Brevet FR2919720A1 — publié le 20090206

DISPOSITIF DE SPECTROSCOPIE LASER DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif de spectroscopie laser. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Le domaine de l'invention est celui de la spectroscopie laser de terrain, utilisant par exemple un système de type LIBS ( Laser Induced Breakdown Spectroscopy ) portable. L'objectif est de transmettre un maximum d'irradiance (W/cm2) laser sur une cible avec un transport d'énergie par fibre optique. La spectroscopie LIBS consiste en la création d'un plasma obtenu en focalisant un faisceau laser à la surface d'un échantillon à analyser. Pour obtenir une irradiance maximale, on utilise un faisceau laser très concentré, et donc un diamètre de tache d'éclairement la plus petite possible, tel que : df= M2fX/idi avec: di = diamètre de la tâche focale ; di = diamètre du faisceau laser dans le plan de la lentille de focalisation ; M2 = qualité du faisceau en sortie du laser ndlaserelaser/4X ; f = focale de la lentille de focalisation ; X = longueur d'onde du faisceau laser ; diaser = diamètre faisceau en sortie de laser ; eiaser = divergence du faisceau laser. En remplaçant M2 par sa valeur, on obtient: df = diasereiaserf/4di. Pour avoir une irradiance maximale, il faut que le diamètre diaser soit petit ou que la divergence soit elaser petite, ces conditions étant difficiles à obtenir puisqu'imposées par le laser, par construction. Il faut également que la focale f soit petite, cette condition étant limitée par les contraintes géométriques liées à l'environnement d'utilisation du dispositif et par les aberrations sphériques qui déforment la tache laser en l'étalant, ou que le diamètre do du laser juste avant la lentille de focalisation soit grand. Une irradiance supérieure à 1 GW/cm' est nécessaire pour obtenir la création d'un plasma. Or, l'énergie transportée par la fibre optique est limitée par le seuil de dommage de celle-ci, valeur propre au matériau utilisé pour sa construction, qui est de l'ordre de 1 GW/cm'. Pour dépasser ce seuil de 1 GW/cm', le faisceau laser doit donc être concentré. Ceci, du fait du transport de faisceau par fibre optique, pose plus de problèmes qu'avec un dispositif à lentilles. En effet, avec un dispositif à lentilles, on peut diminuer le diamètre df en augmentant le diamètre di, via un télescope par exemple, tout en conservant la qualité de faisceau M2 initiale propre au laser. En revanche, si on veut transporter le faisceau laser par fibre optique, on dégrade la qualité du faisceau (le paramètre M2 augmente et donc df augmente); la valeur de M2 étant liée à la divergence du faisceau en sortie de fibre. De ce fait il est difficile de focaliser le faisceau en sortie de fibre optique car il faudrait des focales très courtes induisant des aberrations sphériques. De plus une focale très courte induit une distance entre la lentille de sortie et l'échantillon elle aussi très courte : par exemple, une focale de sortie de 1.5 cm impose une distance entre la lentille et l'échantillon d'environ 1.5 cm. Dans ce cas, le plasma créé peut venir polluer la lentille de sortie du fait de sa proximité, d'où l'intérêt d'une focale longue. Pour injecter le maximum d'énergie d'un faisceau laser dans une fibre optique donnée, il est conseillé, comme décrit notamment dans le document référencé [1] en fin de description, d'utiliser le maximum d'ouverture numérique de la fibre optique et toute la surface d'entrée de la fibre optique en focalisant fortement le faisceau laser à l'entrée de la fibre optique. Un problème technique se pose alors : l'ouverture numérique du faisceau en sortie de fibre optique est égale à l'ouverture numérique de la fibre optique (typiquement 0,22). Cette divergence, équivalente à un fort M2, est défavorable à la focalisation d'un faisceau laser sur une petite surface. On peut essayer de palier ce problème par l'utilisation d'une focale très courte. Mais une telle solution est limitée à cause d'une part des problèmes d'aberrations, d'autre part de la distance lentille/échantillon qui ne peut être trop petite, et enfin de la profondeur de champ de la zone de focalisation trop faible (problème de positionnement de l'échantillon). Les deux dispositifs décrits dans les documents référencés [2] et [3] proposent des dispositifs de focalisation du laser en sortie de fibre optique après collimation du faisceau laser. Dans le document référencé [2], une irradiance de 5.7GW/cm2 est annoncée alors qu'elle n'est en réalité que de 2.4GW/cm2. En effet, une erreur est commise sur la taille du faisceau au point focal. La taille du faisceau est supposée faire 325pm (taille calculée théoriquement), alors que le cratère provoqué par le faisceau fait 500pm. Le dispositif décrit dans le document référencé [2] a l'inconvénient de ne pas avoir une irradiance importante. La valeur annoncée de 5.7 GW/cm2 n'est pas bonne, la valeur réelle est de 2.4 GW/cm2. Le dispositif décrit dans le document référencé [3] ne donne aucune information sur la façon dont le faisceau laser est injecté dans la fibre et de même sur la façon dont le faisceau laser est focalisé en sortie de fibre. L'invention a pour objet d'améliorer les dispositifs LIES à fibre optique de l'art antérieur en augmentant l'irradiance disponible par la diminution de la divergence du faisceau laser en sortie de fibre optique. L'invention augmente aussi la robustesse du système. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif de spectroscopie laser comprenant un laser délivrant un faisceau laser et des moyens de focalisation de ce faisceau sur la surface d'un échantillon à analyser comprenant une fibre optique caractérisé en ce que ces moyens de focalisation comprennent successivement : un diaphragme permettant de prélever une partie du faisceau laser, des moyens, par exemple une lentille de focalisation, pour ré-imager ce diaphragme sur l'entrée de la fibre optique avec un grandissement d'entrée Ge, de telle manière que l'image ainsi obtenue soit de taille égale ou légèrement inférieure à la taille du coeur de la fibre optique, des moyens, par exemple deux lentilles, pour imager la sortie de la fibre optique sur la surface de l'échantillon avec un grandissement de sortie Gs. Dans un exemple de réalisation avantageux : L'ouverture numérique du faisceau laser entrant dans la fibre optique est inférieure ou égale à 0,1. On a les équations suivantes : do=f1 (1+Ge) /Ge d1=do . Ge avec : do : distance entre le diaphragme et la lentille de focalisation d1 : distance entre la lentille de focalisation et l'entrée de la fibre optique f1 : focale de la lentille de focalisation Ge : grandissement d'entrée Avantageusement l'ouverture numérique de faisceau laser en sortie de la fibre optique est d'environ 0,1. Avantageusement le grandissement de sortie Gs est tel que : Gs=d3/d2 et la focale f2 de la lentille de collimation est telle que : f2=d2, avec : d3 : distance entre la sortie de la fibre optique et la lentille de collimation d2 : distance entre la lentille de focalisation et la surface de l'échantillon. Dans un exemple de réalisation portable, le dispositif de l'invention comprend un cône d'ablation, une poignée, une optique de collection, des optiques de focalisation et un capotage. Le dispositif de l'invention présente les avantages suivants . ù C'est un appareil de terrain, contrairement aux appareils de l'art antérieur transportant le faisceau laser à l'aide de miroirs. ù Il offre des bonnes performances en termes d'irradiance, et donc de signal mesurable. ù Il est robuste. ù Il ne nécessite pas de réglage par l'utilisateur, les réglages étant effectués en usine. ù Il ne nécessite pas de réglage en cas de maintenance du laser, contrairement aux systèmes à miroirs qui nécessitent un réalignement du faisceau. Dans le cas du document référencé [3] si l'injection dans la fibre est réalisée dans les règles de l'art antérieur, l'irradiance en sortie de fibre est environ 4 fois moins forte que ce que l'on peut réaliser avec le dispositif de invention (4, car cela correspond au rapport des ouvertures numériques au carré (0.22/0.11)2). L'invention permet d'améliorer la focalisation d'un faisceau laser en sortie de fibre. Elle permet donc un progrès dans les domaines de spectroscopies optiques qui nécessite un maximum d'irradiance laser (LIES, spectroscopie Raman, SNOM). Dans l'exemple de réalisation portable, le dispositif de l'invention permet de faire des analyses déportées et offre de nombreuses possibilité pour: - la surveillance de l'environnement, - le contrôle industriel, - les domaines du nucléaire, - la conservation du patrimoine. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre un schéma de principe du dispositif de l'invention. La figure 2 illustre un exemple de réalisation portable du dispositif de l'invention, La figure 3 illustre une courbe d'échelonnage du Mg à 285,1 nm dans une matrice d'aluminium obtenue avec l'exemple de réalisation portable du dispositif de l'invention, tel qu'illustré sur la figure 2. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Comme illustré sur la figure 1, le dispositif de spectroscopie laser de l'invention comprend successivement : û un laser 10 délivrant un faisceau laser 11, un diaphragme 12 permettant de prélever une partie du faisceau laser, une lentille de focalisation 13 de focale f1 permettant de ré-imager ce diaphragme sur l'entrée 14 d'une fibre optique 15 avec un grandissement d'entrée de fibre Ge, deux lentilles 16 et 17, respectivement de focales f2 et f3, permettant d'imager la sortie 18 de la fibre optique 15 sur la surface d'un échantillon 19 avec un grandissement de sortie de fibre Gs. Sur la figure 1 : do=distance entre le diaphragme 12 et la lentille de focalisation 13 d1=distance entre la lentille focalisation 13 et l'entrée 14 de la fibre optique 15, d2=distance entre la sortie 18 de la fibre optique 15 et la lentille de collimation 16, d3=distance entre la lentille de focalisation 17 et la surface de l'échantillon 19. Le dispositif de l'invention, tel qu'illustré sur la figure 1, présente les caractéristiques suivantes : 1. Injection du faisceau laser dans la fibre optique: Le diaphragme 12 sert à prélever une partie du faisceau laser 11, la plus homogène possible. Ce diaphragme 12 est ré-imagé, avec un grandissement d'entrée de fibre Ge (par exemple Ge=d1/do = 1/3), par la lentille de focalisation 13 sur l'entrée 14 de la fibre optique 15 de telle manière que l'image ainsi obtenue soit de taille égale ou légèrement inférieure à la taille du coeur de la fibre optique 15. L'ouverture numérique du faisceau laser entrant dans la fibre optique 15 est inférieure ou égale à 0,1. Par commodité, le diaphragme est circulaire car la fibre optique 15 est circulaire. La taille du diaphragme 12 est adaptée à celle du faisceau laser. La fibre optique 15 peut être de grande longueur, par exemple jusqu'à 10 m. Comme expliqué ci-dessus, la dimension du coeur de la fibre optique 15 est choisie en fonction de la taille de l'image du diaphragme 12 à l'entrée 14 de la fibre optique 15. La fibre optique 15 est adaptée pour la transmission à la longueur d'onde du laser. Les équations suivantes sont vérifiées : do=f 1 (1+Ge) /Ge d1 = do. Ge . 2. Focalisation en sortie de fibre: L'ouverture numérique du faisceau laser en sortie de la fibre optique 15 est d'environ 0,1. Le faisceau laser est collimaté par la première lentille 16 puis est focalisé par la seconde lentille 17 de manière à faire l'image, avec un grandissement de sortie Gs=d3/d2 (par exemple Gs = 1/3), de la sortie 18 de la fibre optique 15 sur la surface de l'échantillon 19 où l'on souhaite obtenir le maximum d'irradiance. On ajuste la distance d2 entre la sortie de la fibre optique 15 et la première lentille 16 à la focale f2: d2 = f2 La distance entre les deux lentilles 16 et 17 est sans importance. C'est la plus petite distance possible en fonction des contraintes d'implantation. Le positionnement radial de la fibre optique 15 par rapport aux lentilles 16 et 17 est choisi pour être le plus proche possible du centre. Contrairement aux documents de l'art antérieur, l'injection du laser en entrée 14 de la fibre optique 15 est réalisée avec une ouverture nettement inférieure à ce qui est recommandé (ouverture numérique ON d'entrée dans la fibre inférieure à 0.1). La fibre optique 15 peut être une fibre optique classique avec une ouverture numérique de 0,2. Comme les modes ne se mélangent pas bien dans la fibre optique, on obtient en sortie de fibre un faisceau de faible ouverture numérique (-0,1) pour une longueur de fibre optique allant par exemple jusqu'à 10 mètres. Cette faible ouverture est favorable à la focalisation du faisceau laser. L'irradiance obtenue variant comme l'inverse du carré de l'ouverture numérique, le passage d'une ouverture numérique de 0,2 à 0,1 permet d'obtenir une irradiance 4 fois meilleure. La focalisation du faisceau laser est réalisée en imageant la sortie 18 de fibre optique 15 sur la surface de l'échantillon à analyser avec un grandissement adapté. Plus le grandissement est faible, plus le faisceau est petit et donc plus l'irradiance est forte. Ceci est réalisable dans la limite des aberrations optiques. Il est possible de limiter ces aberrations en utilisant des lentilles adaptées. Cette façon de focaliser le faisceau laser permet de maîtriser parfaitement sa taille sur la surface d'échantillon à analyser, d'avoir un profil de faisceau homogène et à bord raide. De plus, en ré-imageant la sortie 18 de la fibre optique 15, la zone éclairée sur la surface d'échantillon à analyser ne dépend pas des effets gênants liés au mouvement de la fibre optique 15 en cours d'utilisation. Ceci est très important en spectroscopie LIBS car ainsi la collection de la lumière du plasma est toujours bien alignée sur le plasma. Cela ne serait plus le cas si le point focal était déplacé latéralement. Par réglage de la position du faisceau laser devant le diaphragme 12, il est possible de choisir la partie la plus homogène de ce faisceau laser. Le diaphragme 12 et la lentille de focalisation 13 sont fixes par rapport à la section d'entrée de la fibre optique 15. De la sorte, l'image du faisceau laser sur l'entrée 14 de la fibre optique 15 ne dépend que de la position du diaphragme 12 par rapport à l'entrée 14 de la fibre optique 15, de la lentille de focalisation 13 et de l'entrée 14 de la fibre optique 15. Ainsi, même si le laser se désaligne par rapport au diaphragme 12, l'énergie passant au travers du diaphragme 12 est toujours déposée au coeur de la fibre optique 15 et non dans la gaine de celle-ci. L'énergie résiduelle, qui ne passe pas au travers du diaphragme 12, est arrêtée par celui-ci. Cet agencement permet un grand gain en robustesse surtout en utilisation déportée sur le terrain.30 Exemple de réalisation d'un dispositif portable La figure 2 illustre le dispositif de l'invention dans un exemple de réalisation portable. Il comprend : ù un cône ou plan d'ablation 20, ù une poignée 21, qui peut être munie d'un interrupteur, ù une optique de collection, de la lumière 22 ù un support 23 de fibre optique 15, ù des optiques de focalisation 24, et ù un capotage 25. Les éléments déjà représentés sur la figure 1 ont gardé la même référence. Le capotage 25 sert de structure pour l'ensemble du système. Il est en acier. Tout autre moyen permettant de positionner les optiques de façon stable peut être utilisé. Par exemple, un axe principal en métal servant de structure et un capotage en plastique seraient aussi efficace. Le fonctionnement du dispositif de l'invention est un fonctionnement classique en termes d'analyse LIES. Il faut appliquer le cône 20 situé au bout du dispositif sur la surface à analyser. Un interrupteur de type bouton poussoir sur la poignée peut permettre de déclencher simultanément le(s) tir(s) laser et la détection spectrale de la lumière émise par le plasma à l'aide du spectromètre. La mesure est alors terminée et ne prend que quelques secondes. Un exemple de résultat obtenu avec un tel dispositif et mettant en évidence les performances de ce dispositif est la limite de détection du magnésium (Mg) dans un échantillon d'Aluminium (Al). La valeur obtenue est de 1.5 ppm (partie par million). Le dispositif montre des performances comparables aux systèmes LIBS non fibré. Comme cela apparait sur la courbe d'étalonnage du Mg à 285.21nm dans une matrice aluminium obtenue avec le dispositif de l'invention, telle qu'illustrée sur la figure 3, l'alignement est très bon et montre le bon fonctionnement du dispositif de l'invention. Ainsi à titre d'exemple la limite de détection du Mg à 285.21 nm dans l'aluminium est d'environ 1.5ppm avec le dispositif de l'invention, et d'environ 0.8ppm avec un appareil LIBS de laboratoire.15 REFERENCES [1] "Application notes, optical fiber for high power pulsed laser delivery" (fiberguide industries, the fiberoptics solutions company, 2006) [2] "Full automation of a laser-induced breakdown spectrometer for quality assessment in the steel industry with sample handling, surface preparation and quantitative analysis capabilities" de S.Palanco and J, J. Laserna (J. Anal. At. Spectrom., 2000, 15, pages 1321 à 1327). [3] US 6 147 754 REVENDICATIONS 1. Dispositif de spectroscopie laser comprenant un laser (10) délivrant un faisceau laser (11) et des moyens de focalisation de ce faisceau sur la surface d'un échantillon (19) à analyser comprenant une fibre optique (15), caractérisé en ce qu'il comprend successivement : un diaphragme (12) permettant de prélever une partie du faisceau laser, des moyens (13) pour ré-imager ce diaphragme sur l'entrée de la fibre optique avec un grandissement Ge de telle manière que l'image ainsi obtenue soit de taille égale ou légèrement inférieure à la taille du coeur de la fibre optique, des moyens (16, 17) pour imager la sortie de la fibre sur la surface d'un échantillon avec un grandissement Gs. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le diaphragme (12) est circulaire. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'ouverture numérique du faisceau laser entrant dans la fibre optique est inférieure ou égale à 0,1. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel on a les équations suivantes do= f1 (1+Ge) /Ge d1=doGeavec : do : distance entre le diaphragme (12) et la lentille de focalisation (13) d1 : distance entre la lentille de focalisation (13) et l'entrée (14) de la fibre optique (15) f1 : focale de la lentille de focalisation (13) Ge : grandissement d'entrée. 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'ouverture numérique de faisceau laser en sortie de la fibre optique est d'environ 0,1. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le grandissement de sortie est tel que Gs=d3/der et la focale f2 de la lentille de collimation (16) est telle que : f2=d2, avec : d2 : distance entre la sortie (18) de la fibre optique (15) et la lentille de collimation (16), d3 :distance entre la lentille de focalisation (17) et la surface de l'échantillon (19). 7. Dispositif selon la revendication 1, qui est portable et qui comprend : ù un cône d'ablation (20), ù une poignée (21), ù une optique de collection (22), ù un support (23) de fibre optique (15), ù des optiques de focalisation (24), ù un capotage (25).