Brevet FR2815716A1 — publié le 20020426

DISPOSITIF DE MESURE EN LIGNE DE PULSATIONS D'UN LASER ET PROCÉDÉ DE MESURE PAR SPECTROSCOPIE PHOTO-ACOUSTIQUE DESCRIPTION Le sujet de cette invention est un dispositif de mesure en ligne de pulsations d'un laser, applicable notamment à un procédé de mesure par spectroscopie photo-acoustique qui constitue un autre aspect de celle-là. La spectroscopie photo-acoustique consiste à envoyer des pulsations lumineuses à travers certaines solutions absorbantes, notamment de lanthanides, Actinides, Produits de fission (PF) (contenant des ions comme Nd ou Pr) ou d'uranium. L'énergie optique produit un changement d'état des électrons des corps dissous dans le cas d'une désexcitation non radiative et l'émission d'une onde acoustique dans la solution, qu'un capteur permet de mesurer. Un avantage de ce procédé de spectroscopie est qu'il permet alors de détecter des concentrations très faibles de corps dissous présentant cette propriété de conversion d'énergie ; mais s'il peut être appliqué sans difficulté à des mesures qualitatives, on ne pouvait pas, avant l'invention, déduire avec une bonne précision la concentration du corps dans la solution de la mesure de l'onde acoustique produite : l'énergie de l'onde acoustique est proportionnelle à l'énergie optique en même temps qu'à la concentration du corps, ce qui rend donc nécessaire la connaissance de l'une comme de l'autre. On utilisait auparavant des sondes pyro-électriques ou photoélectrique pour estimer l'énergie des pulsations lumineuses du laser, mais on devait soumettre la sonde à une série de pulsations pour obtenir un résultat mesurable, d'où on tirait l'énergie d'une pulsation par un calcul de moyenne ; or les amplitudes des pulsations présentent des variations assez sensibles. Une autre idée consisterait à utiliser des photodiodes, qui permettent de mesurer l'amplitude de chaque pulsation, mais qui ont une fonction de transfert variable avec la longueur d'onde, alors qu'on éprouve généralement le besoin de soumettre la solution à un balayage à des longueurs d'ondes différentes. Enfin, on doit souligner que seules les ondes lumineuses pulsées induisent une onde acoustique proportionnelle à la concentration de la solution. Ainsi la mesure d'énergie des pulsations laser, au tir à tir, permet une normalisation exacte du signal photoacoustique généré dans la solution pour une application de la formule : =KE () C où h (A ; A (À) : Amplitude du signal dans la solution, E (À) : Energie lumineuse incidente, : Coefficient d'extinction molaire de l'espèce absorbante en solution, C : Concentration molaire de l'espèce en solution. Un premier aspect de l'invention est ainsi un dispositif de mesure en ligne des énergies de pulsations d'un laser, qui permette une mesure indépendante de l'amplitude de chaque pulsation effectivement envoyée, et qui ne soit pas sensible à la longueur d'onde de la lumière ; ce dispositif consiste en un capteur piézoélectrique dépourvu de couche antérieure de protection et ayant une fréquence de résonance inférieure d'au moins cinquante fois à l'inverse de durée des pulsations. L'onde de pression produite dans le capteur piézoélectrique est alors proportionnelle à l'amplitude de la pulsation lumineuse incidente, et sans dépendre de sa longueur d'onde. Les inventeurs ont en effet constaté que les couches de protection, couramment utilisées devant des capteurs piézoélectriques dans d'autres applications pour les protéger de l'impact direct d'une onde, avaient aussi pour effet d'amortir la pulsation du laser et de l'écrêter, ce qui faisait produire une réponse incorrecte au capteur. Ils émettent l'hypothèse que cela découle de réflexions multiples de portions de la pulsation aux surfaces de la couche de protection. Le capteur de l'invention n'est éventuellement couvert que par une lame quart d'onde courante dans les capteurs du commerce, dont l'intérêt est d'adapter l'impédance acoustique entre le liquide de couplage et le capteur tout en diminuant les interférences acoustiques, sans que des atténuations ni des réflexions mesurables puissent y être produites à cause de sa minceur. Ce capteur peut être situé sur une portion de faisceau du laser qui est détournée d'un chemin principal par une lame séparatrice : comme c'est une portion connue et constante qui est prélevée, sur une gamme de longueur d'onde étendue mais bornée, la mesure par le capteur piézoélectrique permet de connaître la valeur du reste de la pulsation, qui est affectée à l'essai ou à la mesure et notamment à une mesure par spectroscopie photo-acoustique comme on l'a mentionné, qui peut comprendre un balayage de fréquence lumineuse. L'invention va maintenant être décrite en liaison aux figures 1 et 2, qui illustrent deux de ses réalisations possibles. A la figure 1, un laser pulsé émet périodiquement un faisceau 2 vers une cuve 3 contenant un échantillon liquide à analyser et dont le fond est occupé par un capteur acoustique 4 qui mesure les ondes acoustiques produites par la transformation du faisceau 2 optique dans la cuve 3 en présence de certains corps dissous. Une lame séparatrice 5 est toutefois traversée par le faisceau 2 avant qu'il n'arrive à la cuve 3, ce qui en prélève une portion 6 qui est détournée vers un capteur piézoélectrique 7 dont les mesures sont exploitées par un préamplificateur 8 et par un moyen de mesure 9. Le signal du capteur 4 est amplifié par un préamplificateur 8' analogue à 8. Le moyen de mesure 9 reçoit les deux mesures synchronisées par un signal reçu du laser 1, à chaque tir. La comparaison des mesures issues des détecteurs 4 et 7 permet au moyen de mesure 9 de normaliser le résultat de l'essai. Le matériau piézoélectrique du détecteur 7 est nu, c'est-à-dire dépourvu d'une couche supposée le protéger, pour les raisons qu'on a données plus haut, mais une lame quart d'onde, d'emploi courant, peut être utilisée sans effet néfaste sur la précision de la mesure. Des essais ont démontré que l'amplitude du courant produit par le capteur 7 par l'effet piézoélectrique était proportionnelle à l'amplitude de la portion 6 de la pulsation du faisceau 2, et de la pulsation elle-même. Comme le montre la figure 2, une fibre optique 10 peut être disposée sur le chemin de la portion 6, entre la lame 5 et le capteur 7, pour guider plus commodément la portion prélevée des pulsations. Voici maintenant une description plus détaillée de l'appareillage : le laser 1 peut être un laser pulsé accordable à oscillateur paramétrique optique de 220 à 1800 nanomètres de longueur d'onde de lumière, le laser de pompage peut être un YAG, la fréquence de tir de 10 hertz et la durée des pulsations de 10 nanosecondes. La fibre optique 10 en silice par exemple peut avoir une longueur de 2 mètres pour un diamètre 550 micromètres, de façon à transmettre 99% de la lumière sur toutes les gammes de longueur d'onde balayées dans le visible. Le capteur piézoélectrique 7 peut être cylindrique d'un diamètre de 10 millimètres, de fréquence nominale égale à 250 kilohertz, c'est-àdire à périodes de 4 microsecondes. Plus précisément, il convient que le rapport entre la durée d'impulsion du laser 1 et la période de vibration du capteur piézoélectrique 7 soit d'au moins cinquante. Ce système a été mis en oeuvre pour le tracé de spectres photoacoustiques sur des solutions contenant par exemple de lanthanides d'uranium IV. Des essais importants ont été effectués aux longueurs d'onde de 450,526, 650 et 800 nanomètres de lumière et corrélés avec des mesures sur des sondes pyroélectriques étalonnées ; ils ont prouvé la linéarité de réponse du capteur piézoélectrique 7 en même temps que son indépendance des longueurs d'onde. Les énergies totales des pulsations émises vers le capteur piézoélectrique 7 étaient de 0,15 millijoules, et produisaient des amplitudes de quelques centaines de millivolts dans une gamme de mesure par le dispositif 9 pouvant aller jusqu'à 1 volt environ, ce qui permet de s'attendre à une validité de la mesure jusqu'à des énergies de l'ordre du millijoule. On s'attend à l'extension de cette méthode dans les mesures des radioélements sur le combustible nucléaire. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure en ligne de pulsations (2) d'un laser (1), caractérisé en ce qu'il comprend un capteur piézo-électrique (7) dépourvu de couche de protection et ayant une fréquence de résonance inférieure d'au moins cinquante fois à l'inverse de durée des pulsations. 2. Dispositif de mesure en ligne de pulsations d'un laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur est situé sur une portion (6) de faisceau du laser qui est détournée d'un chemin principal par une lame séparatrice (5). 3. Dispositif de mesure en ligne de pulsation d'un laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que le capteur piézo-électrique (7) et un autre capteur (4), qui enregistre une mesure principale faite au moyen d'une portion du faisceau complémentaire à la portion détournée, étant reliés à un même moyen de mesure (9). 4. Procédé de mesure par spectroscopie photo-acoustique, où des irradiations d'un milieu (3) par des pulsations d'un laser sont faites, caractérisé en ce que chacune des pulsations a son amplitude mesurée par un dispositif selon la revendication 3. 5. Procédé de mesure par spectroscopie photo-acoustique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les irradiations sont faites avec un balayage de fréquence lumineuse.