Brevet FR2737571A1 — publié le 19970207

Sonde optique pour spectroscopie par réflexion totale atténuée. La présente invention concerne une sonde optique pour spectroscopie par réflexion totale atténuée (ATR). La spectroscopie est une technique consistant à éclairer un milieu à analyser par tout un spectre de longueurs d'onde et à le recueillir ensuite après son interaction avec les constituants du milieu à analyser. Par comparaison avec le spectre émis, on relève la distorsion du spectre recueilli, c'est-a-dire les atténuations à certaines fréquences, dont chacune traduit la présence d'un constituant caractéristique. Cette technique est en particulier utilisée pour l'analyse de produits pulvérulents ou de liquides dans des canalisations ou en cuve, comme le lait, le vin ou la bière et d'autres produits subissant une transformation progressive au cours du temps, afin de contrôler cette transformation. Pour mettre en oeuvre. cette technique, deux types de dispositifs d'analyse sont connus. Dans le dispositif du premier type, la lumière émise est recueillie après traversée du milieu à analyser et absorption partielle par celui-ci. Dans le cas d'un liquide en cuve, il faut disposer de deux orifices d'accès à l'intérieur de la cuve et le liquide doit être transparent. Dans le dispositif du second type, enseigné par US-A-5 170 056, où l'on utilise la réflexion totale atténuée, la sonde, sensiblement en forme de barreau en cristal, plonge dans le milieu, fluide ou solide, et le faisceau d'analyse ne traverse pas le milieu à analyser, il reste dans la sonde pour en ressortir après un parcours avec réflexions totales sur les parois latérales de celle-ci. Le milieu, dans lequel baigne la sonde, n'intervient que dans les zones de réflexion. Lors de chaque réflexion, le faisceau incident engendre, en plus du faisceau réfléchi dans la sonde, une onde évanescente qui s'échappe dans le milieu à analyser et qui équivaut à une légère fuite optique dont l'amplitude dépend de la composition du milieu et de la longueur d'onde d'analyse. Après un nombre suffisant de réflexions, le faisceau émergeant de la sonde présente un spectre altéré, caractéristique du milieu analysé ; la comparaison des deux spectres émis et émergent permet de déterminer la composition du milieu. La présente invention concerne une sonde pour ce second type de dispositif. On connaît deux familles de telles sondes. Dans la première famille, le faisceau se propage selon une direction inclinée sur l'axe d'un barreau guide d'ondes à section constante et se réfléchit à intervalles réguliers sur ses parois latérales. Le couplage avec le dispositif d'analyse s'effectue aux extrémités du barreau, latéralement ou en bout, à travers des faces orientées pour réfracter le faisceau selon un angle voulu, afin de régler l'angle d'incidence sur les parois latérales, c'est-à-dire assurer une réflexion totale et fixer le nombre total de réflexions, compte tenu de la longueur du barreau. Un tel barreau présente l'avantage de permettre de régler, par sa longueur et l'angle d'inclinaison du faisceau, le nombre de réflexions à la valeur optimale d'atténuation du faisceau émis. Cependant, il présente l'inconvénient de nécessiter un accès à ses deux extrémités, ce qui implique, dans la cuve, deux orifices d'accès. La seconde famille de sondes, à laquelle se rapporte plus précisément la sonde de l'invention, ne nécessite qu'un seul accès. La sonde comporte un bloc optique polygonal, dans lequel le faisceau se réfléchit totalement plusieurs fois pour émerger à proximité du faisceau d'entrée. Cependant, le nombre de réflexions est limité et la forme polygonale est encombrante et coûteuse à fabriquer. Comme son encombrement est peu compatible avec le diamètre restreint normalisé de l'orifice d'accès, on ne peut obtenir qu'un nombre limité de réflexions, qui limite l'efficacité de la sonde. A propos de cette seconde famille, l'article "Remote spectroscopy using MID-IR fiber-coupled laboratory apparatus" de R. J. Burger et P. J. Melling, SPIE, vol. 1591, Infrared Optics III (1991), p. 249, enseigne un bloc optique en forme de barreau tronconique et comportant en bout une face réflectrice, perpendiculaire à l'axe du barreau. Le faisceau incident, provenant d'une fibre optique associée à la face opposée, subit une première série de réflexions sur les faces latérales du barreau avant d'être réfléchi en extrémité pour se replier et parvenir en retour, après une seconde série de réflexions, à une autre fibre, disposée à proximité de la fibre émettrice. Cependant, le nombre de réflexions totales dépend de l'ouverture numérique des fibres, c'est-à-dire de la forme de leur cône d'émission / réception, et de la géométrie du barreau. En bref, si les sondes de cette seconde famille ne nécessitent effectivement qu'un seul orifice d'accès aux cuves, elles présentent cependant une géométrie coûteuse à réaliser et dont la complexité rend très critique le positionnement des fibres ou autres moyens d'injection / extraction du faisceau d'analyse. En outre, cette complexité exclut toute modification du nombre des réflexions. Or, une telle modification est parfois nécessaire pour conserver l'atténuation totale dans des limites acceptables, en tenant compte de l'indice optique du milieu analysé, indice qui détermine l'amplitude de l'onde évanescente, donc la fuite optique, à chaque réflexion. La présente invention vise à fournir une sonde ATR qui soit de construction simple, qui ait une efficacité optimale et qui permette un couplage d'injection / extraction, par une seule extrémité, de taille limitée, qui soit peu sensible aux erreurs de géométrie. A cet effet l'invention concerne une sonde optique, pour spectroscopie par réflexion totale atténuée, comportant un barreau en un matériau transparent limité, à une extrémité de couplage, par deux zones respectivement d'injection et d'extraction d'un faisceau optique d'analyse destiné à suivre un trajet comportant une réflexion sur une face d'extrémité du barreau opposée à l'extrémité de couplage et des réflexions totales atténuées sur les parois latérales de celui-ci, sonde caractérisée par le fait que le barreau comporte, adjacente à son extrémité de couplage, une portion élargie qui présente une surface déflectrice disposée pour décaler les tronçons de faisceau d'injection et d'extraction et les rendre sensiblement parallèles. Ainsi, les deux tronçons de faisceau injecté et extrait peuvent traverser les zones de couplage correspondantes sous un angle optimal et, en outre, leur écartement peut être réglé de façon à faciliter le couplage avec un dispositif optique associé. En outre, le choix de la position de la surface déflectrice par rapport à la face d'extrémité réfléchissante permet de régler le nombre de réflexions totales atténuées. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'une forme de réalisation préférée de la sonde de l'invention, en référence à la figure unique qui en est une vue latérale. La sonde optique est uniquement représentée ici par un barreau transparent, en germanium dans cet exemple. Conviendraient également, et parmi d'autres, le saphyr, Zn Se. Le barreau comporte une partie d'interface 11, à section constante rectangulaire dans cet exemple, qui constitue une portion élargie par rapport à un embout 1 à section réduite, ici constante et carrée, qui la prolonge, présentant un axe optique 20 et formant un guide de lumière. La partie d'interface 11 est limitée en bout par une face d'extrémité de couplage 12 comportant deux zones respectivement d'injection et d'extraction d'un faisceau lumineux d'analyse infrarouge, face 12 s'étendant dans un plan perpendiculaire à l'axe optique 20. Les deux portions 1, 11 se raccordent par une portion 10 d'adaptation de section. L'embout 1 présente, à l'opposé de la partie d'interface 11, une face d'extrémité 2, plane, inclinée sur le tronçon 21 du faisceau d'injection, face 2 dont la normale 5, s'étendant dans le plan de la figure, forme un angle A sur l'axe 20. Deux parois latérales planes 3 et 4 de l'embout 1 se prolongent respectivement par deux parois latérales planes 13 et 14 de la partie d'interface 11. Les parois 3 et 13 s'étendent dans un même plan, parallèle à l'axe 20 et perpendiculaire au plan de la figure, tandis que les parois 4 et 14 sont dans deux plans distincts, parallèles au précédent, et elles sont reliées par une face plane 15 perpendiculaire au plan de la figure et inclinée sur l'axe 20. Il convient cependant de noter, comme on le verra plus loin, que les faces latérales 13 et 14 de la partie d'interface 11 n'ont pas, dans cet exemple, de fonction optique et qu'elles pourraient donc avoir toute autre forme et/ou orientation compatible avec le trajet optique décrit plus loin. La sonde comporte des moyens de fixation du barreau, genre collier, qui coopèrent avec les faces latérales 13-14 de la partie d'interface 11, et éventuellement les deux autres faces parallèles au plan de la figure, pour fixer le barreau à une optique, non représentée, associée à la face 12. L'épaisseur de l'ensemble, perpendiculairement au plan de la figure, est d'environ 1 cm et la partie d'interface 11 présente, radialement, une largeur de 2 cm. La longueur totale est d'environ 8 cm, l'embout 1 ayant pour sa part environ 4 cm. Dans le cas d'une application alimentaire, la sonde serait recouverte d'une couche de protection appropriée. Le fonctionnement de la sonde va maintenant être expliqué. L'embout 1 de la sonde étant immergé dans un milieu à analyser, il est couplé, par la face d'injection / extraction 12 de la partie d'interface 11, à l'optique ci-dessus, d'injection / extraction du faisceau lumineux, à rayons parallèles, d'analyse spectroscopique. Un faisceau incident 21, d'axe confondu avec l'axe 20 et d'environ 8 mm de diamètre, traverse perpendiculairement la face 12 et n'y est donc pas dévié par réfraction. I1 atteint donc directement la face opposée 2 et s'y réfléchit en direction de la face latérale 3, ce qui replie le trajet optique dans l'embout 1. Il n'a pas ici été prévu de couche réfléchissante sur la face 2, car la réflexion totale de celle-ci est due au choix de l'angle A que forme sa normale 5 par rapport à l'axe 20, c'est-à-dire qu'il excède l'angle de Brewster tenant compte des indices optiques du germanium et du milieu analysé qui l'entoure. Ici, l'angle A vaut 31" 50' + 1'. Le faisceau 22 renvoyé par l'extrémité 2 se réfléchit (23) alternativement à intervalles réguliers sur les parois latérales 3 et 4, les tronçons 22-24 étant inclinés d'un angle 2A sur l'axe 20. Après une ultime réflexion sur la face latérale 3, dernière d'une série de réflexions semblables, le faisceau réfléchi 24 pénètre dans la portion d'adaptation 10 entre embout 1 et la partie d'interface 11 pour aller se réfléchir sur la face 15. I1 en est renvoyé (25) vers la face 12 et l'optique associée, parallèlement à l'axe 20, donc à incidence normale à la traversée de la face 12, ce qui évite tout risque de modulation d'un angle de réfraction. Pour cela, la face 15, qui assure une déflexion complétant, à la valeur n, la déflexion due à la face 2, présente une normale inclinée d'un angle complémentaire à l'angle A, c'est-à-dire de n/2 - A sur l'axe 20. Ici encore, il n'a pas été nécessaire de prévoir une couche réfléchissante. Le décrochement ou épaulement constitué au niveau de la face 15 permet ainsi de décaler l'un par rapport à l'autre les tronçons de faisceau d'injection 21 et d'extraction 25. Cela facilite leur séparation au niveau de l'optique externe, réduit ainsi la diaphotie, et permet de les rendre sensiblement parallèles. Une telle géométrie offre de larges possibilités de variantes. En particulier, il peut être prévu que le trajet de la face 12 à la face 2 comporte au moins une réflexion, ce qui permet de modifier la plage des angles A pour laquelle une couche réflectrice est inutile. Le nombre des réflexions sur les parois 3-4 et éventuellement 13-14 peut par ailleurs être réglé mécaniquement par le choix de la longueur axiale de l'embout 1 ou de l'angle A ou encore, sans modification mécanique, par le choix, évoqué ci-dessus, de l'angle du faisceau injecté 21 par rapport à l'axe 20. Les tronçons d'extrémité du trajet optique dans la sonde peuvent par ailleurs ne pas être parallèles et, aussi, être respectivement associés à des zones d'injection et d'extraction s'étendant ou non dans un même plan (12). La perpendicularité de chacune de ces zones au tronçon de faisceau associé est préférable, pour éviter une modulation angulaire du trajet optique lors du balayage à diverses longueurs d'onde par une source fournissant le faisceau incident. De ce fait, ces zones ne seront alors pas parallèles entre elles si les tronçons associés ne le sont pas. En particulier, si, comme indiqué ci-dessus, on prévoit de pouvoir injecter le faisceau incident selon diverses inclinaisons sur un axe optique, les faces d'injection et d'extraction seront alors courbes, ou à facettes, pour présenter en toute zone prévue la perpendicularité voulue au tronçon de trajet associé. De même, il peut être envisagé que les surfaces 2 et/ou 15 ne soient pas planes mais modifient la convergence du faisceau, afin, par exemple, de corriger l'optique associée. Il est aussi à remarquer que si, dans l'exemple décrit, le trajet optique est planaire, rien n'empêche de prévoir une propagation dans un volume, c'est-à-dire que les parois de la sonde parallèles au plan de la figure participent à la définition du trajet optique. L'embout doit donc être considéré comme un volume guide d'ondes, à section de forme appropriée et par exemple circulaire. Dans ce cas d'une propagation dans un volume, la surface déflectrice décalant un tronçon de faisceau occupe alors en général, par rapport au cas représenté (15), une position décalée angulairement autour de l'axe 20, avec éventuellement un décalage angulaire autour d'un axe perpendiculaire à l'axe 20. On remarquera que les déflexions au niveau des faces de repliement (2) et de déflexion décalant le faisceau (15) peuvent être obtenues par tout moyen connu et en particulier par réfraction. I1 s'agit de surfaces optiques délimitant le barreau ou bien intégrées dans son volume. Pour la forme, on rappellera que, par application du principe de retour inverse de la lumière, tout ce qui est ici indiqué relativement à un sens de parcours du trajet optique est valable pour l'autre sens. REVENDICATIONS 1. Sonde optique, pour spectroscopie par réflexion totale atténuée, comportant un barreau (1) en un matériau transparent limité, à une extrémité de couplage, par deux zones (12) respectivement d'injection et d'extraction d'un faisceau optique d'analyse destiné à suivre un trajet comportant une réflexion sur une face d'extrémité du barreau (2) opposée à l'extrémité de couplage (12) et des réflexions totales atténuées sur les parois latérales (3, 4) de celuici, sonde caractérisée par le fait que le barreau (1) comporte, adjacente à son extrémité de couplage (12), une portion élargie (10, 11) qui présente une surface déflectrice (15) disposée pour décaler les tronçons de faisceau d'injection et d'extraction (21, 25) et les rendre sensiblement parallèles. 2. Sonde selon la revendication 1, dans laquelle les zones d'injection et d'extraction (12) s'étendent dans une même face plane. 3. Sonde selon la revendication 2, dans laquelle les tronçons de faisceau d'injection et d'extraction (21, 25) sont perpendiculaires à la face d'injection-extraction (12). 4. Sonde selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle la face d'extrémité réfléchissante (2) est inclinée sur le tronçon de faisceau d'injection (20; 21). 5. Sonde selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle le barreau comporte, adjacente à son extrémité réfléchissante (2), une portion (1) de section sensiblement constante. 6. Sonde selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle le barreau est en germanium.