Brevet FR2683102A1 — publié le 19930430

Procédé d'exploitation d'une diode laser La présente invention concerne un procédé d'exploitation d'une diode laser dans un système de mesure pour la mesure spectroscopique de la concentration d'un constituant gazeux, comportant un dispositif à thermostat pour le réglage d'une température T et une source de tension continue pour le réglage d'une intensité de travail I pour la diode laser, comportant un dispositif de détection pour recevoir le signal de mesure du rayonnement transmis de la diode laser à travers l'échantillon de gaz ainsi qu'un circuit d'analyse. On connaît un dispositif comportant une diode laser pour la mesure spectroscopique de la concentration d'un constituant gazeux, par la revue américaine: Appl. Phys Lett 51 ( 18), 2 novembre 1987, 1465-1467, "Measure- ment of gaseous oxygen using diode Laser spectroscopy" Ce procédé concerne la mesure spectroscopique de concentra- tions d'oxygène à partir de l'absorption d'un rayonnement dans la gamme des longueurs d'onde de 760 nanomètres environ Comme source de rayonnement on utilise une diode laser avec diode moniteur du type ML- 4405, d'une longueur d'onde comprise entre 759 et 764 nanomètres, la diode laser étant alimentée par un courant de commande qui est constitué d'une composante de courant continu et d'une composante de courant alternatif, de fréquence 5 k Hz Avec la composante continue du courant de commande, on règle l'intensité de travail I de la diode laser, tandis que la composante alternative entraîne un désaccord périodique dans le domaine des lignes d'absorption Pour obtenir une commande si possible sans harmoniques de la diode laser, on choisit comme courant alternatif une courbe sinusoïdale La diode laser et la diode moniteur sont montées sous la forme d'un bloc sur un dispositif à thermostat, le point de travail de température étant réglé par la température T et la diode laser étant amenée de ce fait sur l'une des lignes d'absorption connues de l'oxygène A l'intérieur de la ligne d'absorption, le point de travail se situe habituel- lement sur l'extrême central de la seconde dérivation de la ligne d'absorption. Après avoir traversé le gaz à analyser, le rayonnement émis par la diode laser parvient sur un dispositif de détection qui est raccordé à un circuit d'analyse Le circuit d'analyse est essentiellement constitué d'un amplificateur synchrone qui reçoit à son entrée de signaux, le signal de mesure du dispositif de détection et à son entrée de référence, une tension de signaux avec une fréquence double de celle de la commande de la diode laser Le circuit d'analyse contient en outre un amplificateur différentiel qui est également connecté au signal de mesure du dispositif de détection et qui reçoit, de la diode moniteur, un signal de la diode laser, propor- tionnel à la puissance de rayonnement La tension de sortie de l'amplificateur différentiel correspond à la ligne d'absorption pour la concentration d'oxygène mesurée Etant donné que, pour l'oxygène en particulier, la ligne d'absorption est faiblement marquée, la seconde dérivation de la ligne d'absorption, qui correspond au signal de sortie de l'amplificateur synchrone, est utilisée pour la mesure de la concentration L'amplitude maximale du signal de sortie de l'amplificateur synchrone est approximativement proportionnelle à la pression partielle de l'oxygène. Ce dispositif connu a pour inconvénient que lorsque varient la température T du dispositif à thermos- tat et l'intensité de travail I, mais en particulier à cause des phénomènes de vieillissement, la diode laser peut modifier le mode longitudinal, ce qui donne lieu à un saut de fréquence brusque ou à un saut de mode Lors de la fabrication d'un dispositif de ce type, ces sauts de mode peuvent être détectés avec un spectromètre approprié et le point de travail de la diode laser peut être ajusté en conséquence Si pendant le temps d'utilisation, on procède à un tel ajustage, celui-ci n'est possible qu'au prix d'une grande perte de temps et d'une dépense importante, car ce dispositif doit être connecté à un spectromètre approprié permettant d'enregistrer le spectre de la diode laser. Par la revue américaine: Applied Optics, Vol 29, no 9, 20 March 1990, 1327-1332, on connaît un dispositif dans lequel il est possible de supprimer les sauts de mode de la diode laser, au moyen d'un résonateur supplémentaire de longueur variable. Ce dispositif connu a pour inconvénient d'avoir une réalisation coûteuse et d'exiger comme composant supplémentaire un résonateur, ce qui se répercute défavora- blement sur le prix de l'appareil. L'invention a pour but de perfectionner un procédé d'exploitation d'une diode laser de manière à permettre de détecter simplement les sauts de mode de la diode laser lors du réglage du point de travail intensité- température de la diode laser En outre, la détection des positions des sauts de mode doit pouvoir être possible y compris pendant le fonctionnement. Ce but est atteint en ce que pour régler un point de travail intensitétempérature de la diode laser, un filtre optique est monté dans le faisceau et en ce qu'en modifiant la température T et/ou l'intensité de travail I de la diode laser, en même temps qu'est reçu le signal de sortie fourni par le circuit d'analyse, les positions spectrales, incluant les lignes d'absorption de l'échan- tillon de gaz, des sauts de mode de la diode laser, sont déterminées et en ce qu'ensuite le point de travail intensité-température est réglé de manière que dans la zone des lignes d'absorption utilisées, il ne se situe pas au- dessous d'une distance définie par rapport aux positions des sauts de mode. Le principal avantage de ce procédé réside dans le fait que l'on place d'abord un filtre optique dans le parcours du faisceau, entre la diode laser et le dispositif de détection, lequel filtre influence la transmission du rayonnement dans le domaine de la longueur d'onde de la diode laser Le filtre convertit les variations de fréquence de la diode laser en variations d'intensité dans le dispositif de détection Si au moyen du dispositif à thermostat on fait varier la température T de la diode laser, l'intensité de travail I restant constante, on obtient en un premier temps une faible variation de l'intensité dans le dispositif de détection Mais s'il se produit un saut de mode, c'est-à-dire un saut de fréquence, on enregistre dans le dispositif de détection une variation nette de l'intensité, bien que l'intensité de sortie de la diode laser n'ait pas varié de beaucoup Cette variation peut aussi être particulièrement bien détectée sur les dérivations du signal de mesure Si l'on considère par exemple la deuxième dérivation du signal de mesure, telle qu'elle est fournie comme signal de sortie d'un amplifica- teur lock-in, un saut de mode peut être détecté au signal de sortie, à deux extrêmes se succédant, comme la dériva- tion d'une courbe de Gauss Une ligne d'absorption diffère qualitativement de cette courbe en ce qu'elle possède trois extrêmes d'un seul tenant On obtient aussi des variations de la fréquence et des sauts de mode sur la diode laser dans le cas o l'intensité de travail I varie et o la température T est constante Après détermination des sauts de mode dans la zone des lignes d'absorption par variation de la température T et/ou de l'intensité de travail I, le point de travail intensité-température de la diode laser est réglé à partir d'une combinaison de la température T et de l'intensité de travail I de manière qu'il ne soit pas inférieur à une distance définie des positions des sauts de mode Dans ce cas, on exploite l'effet selon lequel la longueur d'onde des sauts de mode d'une diode laser est influencée différemment par la température et le courant de travail. Il est avantageux que le filtre optique soit un filtre à arêtes Pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, il est possible d'utiliser des filtres différents Ceux-ci peuvent être utilisés en transmission comme en réflexion Les filtres à interférence conviennent aussi bien que les verres colorés D'autres matières présentant une variation de la transmission dans le domaine souhaité, telles que des matières plastiques, des semi- conducteurs ou des verres, conviennent aussi bien Le f iltre peut être librement placé dans le faisceau ou être prévu comme fenêtre optique sur la cuvette de mesure Le filtre a en outre pour effet de supprimer les réflexions gênantes dans le parcours du faisceau et donc de donner un meilleur rapport signal-bruit La grandeur de l'excursion du signal de mesure peut être influencée par la pente de la courbe caractéristique du filtre Des essais ont montré qu'une caractéristique plate du filtre était avantageuse. Pour réduire à un minimum les distorsions des signaux par la courbe caractéristique du filtre, il convient de choisir un filtre avec une courbe telle que la variation de la fréquence de la diode laser se situe dans la région du point d'inflexion de la courbe caractéristique. Un exemple de réalisation est représenté sur les dessins et décrit ci-après plus en détail. La figure 1 représente un système de mesure spectroscopique de la concentration d'un constituant gazeux, la figure 2 représente la variation du signal de sortie de l'amplificateur synchrone en fonction de la température T de la diode laser. La figure 1 représente un système de mesure 1 pour la mesure spectroscopique de la concentration d'oxygène d'un échantillon de gaz qui se trouve dans une cuvette de mesure 2 et qui traverse celle-ci depuis une entrée 3 jusqu'à une sortie 4 de la cuvette de mesure La cuvette de mesure 2 est traversée par un rayonnement d'une diode laser 5 avec un filtre à arêtes 13 monté en amont La diode laser 5 est fixée avec une diode moniteur 6 sur un dispositif à thermostat 7 La température T du dispositif à thermostat 7 et donc la température T de la diode laser 5 est réglable au moyen d'une unité de commande de tempéra- ture 12 Le rayonnement sortant de la cuvette 2 parvient sur un dispositif de détection 8; le signal de mesure qui se forme à cet endroit est envoyé par l'intermédiaire d'un convertisseur 9 à un amplificateur lock-in 10 servant de circuit d'analyse La commande de la diode laser 5 s'effectue par un profil de modulation 11 qui est constitué d'une tension continue provenant d'une source 14 et d'une tension alternative sinusoïdale, de fréquence 5 k Hz La tension alternative est produite dans un générateur 15 Un courant de travail I pour la diode laser 5 est réglée avec la source de courant continu 14. La tension alternative sinusoïdale du généra- teur 15 est envoyée par un doubleur de fréquence 16 puis acheminée vers l'amplificateur synchrone 10 Le signal de sortie 17 de l'amplificateur synchrone 10 correspond à la deuxième dérivation du signal d'absorption pour la concentration de l'échantillon de gaz en oxygène Le signal de sortie 17 et le signal sur le point de mesure 18 sont connectés à un diviseur 19 qui est relié à une unité d'affichage 20 de la concentration d'oxygène Avec le diviseur 19 on obtient une normalisation en ce sens que les pertes d'intensité du rayonnement qui sont dues par exemple à un encrassement de la cuvette de mesure 2, sont compen- sées. La figure 2 représente de manière qualitative la variation du signal de sortie 17 de l'amplificateur lock-in 10 en fonction de la température T de la diode laser 5 En abscisse il est porté une plage de température comprise entre 24 et 27 degré Celsius; l'axe des ordonnées possède une échelle sans dimensions pour la grandeur du signal de sortie 17 En faisant varier la température T au moyen de l'unité de commande de température 12, alors que l'intensité de travail I est constante, on obtient la courbe du signal de sortie 17 représentée sur la figure 2. Les points présentant deux extrêmes successifs correspon- dent aux sauts de mode 22 de la diode laser 5, les points comportant trois extrêmes successifs correspondent aux lignes d'absorption 23 pour le constituant gazeux à déceler Pour déterminer les sauts de mode, on détermine d'abord la dépendance du signal de sortie 17 par rapport à la température T, pour une intensité de travail I fixe. Etant donné que la distance entre les lignes d'absorption 23 et les positions des sauts de mode est influencée par l'intensité de travail I et la température T, il faut, le cas échéant, procéder à d'autres mesures, par exemple à température T constante et avec variation de l'intensité de travail I A partir des signaux de sortie 17 qui en résultent, on règle une combinaison de la température T et de l'intensité de travail I sous la forme d'un point de travail intensité- température 21 de la diode laser 5 pour le fonctionnement fixe, combinaison pour laquelle la fréquence de la diode laser 5 se situe dans le domaine des lignes d'absorption 23 et pour laquelle la distance par rapport aux positions des sauts de mode 22 n'est pas inférieure à une distance définie. Le procédé suivant l'invention permet, même sans spectromètre, de fixer un point de travail intensité- température 21 pour la diode laser 5, qui présente une distance suffisante par rapport aux positions des sauts de mode 22. REVENDICATIONS 1 Procédé d'exploitation d'une diode laser ( 5) dans un système de mesure ( 1) pour la mesure spectrosco- pique de la concentration d'un constituant gazeux, comportant un dispositif à thermostat ( 7) pour le réglage d'une température T et une source de tension continue ( 14) pour le réglage d'une intensité de travail I pour la diode laser -( 5), comportant un dispositif de détection ( 8) pour recevoir le signal de mesure du rayonnement transmis de la diode laser ( 5) à travers l'échantillon de gaz ainsi qu'un circuit d'analyse ( 9, 10), caractérisé en ce que pour régler un point de travail intensité-température ( 21) de la diode laser ( 5), un filtre optique ( 13) est monté dans le faisceau et en ce qu'en modifiant la température T et/ou l'intensité de travail I de la diode laser ( 5), en même temps qu'est reçu le signal de sortie ( 17) fourni par le circuit d'analyse ( 9, 10), les positions spectrales, incluant les lignes d'absorption ( 23) de l'échantillon de gaz, des sauts de mode ( 22) de la diode laser ( 5), sont déterminées et en ce qu'ensuite le point de travail intensité-température ( 21) est réglé de manière que dans la zone des lignes d'absorption ( 23) utilisées, il ne se situe pas au- dessous d'une distance définie par rapport aux positions des sauts de mode ( 22). 2 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filtre optique est un filtre à arêtes ( 13). 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la courbe caractéristique du filtre à arêtes ( 13) est telle que la variation de fréquence de la diode laser ( 5) se situe dans la zone du point d'inflexion de la courbe caractéristique du filtre.