Brevet FR2641074A1 — publié le 19900629

L'invention concerne un système interférométrique particulier et un dispositif pour-la détection et la mesure de la concentration d'un gaz dans un mélange gazeux, la structure d'absorption dudit gaz étant quasi périodique dans une bande spectrale déterminée. Ce dispositif permet d'utiliser des matériaux de faible biréfringence et est en particulier destiné à l'analyse des gaz dans l'infrarouge. La mesure de la concentration d'un gaz par l'étude de son spectre d'absorption a fait l'objet de plusieurs brevets portant sur des dispositifs interférométriques mettant en oeuvre le formalisme de Fourier. En effet, pour un gaz présentant localement, dans une bande de l'échelle des nombres d'onde, un spectre d'absorption quasi périodique de période p, la transformée de Fourier du spectre produit par un système interférométrique placé sur le trajet d'un rayon lumineux ayant traversé un mélange contenant ledit gaz, présente un maximum mesurable sur le signal transmis par le système interférométrique pourAc = 1/p,A c étant la différence de marche caractérisant ledit système. Ce maximum traduit la similitude du système de franges produit par le système interférométrique avec le système de franges du spectre d'absorption du gaz. Dans les brevets français publiés sous les numéros 2.340.540, 2.555.748, 2.566.748, 2.566.532 et 2.581.190, on a décrit des dispositifs interférométriques pour la détection d'un gaz dans un mélange. Ces dispositifs, dans leur forme la plus simple, comprennent comme interféromètre une lame de matériau biréfringent, de biréfringenceAn et d'épaisseur e, taillée par exemple parallèlement à l'axe du matériau et fournissant une différence de marche d= e xA n. Ainsi, le dispositif le plus simple, décrit dans la publication FR.A.2. 340.540 comprend, successivement le long d'un même axe optique: une source à spectre d'émission continu, un objectif, une cuve à gaz contenant le mélange à analyser, un filtre isolant la bande d'absorption du gaz recherché, un polariseur, une lame biréfringente, un analyseur, un objectif, un diaphragme se trouvant au foyer image dudit objectif et un détecteur transformant l'énergie lumineuse en signal électrique, par exemple un photomultiplicateur, avec lequel on étudie le phénomène d'interférence. L'épaisseur de la lame, adaptée au gaz recherché, est choisie pour obtenir derrière un objectif un ordre d'interférences correspondant à un maximum d'éclairement du phénomène d'interférences en présence de la substance étudiée. Pour une lecture aisée et précise du signal de sortie, le flux lumineux est modulé grâce à la rotation du polariseur ou de l'analyseur, de manière à former alternativement dans le plan focal de l'objectif un système de franges donné, ou son complémentaire, lorsque le polariseur et l'analyseur sont parallèles ou perpendiculaires. La rotation de l'analyseur ou du polariseur se fait à la fréquence f, de sorte que le terme d'interférence est modulé et le signal délivré par le détecteur présente une fréquence double 2f. L'amplitude de ce signal de sortie est proportionnel à la concentration du gaz recherché, circulant dans la cuve placée devant l'interféromètre. L'intérêt de ces dispositifs réside dans leur faible encombrement, leur très grande stabilité et la facilité avec laquelle on peut moduler le signal, soit par rotation de l'analyseur et du polariseur, ou bien par rotation d'une lame A/2 ou encore par utilisation d'un modulateur photoélastique, ou par vibration d'une grille périodique. Leur inconvénient réside dans le fait que dans 'le domaine spectral étudié, domaine qui comprend le domaine d'absorption du gaz ou des gaz recherchés, il n'est pas toujours facile de trouver des matériaux, pour la fabrication des polariseurs et analyseurs et de la lame biréfringente, qui permettent de réaliser l'analyseur à faible coût. C'est le cas en particulier du domaine de l'infrarouge entre 2gm et 8gm. Dans ce domaine, la réalisation des polariseurs et analyseurs pose également des problèmes. L'absorption des films polarisant infrarouge ne permet pas d'aller au-delà de 2,5gm. Le spath ne peut être utilisé car au- delà de 2,5gm, il devient dichroïque. Les matériaux synthétiques dichroiques connus dans le commerce scus le nom de POLAROID , couramment utilisés dans le visible et l'ultraviolet, ne sont pas utilisables dans l'infrarouge. On donne dans le brevet français 2.581.190 une solution pour aller au-delà de 2,5gm qui consiste à recourir à des prismes polariseurs de type Wollaston en quartz ou fluorure de magnésium. Les principaux inconvénients de ces polariseurs sont leur coût et la faible étendue lumineuse qu'ils autorisent. Des problèmes plus aigus encore se posent pour la réalisation de la lame biréfringente. Prenons un exemple. Ainsi, pour fabriquer une lame biréfringente utilisable dans l'infrarouge, deux matériaux en particulier peuvent être utilisés: le rutile de biréfringence An = 0,2, et le fluorure de magnésium de biréfringence n = 102. Le CO présente à 4,6gm une bande d'absorption avec une structure fine d'absorption de périodicité = 2cm-1. L'épaisseur de la lame nécessaire dans ce cas est eo0, telle que eo8n= 1/&-, ce qui donne une épaisseur égale soit à 500 mm dans le cas de la lame en fluorure de magnésium -ce qui est impossible à réaliser- soit à 25 mm dans le cas de la lame en rutile, ce qu'il est impossible d'envisager dans l'industrie du fait du coût prohibitif qu'atteindrait la fabrication d'une lame de telle épaisseur. Parce qu'elle nécessite des épaisseurs et des coûts trop importants, la trop faible biréfringence des matériaux, utilisables par exemple dans l'infrarouge, conduit à l'impossibilité de fabriquer un dispositif d'analyse interférométrique utilisant une lame biréfringente comme décrit précédemment succinctement et plus en détail dans le brevet FR.A.2.340.540. L'invention, tout en gardant les avantages des dispositifs de l'art antérieur, permet d'éviter cet inconvénient et a pour but de compenser la faiblesse de biréfringence de certains matériaux utilisables pour la fabrication de la lame biréfringente, en particulier nécessaire à la réalisation de la famille de dispositifs référencés plus haut, et de diminuer l'épaisseur de ladite lame. Le but est atteint grâce à un système interférométrique combinant un interféromètre biréfringent tel que décrit précédemment, ce qui permet de conserver la facilité de modulation, et un interféromètre isotrope constitué d'une lame à faces parallèles au coefficient de réflexion R suffisamment important, par exemple R = 0,3. Une telle lame isotrope permet de créer, à partir d'un rayon incident, deux rayons transmis, l'un directement, le second après réflexion interne sur chacune des deux faces de la lame, la différence de marche entre ces deux rayons transmis étantA = 2n.e o n est l'indice du matériau utilisé pour la lame isotrope et e son épaisseur. L'association d'une lame biréfringente et d'une lame isotrope a pour conséquence de dédoubler le nombre de rayons obtenus avec une seule lame biréfringente et de disposer en sortie de différences de marche plus élevées que celle obtenue avec la seule lame biréfringente, donc de diminuer l'épaisseur de lame biréfringente nécessaire. Pour la détection et la mesure de la concentration d'au moins un gaz dans un mélange gazeux, le système interférométrique selon l'invention est intégré à un dispositif optique comprenant sur un même axe optique une source à large spectre dont le faisceau lumineux est focalisé à l'infini par un objectif, traverse une cuve à gaz contenant le mélange dans lequel circule le gaz à analyser, un filtre interférentiel pour isoler la bande spectrale spécifique du gaz recherché, un polariseur, un modulateur, une lame biréfringente, une lame isotrope, un analyseur, un objectif de focalisation et un détecteur situé dans le plan focal dudit objectif. L'ordre dans lequel se trouve le modulateur, la lame biréfringente et la lame isotrope, entre le polariseur et l'analyseur, n'a pas d'importance. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite, en référence à la figure 1 annexée qui illustre schématiquement l'ensemble du dispositif selon l'invention, et à la figure 2 qui schématise, en fonction de la différence de marche les zones pour lesquelles on obtient un signal d'intensité I exploitable. Sous une forme de réalisation, plus particulièrement destinée à l'infrarouge, le dispositif de détection et de mesure de la concentration d'au moins un gaz contenu dans un mélange gazeux tel qu'il est représenté sur la figure 1 comprend une source lumineuse 1, qui peut être un globar, un objectif 2, la cuve à gaz 3, un filtre interférentiel 4 isolant la bande infrarouge, un polariseur , un modulateur 6, une lame biréfringente 7, une lame isotrope 8, un analyseur 9, un objectif de focalisation 10 et un détecteur 11. Les polariseur et analyseur sont des grilles unidirectionnelles et périodiques, la période étant adaptée au domaine fréquentiel Etudié qui sont parallèles ou perpendiculaires l'une par rapport à l'autre, et sont disposées l'une et l'autre à 45 degrés des axes de la lame birEfringente 7 et du modulateur 6. La lame isotrope 8, d'épaisseur e et d'indice n créant de ce fait une différence de marche = 2n.e, a ses faces parallèles pouvant être revêtues d'un dépôt diélectrique non absorbant de coefficient de transmission T et de coefficient de réflexion R1 pour la première face tournée vers la source, et de coefficient de transmission et de réflexion respectivement T2 et R2 pour la deuxième face tournée vers le détecteur. Cette lame isotrope peut être réalisée en fluorine, le traitement réfléchissant des faces étant réalisé par dépôt de silice. La lame biréfringente 7, d'épaisseur eo et de biréfringence n pourra être réalisée en fluorure de magnésium, bien moins coteux que le rutile. en f luorure de magnésium, bien moins coûteux que le rutile. Le modulateur 6 a pour rôle de modifier périodiquement la différence de chemin optique provoqué par l'ensemble (7, 8) des lames biréfringente et isotrope, afin de moduler uniquement le terme d'interférence qui contient les informations quantitatives sur la présence du gaz recherché. Ce modulateur peut être 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. Les objectifs et fenêtres de cuve pourront être réalisés en fluorine. Le détecteur 11 délivre un signal qui 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 recherche. Un tel ensemble fournit une intensité I telle que I -T [1 i R1R2 + (1 + R1R2) cos A- [eo n + 6(t)] + R1R cos - 2r e + FRiR COS 2r [2ne eo + (t)] 2 X21 + 2RR cos A[2ne - eo n - &(t)] o (t) est la différence de marche variable en fonction du temps et introduite par le modulateur photoêlastique. Ainsi qu'on l'a schématisé sur la figure 1, un tel ensemble fournit à partir d'un rayon incident quatre rayons transmis dont trois présentent par rapport au premier des différences de marche dont les valeurs, par ordre croissant, déduite de l'expression de l'intensité I donnée ci-dessus sont: eo.In, 2n.e - eo àn' 2n.e + eo An On sait que si une source a une largeur spectraleLk-, on obtient avec un interféromètre isotrope (qui est un interféromètre à deux ondes) des franges centrales, au voisinage de L = o ne contenant aucune information intéressante, et ce sur une demi-largeur a = 1/L. Pour l'application infrarouge, la différence de marche e Ln étant nécessairement faible, comme nous l'avons montré précédemment, il faut éviter un regroupement autour de à = o des domaines o l'information utile existe, tels que schématisés sur la figure 2, autour des valeurs de L égales à eo An, 2n.e - eoû n et 2n.e + e L n. Il faut donc choisir e de telle sorte que eo n > 1/fG. D'autre part, Sr étant la périodicité du spectre, ces informations utiles vont se répéter à la fréquence &r. Pour éviter un recouvrement de ces différents domaines d'information entre eux, ce qui rendrait l'exploitation des résultats difficiles, il faut également choisir l'épaisseur e de la lame isotrope telle que 2n.e + e n 1/ o Prenons comme exemple l'oxyde de carbone CO, dont la structure d'absorption présente une périodicité i= 2 cm- sur une bandeAU= 200 cm -. Pour une lame isotrope en fluorine d'indice n = 1,4 et d'épaisseur e = 1,7 mm, il suffit pour une lame biréfringente en fluorure de magnésium d'une épaisseur eO = 8 mm (au lieu de e = 500 mm sans lame isotrope!). Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations décrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on s'écarte de l'esprit de l'invention. Un domaine d'application particulier du dispositif selon l'invention est l'analyse -stable, à faible coût et avec un faible encombrement- des gaz dont le domaine d'absorption quasi-périodique est situé dans l'infrarouge. REVENDICATIONS 1 - Système interférométrique pour créer à partir d'un rayon lumineux incident plus de deux rayons transmis présentant entre eux différentes différences de marche, caractérisé en ce que ce système est constitué de la combinaison d'une lame biréfringente et d'une lame isotrope sur un même axe optique pour réduire l'épaisseur de la lame biréfringente. 2 - Système interférométrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que la lame biréfringente est réalisée en fluorure de magnésium et la lame isotrope en fluorine. 3 - Dispositif interférométrique pour la détection et la mesure de la concentration d'au moins un gaz dans un mélange gazeux comprenant une source lumineuse dont le faisceau traverse successivement un objectif, une cuve à gaz, un filtre fr9quentiel, un polariseur, un ensemble d'interférométrie et de modulation, un analyseur et un objectif avant d'atteindre un détecteur, caractérisé en ce que ledit ensemble d'interférométrie et de modulation est constitué du système interférométrique selon la revendication 1 et d'un modulateur placé sans ordre de préférence entre le polariseur et l'analyseur. 4 - Application du dispositif selon la revendication 3 à la détection de gaz absorbant dans le domaine de l'infrarouge.