Brevet FR2833701A1 — publié le 20030620

La présente invention concerne un système optique d'analyse spectrale. Il s'agit d'un dispositif d'instrumentation optique, permettant d'obtenir une bonne résolution spectrale, dans un domaine spectral étendu, sans pièce mobile, et d'accéder très rapidement et directement à différents morceaux du spectre éventuellement disjoints, dans n'importe quel séquencement. Le but de ce dispositif est de permettre l'analyse rapide d'un spectre lumineux obtenu par absorption, émission, réflexion ou diffusion, en général pour obtenir des informations sur le milieu émetteur ou absorbant, réfléchissant ou diffusant. Par exemple, des informations sur la composition du milieu, ou sur la température ou la vitesse de ce milieu. La plupart des systèmes dispersifs destinés à une analyse spectrale à haute résolution, utilisent en fait deux systèmes différents : - un disperseur principal qui permet d'obtenir une bonne dispersion spectrale mais qui, en général, superpose au même endroit sur le détecteur de lumière plusieurs ordres d'interférence, - des moyens de séparation d'ordre qui isolent dans le spectre un seul des ordres d'interférence. On connaît par ailleurs des filtres AOTF (Acousto-Optic Tunable Filter) ou encore filtre acousto-optique accordable qui a déjà reçu de nombreuses applications. Un système connu est obtenu aussi avec un réseau échelle et un détecteur multipixel ; tous les ordres se superposent sur le détecteur, et on les sépare avec un filtre optique qui ne laisse passer que le domaine spectral contenu dans un seul ordre. On change le domaine spectral en changeant le filtre, ce qui suppose un mécanisme, comme une roue portefiltre. En général, on ne peut disposer que de quelques filtres (typiquement 2 à 5), alors que dans le dispositif de l'invention, on peut avoir des dizaines de fenêtres différentes, ce qui permet d'explorer un grand domaine spectral avec une très haute résolution spectrale. La sélection et l'agencement des fenêtres spectrales peuvent de plus être commandés à distance. Selon l'invention on utilise, pour ce deuxième système, un filtre AOTF, calculé de manière à isoler, pour chacun de ses états, un seul ordre d'interférence parmi ceux que laisse passer le premier système. A la différence des moyens de séparation d'ordre précédemment utilisés, le filtre AOTF est commandable électriquement, sans mécanisme. En le mettant en oeuvre, il est donc possible de sélectionner successivement des bandes spectrales différentes, pouvant correspondre à des ordres différents et permettant ainsi d'accéder à un domaine très étendu du spectre. On bénéficie ainsi de la grande finesse d'analyse permise par le disperseur principal sur un domaine spectral très large. L'invention concerne donc un système optique d'analyse spectrale comportant : - un disperseur produisant un spectre à haute résolution réparti sur plusieurs ordres géométriquement superposés, - des moyens de séparation des ordres qui isolent un seul des ordres produit par le spectromètre, - un détecteur multipixel recevant l'ordre sélectionné. Selon l'invention, les moyens séparateurs sont un filtre acoustooptique accordable. Dans différents modes de réalisation préférés présentant chacun leurs avantages spécifiques et susceptibles d'être combinés ensemble : - le disperseur est un réseau à échelettes ; - le disperseur est un interféromètre choisi parmi les interféromètres de Michelson statique ou dynamique, et les interféromètre de FabryPerot ; - le filtre acousto-optique découpe une bande de largeur égale à l'un des ordres produit par le disperseur ; - le filtre acousto-optique découpe une bande de largeur nettement inférieure à l'un quelconque des ordres produit par le disperseur ; - le filtre acousto-optique découpe une bande de largeur suffisante pour recueillir plusieurs ordres à la fois ; - l'alimentation en lumière du système se fait par une ou plusieurs fibres optiques. Un mode de réalisation particulier de l'invention sera décrit en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma optique du dispositif de l'invention ; - la figure 2 est une représentation du spectre optique analysé par rapport au détecteur ; - la figure 3 est un spectre obtenu avec le dispositif de l'invention montrant les raies d'absorption de la vapeur d'eau dans l'air ambiant du laboratoire. Le flux lumineux 1 à analyser est dirigé sur un disperseur constitué d'un réseau échelle 2 (avec un petit nombre de traits par mm). Plus précisément, le flux lumineux à analyser est projeté sur la fente 3 d'entrée d'un spectromètre qui produit un faisceau divergent 4. Ce faisceau divergent 4 se réfléchissant sur un miroir 5 sphérique, ou mieux parabolique ou elliptique, est converti en un faisceau parallèle 6 dirigé sur le réseau échelle 2. Ce réseau échelle 2 disperse angulairement le faisceau parallèle 6 dans un plan perpendiculaire à ses traits produisant un faisceau diffracté 7. Symétriquement, la réflexion du faisceau diffracté par un deuxième miroir 8 similaire au premier, ou même par le premier lui même comme sur la figure 1, mais en sens inverse, focalise chaque longueur d'onde du spectre incident en un point précis du plan focal 9 de ce deuxième miroir. Un détecteur 10 multi-élément (multipixel) placé dans le plan focal 9 de ce deuxième miroir 8, produit des signaux électriques représentatifs de l'énergie contenu dans la zone spectrale correspondant à chaque pixel. Cependant, en un pixel ou en un point précis du détecteur, seront focalisées plusieurs zone spectrales ou encore, toutes les longueurs d'onde A. k qui satisfont à la relation classique de dispersion du réseau échelle : où i et i'sont respectivement les angles d'incidence et de réfraction sur le réseau échelle, Ak la longueur d'onde, 1/a le nombre de traits par unité de longueur du réseau échelle, et k un nombre entier appelé ordre d'interférence. On interpose sur le trajet optique un système AOTF 11, calculé judicieusement pour que sa bande passante instantanée (définie par une fréquence de vibration et la configuration géométrique du cristal) laisse passer un intervalle spectral défini par une seule valeur de k, en excluant les autres valeurs de k, alors on se retrouve avec une seule longueur d'onde sur chaque pixel du détecteur, celle qui correspond à la valeur de k isolée par le système AOTF 11. On a donc sur le détecteur 10, le spectre à haute résolution étalé le long des pixels du détecteur, chaque pixel recueillant les photons d'une certaine longueur d'onde. En fait, on obtient seulement une partie du spectre complet, celle qui correspond à une certaine valeur de k. Naturellement, si on change (par commande électrique) la fréquence de vibration du cristal, on change la bande passante du cristal, et on peut ainsi isoler n'importe quel morceau du spectre à haute résolution. Sur la figure 2, on a représenté la disposition géométrique des pixels 20 du détecteur 21 par rapport au spectre produit par le réseau à échelettes 2. Ce spectre est constitué d'un ensemble de segments 22,23, 24, 25 dont on comprend qu'ils se projettent géométriquement sur les mêmes positions, c'est-à-dire les mêmes pixels 20 du détecteur 21. Le cristal AOTF 11 produit une fenêtre spectrale 26 commandable en longueur d'onde, c'est-à-dire selon l'axe 27. On comprend donc que la commande du cristal AOTF permet de maîtriser la position o de la fenêtre 26 qu'il produit. La largeur de bande I1Â est définie par la configuration du cristal AOTF et reste en général constante. S'il en est besoin, on peut choisir aussi une position de BO telle que les pixels placés à un bout du détecteur voient un certain ordre, tandis que les autres pixels voient un autre ordre adjacent au premier. La commande de la position de cette fenêtre 26 permet donc de sélectionner les morceaux désirés du spectre 22-25 produit par le réseau à échelettes. On comprend ainsi que pour éviter la superposition des ordres respectivement 22,23, 24,25 sur le détecteur 21, la largeur de la fenêtre 26 doit être telle que seul l'un de ces ordres est sélectionné pour la gamme de pixels utilisée. Le cristal AOTF 11 peut être placé commodément avant la fente 3 d'entrée du spectromètre décrit plus haut ; mais en fait il peut être placé n'importe où sur le trajet optique, avant le détecteur, selon la commodité requise. Le cristal AOTF 11, lorsqu'il est placé avant la fente 3 d'entrée du spectromètre, est avantageusement placé entre un miroir amont 12 et un miroir aval 13, le miroir amont produisant un faisceau parallèle qui traverse le système AOTF et le miroir aval 13 focalisant ce faisceau sur la fente 3 d'entrée du spectromètre. Un système optique d'entrée 14 interposé entre le faisceau à mesurer 15 et le miroir amont 12 assure une collecte maximale du flux lumineux compte tenu des conditions opératoires. Une fente 16 placée au foyer de l'optique 14 perpendiculairement au plan de la figure permet d'isoler la partie intéressante du champ à analyser. Chacun des points de cette fente produit un spectre à haute p résolution, et ces spectres pourront être analysés séparément si le détecteur est une mosaïque 2D de pixels. Dans ce cas, on a aussi l'option (sélectionnable à distance) de regrouper le signal de tous les pixels correspondant à une même longueur d'onde (le long de l'image de la fente), pour obtenir un signal plus élevé. Ceci est un avantage par rapport aux spectromètres à dispersion croisée utilisant un détecteur 2D, qui ne peuvent analyser qu'un petit nombre de points du champ à la fois, donc avec une étendue géométrique plus faible et un signal plus faible. On peut aussi se contenter d'un détecteur 1 D comportant des pixels allongés le long de l'image monochromatique de la fente, ce qui augmente d'autant 5 r l'étendue géométrique de faisceau, et qui peut être d'utilisation plus aisée qu'un détecteur 2D. D'autre part, au lieu d'alimenter la fente d'entrée du spectromètre par un système optique classique où on forme l'image du champ observé, on peut aussi alimenter cette fente par une ou plusieurs fibres optiques, qui conduisent la lumière à partir de collecteurs externes (on utilise alors un détecteur ID ou 2D, comme précédemment). On a représenté sur la figure 3 un spectre obtenu avec un dispositif réalisé selon un schéma similaire à celui de la figure 2. Ce spectre est celui de l'intensité (unités arbitraires) de la lumière d'une lampe à xénon avec une résolution de 28 000 (mesurée par ailleurs au laser), où on voit très clairement la forme et la finesse des raies de la vapeur d'eau contenue dans l'air ambiant sur une distance de 1,5 mètre. Ce spectre mesuré (points) s'étale du nombre d'ondes (1/) de 7254 cm'' (pixel 1) à 7319 cm-l (pixel 512) avec une dispersion moyenne de 0. 126 cm-l par pixel. Il est comparé à un spectre calculé (trait fin) de l'absorption théorique de la vapeur d'eau. Les petits écarts subsistants dans les positions des raies sont dus au fait que la dispersion de l'instrument à réseau n'est pas parfaitement linéaire. La comparaison avec le spectre calculé permet d'ailleurs, de façon classique, un étalonnage en longueur d'onde du spectromètre. Les systèmes AOTF fonctionnent dans une large gamme s'étendant de 0.1 à 5 microns, ce qui couvre l'UV, le visible et l'infrarouge. Les domaines sont très nombreux et diversifiés : ils comportent tous les domaines où un spectre à haute résolution permet de nombreuses applications. Par exemple, il est possible de porter un diagnostic sur l'état du milieu qui produit le spectre : - recherche sur la composition de l'atmosphère (Terre et autres planètes), notamment depuis l'espace, quand le temps est limité, - contrôle de la pollution, - dosages biologiques, - identification de composés solides, liquides ou gazeux, par spectroscopie d'absorption, d'émission, de réflexion ou autre, - contrôle de procédés industriels, - état des turbines à gaz en cours de fonctionnement, - mesure de la qualité optique (par exemple mesure de la longueur d'onde précise) de composants et systèmes, notamment ceux utilisés en télécommunications (lasers, fibres optiques,...). L'invention a été décrite jusqu'à présent dans un système mettant en oeuvre un disperseur principal constitué d'un réseau à échelettes. Elle peut également être mise en oeuvre avec d'autres types de disperseurs principaux. Il existe par exemple un système dans lequel l'interféromètre de Michelson est statique : au lieu de balayer un miroir, on se sert d'une série de petits miroirs, chacun faisant interféromètre pour une différence de marche donnée. L'interférogramme est enregistré sur un détecteur multipixel ; dont il faut faire la transformée de Fourier. Cependant, les ordres sont aussi superposés, et il faut un séparateur d'ordre avec une roue à filtre. Le système AOTF de séparation mis en oeuvre selon l'invention permet avantageusement de séparer les ordres, dans cette configuration également. Un système AOTF seul peut atteindre une assez bonne résolution, de l'ordre de 1000 à 2000 ; mais ceci correspond aux limites extrêmes du système AOTF seul. Ici, dans l'application de l'invention, nous visons des résolutions spectrales plus élevées, en général. Le dispositif de l'invention permet donc d'obtenir : - une luminosité accrue le long de la fente du spectromètre ; - une sélection très rapide des seules parties intéressantes du spectre, dans n'importe quel séquencement, modifiable à distance ; - un système sans partie mobile, ce qui évite les mécanismes ; - une rapidité d'acquisition (le système AOTF permet de changer d'ordre sélectionné en moins d'une milliseconde) ; - la possibilité d'obtenir le spectre complet à haute résolution en balayant en pas successifs par pilotage électrique la fréquence de l'AOTF, qui détermine la longueur d'onde centrale de la bande passante du filtre qu'il devient quand il est activé ; - enfin, pour certaines applications, notamment dans l'infrarouge, il est souvent recommandé de moduler le signal pour améliorer le rapport Signal/Bruit par démodulation synchrone. Comme tous les AOTF, s'il n'est pas activé, la lumière ne passe plus et on recueille, sur le détecteur, le courant d'obscurité et la lumière parasite : par différence instantanée, on peut soustraire ces contributions sans faire appel à une modulation ! démodulation. REVENDICATIONS 1. Système optique d'analyse spectrale comportant : - un disperseur (2) produisant un spectre à haute résolution réparti sur plusieurs ordres géométriquement superposés, - des moyens de séparation des ordres qui isolent un seul des ordres produit par le spectromètre, - un détecteur (21) multipixel recevant l'ordre sélectionné, caractérisé en ce que les moyens séparateurs sont un filtre (11) acousto-optique accordable. 2. Système optique d'analyse spectrale selon la revendication 1, caractérisé en ce que le disperseur (2) est un réseau à échelettes. 3. Système optique d'analyse spectrale selon la revendication 1, caractérisé en ce que le disperseur (2) est un interféromètre choisi parmi les interféromètres de Michelson statique ou dynamique, et les interféromètres de Fabry-Perot. 4. Système optique d'analyse spectrale selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le filtre (11) acousto-optique découpe une bande de largeur égale à l'un des ordres produit par le disperseur (2). 5. Système optique d'analyse spectrale selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le filtre (11) acousto-optique découpe une bande de largeur nettement inférieure à l'un quelconque des ordres produit par le disperseur (2). 6. Système optique d'analyse spectrale selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le filtre (11) acousto-optique découpe une bande de largeur suffisante pour recueillir plusieurs ordres à la fois. 7. Système optique d'analyse spectrale selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'alimentation en lumière du système se fait par une ou plusieurs fibres optiques.