Brevet FR2941529A1 — publié le 20100730

La présente invention concerne le domaine des techniques et appareillages d'analyses chimiques de matières solides et de fluides. En particulier, mais non exclusivement, la présente invention concerne les techniques d'analyses chimiques d'échantillons basées sur une ablation laser d'un dit échantillon, telle que la spectroscopie sur plasma induit par laser, également connu sous son acronyme � LIBS � pour � Laser Induced Breackdown Spectroscopy � en anglais. Cette technique consiste essentiellement à illuminer un échantillon à analyser avec un faisceau laser focalisé sur l'échantillon puis à collecter et analyser par spectroscopie les rayons lumineux émis par l'échantillon sous l'effet d'ablation induit par le laser. La technique de spectroscopie LIBS autorise la conception d'appareils d'analyse compacts, capables de fournir des analyses rapides et adaptés à la réalisation d'analyses d'échantillons in situ, notamment pour détecter la présence d'éléments métalliques ou toxiques dans les sols et végétaux. Les appareils d'analyse basés sur la technologie LIBS connus à ce jour peuvent présenter un faible rendement de collection lumineuse, dont il découle une limite de détection plus élevée. De plus, les appareils actuels sont souvent équipés de dispositifs optiques de collection du rayonnement lumineux émis par la matière analysée sujets à d'importantes aberrations chromatiques qui déforment le spectre de la lumière émise par la matière lors de l'ablation laser, et de fait une partie de l'information analytique contenue dans la matière ablatée est dégradée, ce qui affecte la qualité des analyses réalisées. Vus les inconvénients des systèmes connus évoqués ci avant, un but de la présente invention est de procurer un dispositif optique adapté aux mesures spectroscopiques sur plasma induit par laser, qui permette une collection de lumière sur une très large bande spectrale avec une grande efficacité. Un autre but de l'invention consiste à procurer un dispositif optique qui ne souffre pas ou peu d'aberrations chromatiques et permette une récupération de la totalité du spectre lumineux émis par un échantillon soumis à une impulsion lumineuse laser. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif optique adapté à la mise en oeuvre de la technologie LIBS qui soit compact et fiable. Ces différents objectifs sont satisfaits conformément à la présente invention grâce à une unité d'excitation lumineuse d'un échantillon et de collection de la lumière émise par ledit échantillon excité, notamment pour un dispositif de spectroscopie sur plasma induit par laser, caractérisé en ce qu'elle comporte une lentille de focalisation d'un faisceau lumineux d'excitation sur ledit échantillon, ladite lentille étant logée dans un alésage formé au travers d'un premier miroir parabolique de collection des faisceaux lumineux émis par ledit échantillon excité par ledit faisceau lumineux d'excitation, la surface réfléchissante parabolique dudit premier miroir parabolique étant orientée face au dit échantillon. Selon une première caractéristique préférée de l'invention, l'unité d'excitation et de collection de lumière comporte un second miroir parabolique disposé en regard de la surface réfléchissante dudit premier miroir parabolique de manière à collecter l'intégralité des faisceaux lumineux réfléchis par le premier miroir parabolique et les collimater au foyer optique dudit second miroir parabolique. Toujours selon l'invention, la lentille de focalisation d'un faisceau lumineux d'excitation est positionnée dans l'alésage formé dans le premier miroir parabolique, de telle sorte que son foyer soit confondu avec le foyer dudit premier miroir parabolique. Toujours selon l'invention, l'unité d'excitation et de collection de lumière est caractérisée en ce que les premier et second miroirs paraboliques présentent des distances focales identiques. En variante, les premier et second miroirs paraboliques peuvent également présenter des distances focales différentes. De façon avantageuse, l'unité d'excitation et de collection de lumière de l'invention se caractérise également par le fait que les surfaces réfléchissantes paraboliques des miroirs paraboliques sont revêtues d'un revêtement réflectif sur une bande spectrale comprise entre 200 nm et 900 nm. De préférence dans ce mode de réalisation, les surfaces réfléchissantes des miroirs paraboliques sont revêtues d'aluminium, et de préférence encore la lentille de focalisation est en silice fondu. Enfin, de manière également avantageuse, notamment pour la réalisation d'appareils d'analyse compacts et fiable, l'unité d'excitation et de collection de lumière est caractérisée en ce que lesdits premier et second miroirs paraboliques et la lentille de focalisation sont intégrés et positionnés dans un bloc d'instrumentation monolithique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation particulier de l'invention, réalisée en référence aux figures annexées pour lesquelles : la Figure 1 représente schématiquement un système spectroscopique d'anlyse sur plasma induit par laser comportant une unité d'excitation et de collection de lumière selon l'invention, la Figure 2 représente un diagramme comparatif des spectres lumineux captés dans des conditions identiques au moyen d'une unité de collection conforme à celle décrite à la Figure 1 et au moyen d'une unité d'excitation et collection classique par lentilles. La Figure 3 représente un tableau de valeurs comparées extraites du diagramme de la Figure 2. La Fig. 1 représente schématiquement un système d'analyse par spectroscopie LIBS. Ce système comporte en premier lieu une source lumineuse laser 1 dont le faisceau 2 est guidé par un miroir M vers une entrée 3 d'une unité d'excitation et de collection de lumière U adaptée pour focaliser le faisceau laser 2 sur un échantillon E positionné sur un porte-échantillon 7 disposé sous l'unité U. L'unité U comporte par ailleurs une sortie 4 au niveau de laquelle est connectée une fibre optique 12, dont l'autre extrémité est connectée à l'entrée d'un spectromètre 13 dont la nature peut être variable et dépend en pratique de l'application choisie et des produits traités. La fibre optique 12 sert à transmettre au spectromètre 13 les rayons de lumière émis par l'échantillon E sous l'excitation du faisceau laser 2 et collectés par un dispositif optique prévu à l'intérieur de l'unité d'excitation et de collection U, qui va être décrit en détail ci-après. L'unité U d'excitation et de collection de lumière, qui forme l'objet principal de la présente invention, comporte essentiellement un premier miroir parabolique 5, dont la surface parabolique de réflexion 6 fait face à l'échantillon E sur le porte-échantillon 7, comme représenté sur la Fig. 1. Conformément à l'invention, ce premier miroir parabolique 5 est percé d'un alésage 8 débouchant de part en part dudit miroir 5 au niveau d'une face supérieure 51 et au niveau de la surface parabolique 6 en deux orifices 9, 10. Dans l'alésage 8 est positionnée une lentille convergente 11 dont l'axe optique est identique à l'axe longitudinal Z selon lequel s'étend l'alésage 8 dans le miroir parabolique 5. Ainsi, l'alésage 8 et la lentille convergente 11 permettent avantageusement, comme représenté sur la Fig. 1, le guidage et la focalisation du faisceau laser 2 d'excitation directement sur l'échantillon E au travers du miroir parabolique 5 de l'unité U. De façon avantageuse, afin qu'il y ait une meilleure concentration de lumière pour exciter l'échantilloon E et la moins de perte de lumière possible lors de la collection de la lumière émise par l'échantillon E une fois excité, la lentille 11 et le miroir parabolique 5 sont agencés l'un par rapport à l'autre de sorte que le foyer F de la lentille 11 coïncide et soit confondu avec le foyer Fi du miroir parabolique 5. Un ajustement de la lentille 11 dans l'alésage 8 permet de réaliser cette superposition des deux foyers F et Fi. De plus, le porte-échantillon 7 coopère quant à lui avec des moyens de déplacement (non représentés) dans trois directions orthogonales XYZ de l'espace, par exemple des tables micrométriques ou des translateurs piezoélectriques, qui permettent un déplacement dudit porte-échantillon 7 ajusté de manière à positionner l'échantillon E exactement aux points focaux F et F1 de la lentille 11 et du miroir 5. De la sorte, toute l'énergie du laser 2 est focalisée grâce à la lentille 11 au travers du miroir 5 sur l'échantillon E aux foyers F, F1 de la lentille 11 et du miroir 5 et tous les rayons lumineux émis par ledit échantillon excité par le laser 2 repartent selon des directions divergentes vers la surface parabolique réfléchissante 6 du miroir. Ensuite, dans la mesure où ledit échantillon se situe au plan foyer F1 du miroir 5, lesdits rayons lumineux émis par l'échantillon E et captés par le miroir 5, sont tous réfléchis parallèlement les uns aux autres par le miroir 5, et peuvent donc aisément être collectés par un moyen optique dédié pour ensuite diriger ces rayons vers la sortie de l'unité U et vers le spectromètre 13 via la fibre 12. Conformément à une caractéristique préférée et avantageuse de la présente invention, le moyen optique de collection et collimation des faisceaux parallèles réfléchis par le premier miroir 5 est constitué d'un second miroir parabolique 14, dont la surface parabolique réfléchissante 15 est orientée sensiblement face à la surface 6 du premier miroir 5, de façon à collecter la totalité des rayons lumineux réfléchis provenant du premier miroir 5 et les focaliser, ces rayons étant parallèles entre eux, au foyer F2 du second miroir 14, lequel foyer F2 est localisé exactement à la sortie 4 de l'unité U et l'entrée de la fibre optique 12. Ainsi, la totalité des rayons émis par l'échantillon testé et captés par le miroir 5 sont collimatés vers la fibre optique 12 par le jeu de miroirs paraboliques 5, 14, et transmis par cette fibre pour analyse par le spectromètre 13, avec un minimum de pertes et d'effets de chromatisme. L'utilisation de deux miroirs paraboliques 5, 14 présente l'avantage de supprimer les aberrations chromatiques dans la lumière émise par l'échantillon E excité par le faisceau laser 2 et transmise au spectromètre 13, ce que ne permettent pas les dispositifs optiques de collection à lentilles habituellement utilisés dans des systèmes d'analyses spectroscopiques LIBS. De plus, les miroirs paraboliques 5, 14 présentent l'avantage de procurer à l'unité U un grand angle de collection lumineuse et donc d'éviter la perte d'information représentée par la lumière émise par l'échantillon E placé sous l'excitation du faisceau laser 2. Par ailleurs, de façon préférée, les surfaces réfléchissantes 6, 15 des miroirs paraboliques 5, 14 sont révêtues d'un matériau réfléchissant large bande, c'est-à-dire réfléchissant un spectre lumineux très large, en pratique du proche infrarouge à l'ultraviolet, et plus précisément encore de 200 nm à 900 nm environ, et qui déforme le moins possible le spectre de la lumière émise par l'échantillon E excité. En pratique, un revêtement d'aluminium peut bien remplir ces conditions et c'est le revêtement privilégié pour réaliser les surfaces réfléchissantes 6, 15 des miroirs paraboliques 5, 14. Les deux miroirs paraboliques 5, 14 peuvent de façon indifférente présenter une même distance focale ou bien des distances focales différentes. Seule la compacité de l'unité U s'en trouve alors modifiée. De façon avantageuse, l'unité U d'excitation et de collection lumineuse peut être réalisée sous la forme d'un bloc monolithique enfermant les deux miroirs paraboliques 5, 14 et la lentille de focalisation 11, ces trois éléments étant agencés très exactement les uns par rapport aux autres de manière à respecter les distances focales et les chemins optiques des faisceaux lumineux, que ce soit pour l'excitation de l'échantillon E par le laser 2 ou pour la collection des rayons émis par l'échantillon une fois excité. Un tel bloc monolithique comporte alors une entrée 3 sous la forme d'un orifice ou d'un port de connection permettant le passage du faisceau laser 2 d'excitation de l'échantillon E et une sortie 4, là aussi sous la forme d'un orifice ou d'un port de connection de la fibre optique 12 de transmission de la lumière collectée de l'échantillon excité par le laser 2. Le bloc comporte également une fenêtre d'excitation et de collection disposée au droit de la lentille 11 et de la surface réfléchissante 6 du premier miroir parabolique 5. Un tel bloc monolithique peut s'avérer avantageux pour réaliser notamment des appareils d'analyse portatifs pour lesquels la capacité d'un tel bloc optique et l'absence de réglages nécessaires sont deux atouts déterminants. L'unité d'excitation et de collection U selon l'invention a été conçue et développée tout particulièrement pour la spectroscopie sur plasma induit par laser afin d'améliorer les performances d'analyses qualitative et quantitative de cette technique, jusqu'alors limitées en particulier par les problèmes de chromatisme induits par les systèmes optiques de collection par lentille(s) et d'une manière générale par l'utilisation de composants d'optique réfractive dans la fonction de collection de lumière. L'utilisation conformément à l'invention de miroirs paraboliques et donc d'une optique entièrement réflective pour la collection des rayons lumineux émis par le plasma résultant de l'ablation/excitation par laser des échantillons testés permet d'améliorer grandement les qualités des spectres lumineux obtenus et donc les performances d'analyse, comme le montre la Fig. 2 et le tableau ci-dessous. La Fig. 2 présente une comparaison des spectres LIBS obtenus avec une même excitation laser et un même échantillon pour deux dispositifs optiques de collection distincts, l'un classique à lentille et l'autre conforme à l'unité d'excitation et de collection U de l'invention. On peut ainsi constater que l'intensité des raies spectrales Ru obtenues avec l'unité U de collection de l'invention est bien supérieure à celle des raies Rc obtenues avec le dispositif classique à lentille. Ceci est par ailleurs corroboré par les valeurs rapportées dans le tableau de la Figure 3 qui exprime le rapport d'intensités des raies entre les deux systèmes de collection utilisés pour réaliser les spectres de la Fig. 2. On constate ainsi qu'en différentes longueurs d'ondes principales des raies spectrales obtenues le gain d'efficacité procuré par le dispositif de l'invention à miroirs paraboliques est compris entre 4 fois et 9 fois par rapport aux dispositifs classiques à lentille. La différence constatée de ce rapport pour différentes longueurs d'onde est, notamment, due au chromatisme du système de collection à lentille. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car 30 diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS1 - Unité (U) d'excitation lumineuse d'un échantillon (E) et de collection de lumière émise par ledit échantillon excité, notamment pour un dispositif de spectroscopie sur plasma induit par laser, caractérisée en ce qu'elle comporte une lentille de focalisation (11) d'un faisceau lumineux d'excitation (2) sur ledit échantillon (E), ladite lentille (11) étant logée dans un alésage (8) formé au travers d'un premier miroir parabolique (5) de collection des faisceaux lumineux émis par ledit échantillon excité par ledit faisceau lumineux d'excitation (2), une surface réfléchissante parabolique (6) dudit premier miroir parabolique (5) étant orientée face au dit échantillon (E). 2 - Unité d'excitation et de collection de lumière selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un second miroir parabolique (14) disposé de manière à collecter l'intégralité des faisceaux lumineux réfléchis par le premier miroir parabolique (11) et les collimater au foyer optique (F2) dudit second miroir parabolique. 3 - Unité d'excitation et de collection de lumière selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la lentille de focalisation (11) du faisceau lumineux d'excitation (2) est positionnée dans l'alésage (8) formé dans le premier miroir parabolique (5), de telle sorte que son foyer (F) soit confondu avec le foyer (FI) dudit premier miroir parabolique (5). 4 - Unité d'excitation et de collection de lumière selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les premier et second miroirs paraboliques (5, 14) présentent des distances focales identiques. 5 - Unité d'excitation et de collection de lumière selon la revendication 1 à 3, caractérisée en ce que les premier et second miroirs paraboliques (5, 14) présentent des distances focales différentes. 6 - Unité d'excitation et de collection de lumière selon la revendication 1 à 5, caractérisée en ce que les surfaces paraboliques (6, 15) des miroirs paraboliques (5, 14) sont revêtues d'un revêtement réflectif dans une bande spectrale comprise entre 200 nm et 900 nm. 7 - Unité d'excitation et de collection de lumière selon la revendication 1 à 6, caractérisée en ce que les surfaces réfléchissantes (6, 15) des miroirs paraboliques sont revêtues d'aluminium. 8 - Unité d'excitation et de collection de lumière selon la revendication 1 à 7, caractérisée en ce que lesdits premier et second miroirs paraboliques (5, 14) et la lentille de focalisation (11) sont intégrés et positionnés dans un bloc d'instrumentation monolithique.