Brevet FR2654215A2 — publié le 19910510

FR 2654215 A2 19910510 FR 9013540 A 19901031 Le brevet principal 89 08632 (demande déposée le 28 6 1989) couvre un anémomètre laser à effet Doppler, destiné en particulier à la mesure des vitesses de particules dans un fluide en écoulement, comportant une source de lumière laser, une optique collimatrice, un diviseur de faisceau pour l'obtention d'au moins deux faisceaux lasers partiels, un dispositif de focalisation pour focaliser lesdits faisceaux lasers partiels dans un volume de mesure, et un dispositif de réception, muni d'un détecteur pour capter la lumière laser réfléchie dans le volume de mesure, o le dispositif de focalisation est constitué par un nombre égal ou supérieur à celui des diviseurs de faisceau, d'éléments de déviation du faisceau qui sont montés de telle sorte que les faisceaux partiels se croisent dans le volume de mesure. L'objet de l'invention est une autre version de l'anémomètre laser à effet Doppler d'après le brevet principal, et a pour but d'améliorer l'anémomètre laser à effet Doppler comme indiqué, pour obtenir une forme d'application particulièrement compacte, peu encombrante et bon marché. Ce travail est réalisé conformément à l'invention en montant les éléments de déviation du faisceau de telle sorte que les faisceaux lasers partiels sont déviés dans le plan défini par les faisceaux lasers partiels eux-mêmes. Une version particulièrement petite et compacte peut en outre être réalisée lorsque le plan défini par les faisceaux lasers partiels contient également le faisceau pénétrant dans le diviseur de faisceau. Conformément à l'invention, la marche des faisceaux lasers partiels est donc réfléchie de telle sorte que les faisceaux lasers partiels aussi bien que le faisceau laser pénétrant dans le diviseur de faisceau se trouvent dans un même plan Ceci permet un mode de montage particulièrement plat de l'ensemble du dispositif. Les éléments de déviation du faisceau sont montés de manière à ce que la marche des faisceaux lasers partiels soit réfléchie de façon qu'un des faisceaux lasers croise le faisceau laser pénétrant dans le diviseur de faisceau En d'autres termes, la marche des faisceaux lasers partiels est réfléchie de telle sorte que les faisceaux lasers partiels émergent en un angle aigu par rapport au faisceau laser pénétrant dans le diviseur de faisceau Ce montage particulier de l'anémomètre laser à effet Doppler permet un dispositif de mesure de construction compact qui peut avoir de très petites dimensions et qui peut être fabriqué à un prix particulièrement modique. Un montage particulièrement avantageux de l'invention consiste en ce que le diviseur de faisceau soit formé d'une plaque de division de faisceau Cette plaque peut être convenablement formée d'un miroir semi- transparent L'utilisation d'une plaque de division de faisceau sous forme d'un miroir semi-transparent favorise également un mode de construction très compact du système En outre, une plaque de division de faisceau par exemple sous forme d'un miroir semi-transparent est bien meilleur marché qu'un cube diviseur tel celui utilisé par exemple dans le brevet principal. Les éléments de déviation du faisceau sont convenablement formés d'éléments de miroir qui peuvent également être fabriqués de très petite taille. Un montage avantageux de l'invention consiste finalement à réunir les éléments de miroir, le diviseur de faisceau et l'optique collimatrice dans une unité modulaire. Les exemples de réalisation présentés ci- dessous expliquent plus en détail l'objet de l'invention en l'illustrant par des figures Ainsi: la figure 1 montre une représentation schématique en perspective des parties essentielles de l'anémomètre laser à effet Doppler avec les caractéristiques conformes à l'invention; et la figure 2 montre une deuxième version de l'anémomètre laser à effet Doppler conforme à l'invention, dans laquelle on utilise deux sources de lumière laser. Le montage décrit dans la-figure 1 est généralement désigné par le chiffre 1 et ne contient que les parties qui sont caractéristiques de l'invention présente Pour des raisons de clarté, on n'a donc pas représenté la source de lumière laser. Le montage décrit comporte une optique collimatrice 7 par laquelle un rayon laser provenant d'une source lumière laser (non représentée) est focalisé et o le faisceau de lumière laser focalisé qui quitte l'optique collimatrice 7 est désigné par le chiffre 6 Le montage comporte en outre un diviseur de faisceau 2 sous forme d'une plaque de division de faisceau qui peut être formée par exemple d'un miroir semi-transparent Le rayon laser 6 est dévié sur la plaque de division de faisceau 2 de la manière indiquée, et est partagé par la plaque de division de faisceau 2 en deux faisceaux partiels qui émergent vers deux éléments de déviation de faisceau 3 a et 3 b dans l'exemple d'application indiqué Ces éléments de déviation de faisceau peuvent être composés par exemple de très petits éléments de miroir Les éléments de déviation de faisceau 3 a et 3 b sont montés de manière à ce que les faisceaux lasers partiels soient réfléchis dans un même plan qui est défini par les faisceaux lasers partiels euxmêmes Le plan défini par les faisceaux lasers partiels contient également le faisceau laser 6 pénétrant dans la plaque de division de faisceau 2 de telle sorte donc que le faisceau laser partiel réfléchi 4 a croise le faisceau laser 6 qui pénètre dans la plaque de division de faisceau 2 En outre, les éléments de déviation de faisceau 3 a et 3 b sont inclinés de telle sorte que les deux faisceaux lasers partiels 4 a et 4 b émergent et se croisent dans un domaine qui se trouve à l'intérieur d'un volume de mesure. Le montage indiqué offre quelques avantages essentiels: Comme les faisceaux lasers partiels 4 a et 4 b sont réfléchis dans un plan défini par les faisceaux lasers qui quittent directement la plaque de division de faisceau 2, l'ensemble du dispositif de mesure permet de réaliser un instrument très compact, et en particulier très plat. L'utilisation d'une plaque de division de faisceau 2 à la place d'un cube diviseur offre également la possibilité de réaliser un dispositif de mesure très compact, étant donné que par exemple le diviseur de faisceau sous forme d'une plaque de division de faisceau 2 peut être monté très près de la sortie de l'optique collimatrice 7 et qu'ainsi on peut obtenir un mode de construction très compact de l'ensemble du dispositif De plus le montage des éléments de miroir 3 a, 3 b, la plaque de division de faisceau 2 et l'optique collimatrice 7 peuvent être rassemblés en une unité de construction qui peut être introduite en tant que telle dans le système de mesure. Le montage indiqué dans la figure 1 se monte également particulièrement avantageusement avec des faisceaux lasers qui présentent une section transversale elliptique Si on fait le montage indiqué dans le brevet principal, en utilisant un faisceau laser de section transversale elliptique il apparaît le problème suivant: les faisceaux de section transversale elliptique se superposent de telle sorte que les surfaces elliptiques sont orthogonales l'une à l'autre. Ce problème peut être supprimé à l'aide du montage conforme à la présente invention. La figure 2 représente une deuxième version de l'anémomètre laser à effet Doppler d'après la présente invention, dans laquelle on utilise des dispositifs complets comme l'optique collimatrice 7, les éléments de miroir 3 a, 3 b, la plaque de division de faisceau 2, tels qu'on les trouve dans la version décrite par la figure 1. La version conforme à la figure 2 se différencie exclusivement de la version conforme à la figure 1 par le fait qu'une deuxième source de lumière laser (non représentée) est présente et produit un deuxième faisceau laser indépendant 8 qui est dirigé à travers une optique collimatrice 9 et qui tombe immédiatement sur le diviseur de faisceau formé par la plaque de division de faisceau 2 Une superposition précise des deux faisceaux 6 et 8 au niveau de la couche de division des faisceaux de la plaque de division 2, et un réglage angulaire précis du collimateur 9, permettent d'obtenir un recoupement exact des faisceaux partiels 4 a, 4 b des deux sources de lumière laser C'est ainsi que dans le volume de mesure, au point de croisement des faisceaux partiels 4 a et 4 b, on dispose de la somme des deux faisceaux lasers produits Etant donné que les faisceaux des deux systèmes ont exactement le même angle, les systèmes de franges d'interférence résultant des deux systèmes se superposent en phase, en supposant certes que les longueurs d'onde des faisceaux des deux systèmes sont identiques ou presque Dans la version conforme à la figure 2, on peut réaliser une production plus importante de faisceau laser sans qu'il faille utiliser des éléments optiques supplémentaires. Dans la pratique, il est difficile de produire des longueurs d'onde égales ou presque (seulement quelques 10 M Hz de différence) Le cas des longueurs d'onde presque égales est cependant intéressant, car on peut réaliser un système de franges d'interférence migrant dans le volume de mesure On peut obtenir la faible différence de longueurs d'onde souhaitée ou escomptée par exemple à l'aide de cellules de Bragg La vitesse de migration est présente dans le signal de réception sous forme de décalage de fréquence C'est pourquoi il est également possible de définir la direction d'un écoulement à déterminer. On peut en outre utiliser des diodes lasers à fréquence réglée comme sources de lumière laser. Lors de l'utilisation de diodes lasers à fréquence non réglée, les longueurs d'onde doivent être séparées d'au moins quelque 100 M Hz, car sinon il y a apparition de fréquences ondulées non contrôlées qui créent des perturbations (fréquences des signaux dans le domaine de 10 M Hz). On peut toutefois appliquer la version conforme à la figure 2 d'une autre manière: En ce qui concerne le deuxième système de faisceaux, on crée un volume de mesure particulier en cas de non-superposition au point ou à l'angle près Dans les dispositifs utilisés pour des mesures de corrélation avec de nombreux points de mesure, on peut monter également des systèmes de faisceaux supplémentaires munis de leur propre source de lumière laser et de leur propre collimateur dans la même unité diviseur de faisceau- miroir, en conservant, dans tous les cas, un mode de montage compact et peu encombrant tout comme dans l'exemple d'application conforme à la figure 1. Lors de l'utilisation de diodes lasers à fréquence non réglée, les longueurs d'onde doivent être séparées d'au moins quelques 100 M Hz, car sinon il y a apparition de fréquences ondulées non contrôlées qui créent des perturbations (fréquences des signaux dans le domaine de 10 M Hz). On peut toutefois appliquer la version conforme à la figure 2 d'une autre manière: En ce qui concerne le deuxième système de faisceaux, on crée un volume de mesure particulier en cas de non-superposition au point ou à l'angle près Dans les dispositifs utilisés pour des mesures de corrélation avec de nombreux points de mesure, on peut monter également des systèmes de faisceaux supplémentaires munis de leur propre source de lumière laser et de leur propre collimateur dans la même unité diviseur de faisceau- miroir, en conservant, dans tous les cas, un mode de montage compact et peu encombrant tout comme dans l'exemple d'application conforme à la figure 1. Pour le spécialiste il est évident qu'il existe des variations et des modifications multiples de montages décrits dans les figures, sans que ces transformations ne quittent toutefois le cadre de la présente invention. Il en résulte ainsi par exemple la possibilité de placer plusieurs plaques de division de faisceau 2 dans la marche du faisceau laser 6 et/ou dans la marche du faisceau laser 8 pour produire plus de deux faisceaux lasers partiels Un montage élargi de la sorte contient alors naturellement aussi une quantité correspondante plus importante d'éléments de déviation du faisceau En outre, cette forme d'application donne la possibilité soit de focaliser tous les faisceaux lasers obtenus de cette manière en un point commun, soit de réunir les différents faisceaux partiels et de produire des points indépendants de croisement à l'intérieur du volume de mesure. REVENDICATIONS 1 Anémomètre laser à effet Doppler, en particulier pour la mesure des vitesses de particules dans un fluide en écoulement, conforme à la revendication 1 du brevet principal, caractérisé par le fait que les éléments de déviation ( 3 a, 3 b) sont disposés de telle façon que les faisceaux partiels ( 4 a, 4 b) soient déviés dans le plan défini par les faisceaux lasers partiels eux-mêmes. 2 Anémomètre laser à effet Doppler conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait que le plan défini par les faisceaux lasers partiels ( 4 a, 4 b) contient le rayon laser ( 6) pénétrant dans le diviseur de faisceau ( 2). 3 Anémomètre laser à effet Doppler conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les éléments de déviation du faisceau ( 3 a, 3 b) sont disposés de telle façon que la marche des faisceaux lasers partiels ( 4 a, 4 b) soit réfléchie, l'un des faisceaux partiels ( 4 a) croisant le faisceau laser ( 6) pénétrant dans le diviseur de faisceau ( 2). 4 Anémomètre laser à effet Doppler conforme à la revendication 3, caractérisé par le fait que la marche des faisceaux lasers partiels ( 4 a, 4 b) est réfléchie de telle sorte que les faisceaux lasers partiels ( 4 a, 4 b) émergent sous un angle aigu par rapport au faisceau laser ( 6) pénétrant dans le diviseur de faisceau ( 2). Anémomètre laser à effet Doppler conforme à l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le dispositif optique assurant la division du faisceau ( 2) est composé d'une plaque de division du faisceau. 6 Anémomètre laser à effet Doppler conforme à la revendication 5, caractérisé par le fait que la plaque de division du faisceau est un miroir semi-transparent. 7 Anémomètre laser à effet Doppler conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait que les éléments de déviation du faisceau ( 3 a, 3 b) sont composés d'éléments de miroir. 8 Anémomètre laser à effet Doppler conforme à l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l'un au moins des faisceaux partiels ( 4 a, 4 b) est dérivé du faisceau laser d'une autre source de lumière laser. 9 Anémomètre laser à effet Doppler conforme à la revendication 8, caractérisé par le fait que les faisceaux partiels ( 4 a, 4 b) se confondent avec les faisceaux partiels ( 4 a, 4 b) émis par l'autre source de lumière laser et qui se trouvent dans la même position. 10 Anémomètre laser à effet Doppler conforme à la revendication 8 ou 9, caractérisé par au moins une optique collimatrice ( 9) pour le faisceau laser d'au moins une autre source de lumière laser. 11 Anémomètre laser à effet Doppler conforme à l'une des revendications 8 à 10, caractérisé par le fait que les faisceaux lasers de toutes les sources de lumière laser ont presque la même longueur d'onde. 12 Anémomètre conforme à l'une des revendications 8 à 11, caractérisé par le fait que les faisceaux lasers de toutes les sources de lumière laser se confondent au point et à l'angle près à la couche de division du faisceau d'un dispositif optique commun ( 2) assurant la division du faisceau. 13 Anémomètre conforme à l'une des revendications 8 à 11, caractérisé par le fait que les faisceaux lasers provenant d'au moins deux sources de lumière laser ne se superposent pas au point et à l'angle près à un dispositif optique commun ( 2) assurant la division du faisceau. 14 Anémomètre conforme à l'une des revendications 8 à 13, caractérisé par le fait que les sources de lumière laser comportent des diodes lasers à fréquence réglée.