Brevet FR2652414A1 — publié le 19910329

La présente invention concerne un dispositif perfectionné pour mesurer l'absorption optique dans des matières en couches minces en utilisant la spectroscopie par déviation photothermique. Plus particulièrement, cette invention concerne un dispositif opto-électronique destiné à réduire les effets associés à l'instabilité de la direction du faisceau d'analyse provoquée par des phénomènes inhérents au laser et aux vibrations mécani- ques dans un instrument de mesure dénommé "spectroscope à déviation photothermique" (S.D.P.). La mesure de l'absorption optique des dépôts fins pour les systèmes optiques est devenue beaucoup plus importante ces dernières années A cause de l'extension des dispositifs optiques et en particulier, des sources laser dans les procédés industriels. Un système de mesure qui a été essayé avec succès, même s'il n'est pas sans inconvénient, est l'appareil S.D.P. mentionné ci-dessus qui permet de mesurer l'énergie absorbée par une sonde et transformée en chaleur. Même si ledit système permet d'obtenir des résultats très importants, il subit une limitation sérieuse quand on essaie d'exploiter les mesures A une échelle industrielle, et pas seulement dans les labora- toires de recherche, à cause de l'influence notable du bruit sur la fiabilité des mesures. Ainsi, la mesure est fortement influencée par le bruit, parce que le détecteur est très sensible et ensuite, parce qu'il est nécessaire d'utiliser un analy- seur à verrouillage de phase fonctionnant sur une fré- quence de modulation pré-établie afin d'extraire le signal "réel" comme il sera mieux vu plus loin. Le bruit a plusieurs sources: a) L'instabilité du pointage du faisceau d'ana- lyse laser; b) L'instabilité de la puissance dudit faisceau laser; c) La turbulence des liquides et des gaz traver- sés par la sonde; d) Les vibrations mécaniques de plusieurs compo- sants; e) Le bruit des circuits électroniques. Actuellement, les montages suivants sont prévus pour alléger de telles sources. Ainsi: a) b): utilisation de laser de haute qualité; c): intuber, si cela est possible, le faisceau laser d'analyse dans des cylindres creux (ou mieux, des cylindres sous vide) ou des cylindres qui peuvent être remplis de matières transparentes tels que le plexiglass, le verre ou toute autre matière appropriée; d): fournir des bancs optiques antivibratoires à montage en anti-torsion; e): utilisation d'instruments de haute qualité. La plupart de ces montages, en particulier ceux de l'article d), exigent une charge financière considé- rable et une augmentation supplémentaire et remarquable du poids et de la taille des appareils S.D.P. On remarquera qu'un banc antivibratoire conve- nable devrait comporter un système de suspension pneuma- tique complexe et présenter une masse inertielle élevée, c'est-à-dire, un poids élevé. Evidemment, ceci est une limitation à la diffusion de cette technique. L'objet de l'invention est de réduire les effets provoqués par les vibrations mécaniques d) et l'instabi- lité du faisceau laser d'analyse a) à un coût très bas, car il est seulement nécessaire de prévoir un système optique pour doubler le faisceau laser d'analyse, deux détecteurs de position et une électronique convenable. Selon l'invention, il est prévu un dispositif opto-électronique qui est une partie d'un système de mesure d'absorption utilisant un S.D.P. et qui permet une forte réduction à la fois, du bruit généré par les vibrations mécaniques et du bruit provoqué par l'instabi- lité en direction des faisceaux laser d'analyse, et qui ensuite permet l'amélioration de la sensibilité de l'appareil. Un avantage réel obtenu par la présente invention est que l'appareil S.D.P. n'a pas besoin d'être placé sur des tables antivibratoires, ce qui permet une diffusion plus large dans le milieu industriel. Un autre avantage est le coût très bas du dispositif. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'inven- tion sont représentées, à titre d'exemples non limita- tifs, aux dessins annexés. La fig. 1 représente schématiquement, le principe de fonctionnement d'un appareil S.D.P. transversal. La fig. 2 représente le principe de fonction- nement d'un appareil S.D.P. colinéaire. La fig. 3 représente le diagramme d'un détecteur de position à deux secteurs. La fig. 4 représente le fonctionnement du détec- teur de position avec un faisceau laser. La fig. 5 montre le schéma bloc du circuit électronique associé au détecteur de position. La fig. 6 représente l'application de l'invention à un système S.D.P. transversal (l'application à un système S.D.P. colinéaire est semblable). La fig. 7 montre le schéma bloc du circuit électronique associé au détecteur de position dans un montage à quatre secteurs. La transmission de chaleur de la sonde au milieu environnant (généralement un fluide transparent) provoque dans ce dernier un gradient de l'indice de réfraction susceptible de dévier un faisceau laser traversant ledit milieu. La quantité d'une telle déviation est proportion- nelle à la radiation électromagnétique absorbée. La constante de proportionnalité est fournie par la mesure sous les mêmes conditions de la déviation concernant une sonde présentant une absorption connue. Des absorptions allant jusqu'à 10-6 peuvent être actuellement mesurées par des techniques S.D.P. Aux fig. 1 et 2, les diagrammes d'appareils S.D.P. "transversal" et "colinéaire" pour des sondes de mesure sous la forme de couches minces, sont représentées respectivement. La radiation électromagnéti- que de pompage P provenant au bien d'une lampe suivie par un monochromateur, ou bien d'un faisceau laser, frappe la sonde C dans le champ d'analyse. Le faisceau d'analyse provenant d'un laser L (typiquement un laser He - Ne d'une puissance de quelques milliwatts) est focalisé par une lentille convergente LC, de telle sorte que, près de la sonde, la dimension transversale du faisceau est plus petite que celle du faisceau de pompage P. Dans le montage de la fig. 1, la focalisation permet en outre de réduire la distance entre le faisceau laser d'analyse et la sonde, ce qui provoque une augmentation de la sensibi- lité (l'amplitude de l'onde thermique générée par le chauffage de la sonde étant réduite d'un facteur exponen- tiel quand on s'éloigne de la surface). Pour augmenter la déviation, le milieu dans lequel la sonde est immergée, devrait présenter un gradient élevé de l'indice de réfraction, fonction de la température. Généralement, le capteur de position SP est constitué par une paire de photodiodes opposées et adjacentes. A la fig. 3, on a représenté un détecteur à deux secteurs; il est placé de façon centrale, relativement à la tâche du laser (sans absorption) et est orienté de telle sorte que l'axe des photodiodes est pratiquement parallèle au plan dans lequel se trouvent les faisceaux déviés à partir du faisceau d'analyse à cause de l'absorption (fig. 4). Les deux courants photoélectriques sont trans- formés en tension par un circuit électrique convenable (fig. 5) produisant une sortie proportionnelle à leur différence. Pour les petites valeurs de l'angle "a" de la fig. 4, le signal de sortie du circuit de la fig. 5 est modulé à la même fréquence que celle de la modulation de la radiation de pompage électromagnétique, et la valeur en est proportionnelle à l'absorption de la sonde. A la fig. 6, le dispositif selon l'invention est représenté schématiquement. Le faisceau d'analyse 100 généré par une source laser, est doublé en un faisceau de mesure 102 et en un faisceau de commande 101 au moyen d'un système optique comprenant une tête 103 de division optique, qui divise le faisceau incident en deux fais- ceaux d'intensités égales ayant des directions ortho- gonales l'une à l'autre, et un prisme produisant une réflexion interne totale et permettant, une fois qu'il est positionné convenablement, le placement du faisceau de mesure parallèlement au faisceau de contrôle à une distance mutelle désirée. Les deux faisceaux 101 et 102 sont focalisés dans un plan perpendiculaire à la surface de la sonde 104 par une lentille 105 cylindrique convergente et traversent en parallèle l'un à l'autre la distance entre la lentille et le détecteur 106 de position double qui présente, dans le mode de réalisation représenté, quatre quadrants. Néan- moins, le seul faisceau de mesure 102 traverse la zone de la sonde éclairée par le faisceau 107 de pompage. Le faisceau de mesure et le faisceau de commande frappent le détecteur de façon à éclairer de manière égale (en l'absence d'absorption) chacun, une paire de secteurs. On suppose que la paire 1, 2 est éclairée par le faisceau de mesure et la paire 3, 4 par le faisceau de contrôle. Les quatre courants photoélectriques ainsi engendrés sont transmis à un circuit électronique dont la sortie est une combinaison linéaire avec des signes alternés: V = al*il + a2*i2 + a3*i3 + a4*i4 A la fig. 7, on a représenté le schéma bloc d'un mode de réalisation du circuit électronique mentionné ci-dessus. Si an et ac sont les écarts des faisceaux de mesure et de contrôle respectivement, dans le cas des déviations faibles (amn et ac " R/L) il en résultera: V(am,ac) = Im*D12/2*(Sl*Tl*(l+am/a0m) - S2*T2(1-am/aOm)+ Ic*D34/2*(S3*T3*(1-ac/aOc) - S4*T4*(1 + ac/aOc) dV/dam = Im*D12/2*((Sl*T1 + S2*T2)aOm) dV/dac = -Ic*D34/2*((S3*T3 + S4*T4)/aOc) o Im et Ic sont les intensités du faisceau de mesure et du faisceau de commande, respectivement. D12 et D34 sont les gains des moyens différentiels; Sj (j1...4) sont les facteurs de conversion photovoltaique et Tj (j-1...4) sont les facteurs de transductance. En faisant varier D12 et D34 ou Tj, il est possible de faire dV/dam = -dV/dac, dans quel cas, une même déviation dans le faisceau de mesure et dans le faisceau de commande produit des signaux de même module mais de signes oppo- sés, et ensuite, V(am, ac) reste inchangé. Le chauffage de la sonde provoque la déviation du faisceau de mesure, mais pas celle du faisceau de commande, et les diverses sources de bruit (à l'exception de la source électroni- que) affectent les deux faisceaux. Si cette influence présente les mêmes intensité, fréquence et phase, la valeur de V(am(t), ac(t)) ne varie pas. Ceci est essen- tiellement le cas de l'instabilité du pointage du fais- ceau laser d'analyse et le cas des vibrations mécaniques, si le faisceau de mesure et le faisceau de commande frap- pent le centre des paires respectives de photodiodes et si les moyens optiques de doublage et de focalisation de la sonde ont été montés en un seul bloc l'un avec l'autre. De ce qui précède, il est évident que le disposi- tif selon l'invention est adapté à rendre négligeables les effets provoqués par le bruit sur la mesure, en particulier, ceux qui concernent l'instabilité du poin- tage du faisceau laser et ceux qui concernent les vibra- tions mécaniques, par rapport aux effets dûs aux autres sources de bruit. Comme il a déjà été mentionné dans l'introduction, cet objet est atteint sans utiliser un laser ayant un pointage du faisceau de haute qualité, ni un banc optique antivibratoire coûteux et encombrant. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation représentés et décrits en détail, car diver- ses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Dispositif opto-électronique pour mesurer l'absorption optique dans des matières en couches minces utilisant la spectroscopie par déviation photothermique, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison une source laser, un doubleur optique entre la source laser et la sonde et un détecteur de position double. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ledit doubleur optique consiste en un diviseur de faisceau séparant le faisceau d'entrée en deux faisceaux d'intensité semblable ayant des directions orthogonales l'une à l'autre et d'un prisme ayant une réflexion interne totale, ledit prisme étant placé en aval dudit diviseur. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une lentille convergente cylin- drique est placée entre le doubleur optique et la sonde. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux faisceaux provenant dudit diviseur sont le faisceau de mesure traversant la sonde sur la zone éclairée par le faisceau de pompage, et le faisceau de commande parallèle audit faisceau de mesure et qui en est indépendant. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les positions et orientations réciproques des faisceaux de mesure et de commande sont réalisées en positionnant ledit prisme à réflexion totale. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la lentille convergente cylin- drique focalise à la fois le faisceau de mesure et le faisceau de commande dans la zone voisine de la sonde pour être mesurés. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le double détecteur est divisé en quatre secteurs formant deux paires éclairées de manières égales par le faisceau de mesure et le faisceau de commande dans les conditions de non absorption. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les quatre courants photo- électriques générés par les quatre secteurs du détecteur sont transmis à un circuit électronique dont la sortie est une combinaison linéaire de ces courants avec des signes alternés de façon à éliminer de la mesure les effets dûs à l'instabilité du faisceau laser et aux vibrations mécaniques. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que tous les moyens optiques de dou- blage et de focalisation du faisceau d'analyse sont montés de façon à être montés en un seul bloc l'un avec l'autre. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le montage de doublage rendant les faisceaux laser parallèles l'un à l'autre peut être appliqué à l'appareil d'analyse du type "transversal" ou "colinéaire".