Brevet FR2876182A1 — publié le 20060407

DISPOSITIF SPECTROMÉTRIQUE DE COHÉRENCE La présente invention se rapporte au domaine des spectromètres. La présente invention se rapporte plus particulièrement à un spectromètre permettant de distinguer un bruit de fond des raies utiles dans une détection spectrométrique. Une des problématiques résolue par la présente invention peut se retrouver dans le domaine de la détection de fluorescence créée par un plasma. En effet, un matériau, qu'il soit sous forme solide, liquide ou gazeux peut, après excitation par une impulsion laser, être transformé en plasma (mélange d'électrons libres, d'ions, d'atomes et de molécules) résultant de l'ionisation causée par des absorption multi-photonique. Si l'excitation du matériau est assez importante, d'autres phénomènes physiques bien connus entrent en jeu comme des ionisations en cascade et des collisions entre électrons libres. Ces effets augmentent la température du plasma produit. Le rayonnement de freinage des électrons en mouvement (effet Brehmsstehlung inverse) donne alors une lumière blanche émise par le plasma. L'analyse de la désexcitation radiative des atomes et des ions permet alors de remonter à la composition de ceux-ci via une analyse spectrale de la lumière émise par le plasma. La détection et la collecte de la fluorescence est réalisée selon l'art antérieur avec une fibre optique placée au niveau de plume du plasma. Les spectromètres sont alors basés sur un design optique à base d'un réseau de diffraction à échelette, d'une fente d'entrée réglable, et de miroirs sphériques permettant de conjuguer les points objets et images sur une caméra CCD. Un logiciel de lecture permet ensuite d'afficher le spectre de la lumière entrant dans l'appareil et cela quelle que soit la cohérence temporelle ou spatiale de la lumière. Ainsi, la lumière incohérente, émise par exemple par rayonnement de Brehmsstahlung peut fausser les mesures et provoquer des imprécisions sur les décisions. Cette méthode de tri du spectre d'émission parmi la lumière blanche incohérente n'est pas satisfaisante. Plusieurs documents de l'art antérieur divulguent des méthodes spectrométriques par interférométrie, comme par exemple la demande canadienne CA 2 302 994, mais aucun de ces documents n'a cherché à résoudre le problème de la lumière blanche incohérente. L'art antérieur connaît également un article de la NASA publié dans le journal Optics and Photonics News en Janvier 2004. Cet article décrit un spectromètre par transformée de Fourier basé sur un interféromètre de Michelson modifié en remplaçant les miroirs par des réseaux de diffraction. Un tel spectromètre possède une très grande robustesse aux accélérations, mais ne considère pas la problématique du bruit de lumière blanche pour la détection des raies atomiques. La présente invention entend remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant un dispositif spectrométrique de cohérence temporelle. Pour ce faire, la présente invention est remarquable, dans son acception la plus large, en ce qu'elle concerne un dispositif de spectrométrie caractérisé en ce qu'il comprend au moins un interféromètre séparateur de front d'onde comportant au moins deux bras à déséquilibre réglable et au moins un coin d'air, un dispositif d'imagerie de franges d'interférence, capteur imageur desdites franges et un moyen de traitement du signal issu dudit capteur. Notons que de façon générale, un tel spectromètre permettant de séparer la lumière incohérente de la lumière cohérente sera appelé spectromètre de cohérence . On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description, faite ciaprès à titre purement explicatif, d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux figures annexées: - la figure 1 représente le schéma général du 15 spectromètre selon l'invention; - la figure 2 représente un second mode de réalisation possible du spectromètre selon l'invention; - la figure 3 représente un mode de réalisation du spectromètre selon l'invention sous une forme compactée; - la figure 4 représente un second mode de réalisation du spectromètre selon l'invention sous une forme compactée. Illustré figure 1, le spectromètre selon l'invention est par exemple mis en oeuvre en sortie d'une fibre optique (1) et d'un miroir collimateur (2) pour la détection de raie comportant un bruit de lumière blanche incohérente. Il utilise par exemple un interféromètre de type Michelson à coin d'air. Il comprend de façon connue une séparatrice (4) et une compensatrice (5), un miroir légèrement incliné (7) et un miroir plan (6). Il doit être entendu que tout dispositif interférométrique peut être utilisé pour la présente invention s'il est possible d'introduire un déséquilibre dans les bras de celui-ci. En particulier, l'homme du métier pourra utiliser des dispositifs de type Mach-Zender. Plus précisément, dans le cas du Michelson, les caractéristiques des éléments décrits ci-dessus sont les 10 suivantes: la séparatrice (4) est une séparatrice 50/50 sur une très grande largeur spectrale. Notons que cela est possible en utilisant un traitement métallique employé pour les filtres neutres métalliques qui permettent d'avoir une transmission de (50% 5%) de 200nm à plus de 1 m; la séparatrice (4) et la compensatrice (5) ont de très bonne qualité de surface, afin de ne pas détériorer la qualité spatiale des faisceaux, ce qui brouillerait les franges d'interférence; - les épaisseurs des séparatrices et des compensatrices sont les plus faibles possible (par exemple de l'ordre du millimètre) afin de limiter les variations du décalage des faisceaux les traversant en fonction de la longueur d'onde. Les deux bras du Michelson, constitué par les segments (miroir (6)séparatrice) et (miroir (7)-séparatrice) sont déséquilibrés, c'est-à-dire que les longueurs de ces deux segments ne sont pas égales. Ceci provoque une différence de marche non nulle entre les rayons émis par les deux bras. Le Michelson utilisé est donc un séparateur de front d'onde. Cette différence de marche permet d'éliminer les interférences de toute lumière incohérente (par exemple émise par effet Brehmsstehlung). En effet, la différence de marche entre les rayons issus du retard entre les deux bras de l'interféromètre simule deux sources émettant de façon incohérente: ces sources n'interfèrent donc pas. Ce déséquilibre est réglable pour pouvoir adapter le niveau de cohérence à la mesure sans détériorer les 10 interférences. Le miroir (7) est incliné d'environ 1 degré, ce qui forme un coin d'air entre les deux faisceaux qui interfèrent. Des franges d'interférence parallèles sont alors obtenues et visualisées sur un large détecteur CCD (10). Le capteur CCD peut être choisi selon une direction, par exemple 3 lignes de 10000 pixels, et la représentation des interfranges est obtenue d'une part grâce à un premier miroir torique (8) dans un sens pour faire l'image des franges, et un autre miroir torique (9) dans l'autre sens pour focaliser le faisceau selon une ligne. L'image obtenue sur le capteur CCD subit ensuite un traitement mathématique pour la récupération d'un spectre de fluorescence ou plus généralement d'un ensemble de raies. L'homme du métier connaît de tels algorithmes dans le domaine de la spectroscopie par transformée de Fourier. Ces algorithmes utilisent la taille et le contraste des franges d'interférence obtenues pour déterminer la composition du spectre d'émission. Notons par ailleurs que la qualité du capteur CCD est importante afin qu'il ne soit pas saturé par la lumière blanche incohérente reçue. En sortie du spectromètre selon l'invention, et si le capteur ne sature pas, il est alors possible de déterminer la composition du matériau analysé. Il convient enfin de noter que l'élimination de la lumière incohérente par le dispositif ci-dessus facilite grandement la détection puisque toute la lumière blanche incohérente est incluse dans le pic de fréquence nulle. Celle-ci est alors éliminée par traitement fréquentiel. La figure 2 représente un mode de réalisation de l'invention où les séparatrices et compensatrices sont regroupées en un seul élément 4'. Illustré figure 3, un spectromètre de cohérence dans une forme particulièrement compacte est proposé. Selon ce mode de mise en oeuvre, le faisceau lumineux est séparé et recombiné au sein de prismes en silice fondue collés 11a et llb, ce qui renforce la stabilité du système interférométrique. Les miroirs 6 et 7 introduisent le déséquilibre des bras et le coin d'air nécessaire à l'invention et les miroirs toriques 8 et 9 permettent d'imager les franges d'interférence et de les focaliser par exemple sur une ligne pour la captation sur une caméra CCD. L'analyse spectrale des franges permet alors de retrouver le spectre sans être gêné par la lumière incohérente. La figure 4 représente un autre mode de mise en uvre de l'invention avec éventuellement deux capteurs CCD pour la détection des interfranges et une double séparation des faisceaux au niveau du prisme de silice fondue. Il est entendu que les deux modes de réalisation présentés ci-dessus ne sont donnés qu'à titre d'exemple et que bien d'autres modes de mise en oeuvre industrialisables de l'invention sont possibles. Enfin, notons que ce dispositif spectroscopique peut être tout particulièrement utilisé dans la détection de fluorescence faisant intervenir l'effet Brehmsstahlung inverse produisant une lumière blanche incohérente par agitation thermique. Dans ce cas, le dispositif est installé comme sur la figure 1 en sortie d'une fibre optique 1 permettant le transport de la fluorescence, après un miroir collimateur. L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet. 8 REVENDICATIONS 1. Dispositif de spectrométrie caractérisé en ce qu'il comprend au moins un interféromètre séparateur de front d'onde comportant au moins deux bras à déséquilibre réglable et au moins un coin d'air, un dispositif d'imagerie de franges d'interférence, un capteur imageur desdites franges et un moyen de traitement du signal issu dudit capteur. 2. Dispositif de spectrométrie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit interféromètre est du type Michelson. 3. Dispositif de spectrométrie selon la revendication 15 1, caractérisé en ce que ledit interféromètre est du type Mach-Zhender. 4. Dispositif de spectrométrie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de traitement du signal 20 utilise une analyse par transformée de Fourier. 5. Dispositif de spectrométrie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif d'imagerie de franges comprend au moins un miroir torique pour imager lesdites franges. 6. Dispositif de spectrométrie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit capteur imageur est une caméra CCD. 7. Dispositif de spectrométrie selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de focalisation desdites franges vers ledit capteur.