive- ment auxdites longueurs d'onde.