EP1794556A1 - Dispositif spectrometrique de coherence - Google Patents
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Definitions
- This imbalance is adjustable to be able to adapt the level of coherence to the measurement without damaging the interference.
- the spectrometer according to the invention consists for example of a divisible optical fiber (1 ') placed at the level of the plasma emission (10) which illuminates in parallel a plurality of coherence spectrometers (15) having imbalance of the optical paths between the arms different from each other.
- this system of spectrometer combinations can be compared to the aperture synthesis used in astronomy.
- the spectrometers cover different ranges of optical delays, while in astronomy, the telescope mirrors cover different spatial openings.
- FIG. 7 represents an experimental example of the evolution of the resolution as a function of the number of coherence spectrometers on a helium laser line. neon. As can be seen, the resolution increases almost linearly according to the number of spectrometer. This curve was obtained using a CCD sensor of only 1024 pixels. For the configuration with nine spectrometers, the measured linewidth is of the order of 9 picometers. A larger 6000 pixel sensor achieves an equivalent resolution of over 70000 with only 5 coherence spectrometers instead of 9.
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Abstract
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. 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 déséquilibrés 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. Elle concerne également une association de tels dispositifs, les déséquilibres associés aux bras de chacun des interféromètres étant tous différents.
Description
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 ou tout autre système d'excitation, être transformé en plasma (mélange d'électrons libres, d'ions, d'atomes et de molécules). 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 Brehmsstrahlung 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 sont réalisées selon l'art antérieur avec une fibre optique placée au niveau de la 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 Brehmsstrahlung 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 déséquilibrés 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.
Notons que de façon générale, un tel spectromètre permettant de séparer la lumière incohérente de la lumière cohérente sera appelé « spectromètre de cohérence » (15).
Le déséquilibre introduit entre les bras de l'interféromètre permet la prise en compte de la cohérence temporelle et donc l'élimination du bruit introduit par la lumière blanche incohérente.
Notons que pour certaines applications, de grandes résolutions spectrales sont nécessaires. Un spectromètre de cohérence ne permet pas d'avoir une résolution spectrale suffisante, en raison du nombre de pixels de la CCD, et de la dimension des optiques. Une association particulière de plusieurs spectromètres de cohérence selon la présente invention, permet alors d'augmenter la résolution.
On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description, faite ci-après à titre purement explicatif, d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux figures annexées où : - la figure IA représente le schéma général du spectromètre selon l'invention ;
- la figure IB représente un second mode de réalisation possible du spectromètre selon l'invention ; la figure 2 représente un troisième 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 ;
la figure 5 représente un mode de réalisation possible du spectromètre selon l'invention sous une forme de Mach-Zhender ; la figure 6 représente le schéma général de l'association de trois spectromètres ;
- la figure 7 représente un exemple expérimental de l'évolution de la résolution en fonction du nombre de spectromètres de cohérence sur une raie du laser l'hélium néon.
Illustré figure IA, le spectromètre selon l'invention est par exemple mis en œuvre 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.
II 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 cylindrique légèrement incliné (7) et un miroir cylindrique non incliné (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 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 Iμm ; 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 cylindrique (β)-séparatrice) et (miroir cylindrique (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 Brehmsstrahlung) . En effet, la différence de marche entre les rayons issus du retard entre les deux bras de 1'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 interférences.
Le miroir (7) est incliné d'environ 0,2 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 (9).
Le capteur CCD peut être choisi selon une direction, par exemple une ligne de 8000 pixels, et la représentation des interfranges est obtenue d'une part grâce à une lentille doublet cylindrique (8) dans un sens pour faire l'image des franges, et des miroirs cylindriques (6) et (7) 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. La résolution spectrale typique obtenue à l'aide d'un spectromètre est de l'ordre de 1000 avec un capteur de 6000 pixels.
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.
II 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 IB représente un mode de réalisation de l'invention où les miroirs cylindriques (6) et (7) permettant la focalisation du faisceau dans le capteur CCD (9), sont remplacés dans une lentille cylindrique (8 ' ) . A la place des miroirs (6) et (7), sont alors placés un miroir plan non incliné (12) et un miroir plan incliné (13).
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 œuvre, le faisceau lumineux est séparé et recombiné au sein de prismes en silice fondue collés (lia) et (llb), ce qui renforce la stabilité du système interférométrique. Les miroirs plans (12) et (13) introduisent le déséquilibre des bras et le coin d'air nécessaire à l'invention et les lentilles cylindriques (8) et (8') permettent d'imager les franges d'interférence et de les focaliser par exemple sur une ligne pour la captation sur une caméra CCD (9). 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 œuvre 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.
La figure 5 illustre un mode de réalisation de l'invention dans le cas d'un interféromètre de type Mach- Zender. Dans ce type d'interféromètre, la différence de
marche entre les deux bras de l'interféromètre est obtenue par l'introduction des miroirs 13 A, 13B, 13C et 13D. La séparatrice 4'' joue alors le rôle de coin d'air pour l'observation des interférences au niveau du capteur 9.
II est entendu que les modes de réalisation présentés ci-dessus ne sont donnés qu'à titre d'exemple et que bien d'autres modes de mise en œuvre industrialisables de l'invention sont possibles pour réaliser au moins deux bras déséquilibrés associés à un coin d'air.
Enfin, notons que ce dispositif spectroscopique peut être tout particulièrement utilisé dans la détection de fluorescence faisant intervenir l'effet Brehmsstrahlung inverse produisant une lumière blanche incohérente par agitation thermique.
Dans ce cas, le dispositif est installé comme sur la figure IA en sortie d'une fibre optique (1) permettant le transport de la fluorescence, après un miroir collimateur (2).
Afin d'améliorer la résolution de l'instrument de mesure, il est également possible, selon un second aspect de l'invention, d'associer une pluralité de spectromètres de cohérence temporelle tels que précédemment décrits.
En effet, l'utilisation d'un spectromètre de cohérence tel que précédemment décrit ne permet d'acquérir qu'une partie de l'interférogramme correspondant aux franges d'interférences enregistrées sur le capteur CCD. L'association de plusieurs spectromètres de retards différents judicieusement choisis permet alors d'acquérir
plusieurs parties de l'interférogramme, et d'augmenter autant que souhaité la résolution de l'instrument.
Illustré figure 6, le spectromètre selon l'invention se compose par exemple d'une fibre optique divisible (1') placé au niveau de l'émission plasma (10) qui éclaire en parallèle plusieurs spectromètres de cohérence (15) ayant des réglages de déséquilibre des trajets optiques entre les bras différents les uns des autres.
II utilise par exemple un interféromètre de Michelson à coin d'air pour les faibles déséquilibres, et un interféromètre de Mach-Zhender pour les grands déséquilibres.
En effet, les grands déséquilibres de longueurs de bras peuvent poser des problèmes sur un interféromètre de Michelson, en raison de la limitation de profondeur de champ sur l'imagerie des franges d'interférences.
La méthode d'obtention du spectre à partir de l'acquisition de plusieurs interférogrammes peut s'expliquer de la manière suivante.
L'algorithme d'obtention du spectre est basé sur la transformée de Fourier. Pour un interférogramme simple obtenu à l'aide d'un seul interféromètre de cohérence, le calcul du spectre est bien connu de l'art antérieur, et se fait par simple transformée de Fourier suivi du calcul de la magnitude. Dans le cas de deux spectromètres de cohérence 15A, 15B associés, les interférogrammes obtenus sont SC(τ) et
SC(2τ), ces interférogrammes correspondants à deux spectromètres de cohérence de déséquilibres respectifs τ et
2τ. On calcule tout d'abord la transformée de Fourier
complexe du premier interférogramme FFT(SC(τ)), puis la transformée de Fourier complexe de la somme des deux interférogrammes FFT(SC(τ)+SC(2τ) ) . Le spectre issu de l'association des deux interféromètres de cohérence est finalement obtenu par calcul de la magnitude de la multiplication des transformées de Fourier précédentes : ABS[ FFT(SC(T)) * FFT(SC(τ)+SC(2t) ) ].
Pour un nombre de N spectromètres de cohérence ( 15A, 15B, 15C), la procédure est récursive. Le déséquilibre entre les bras de chaque spectromètre de cohérence ajouté est le double du précédent. Ainsi, l'interférogramme du troisième interféromètre s'écrit : SC(4τ) . Par exemple, le spectre pour trois spectromètres de cohérence sera obtenu à l'aide de la formule :
ABS[FFT(SC(t) )*FFT(SC(t)+SC(2t) ) *FFT(SC(T)+SC(2t)+ SC(4τ))].
 titre indicatif, ce système d'associations de spectromètres peut-être comparé à la synthèse d'ouverture utilisé en astronomie. Dans le cas présent, les spectromètres couvrent différentes plages de retards optiques, alors qu'en astronomie, les miroirs de télescope couvrent différentes ouvertures spatiales.
Afin d'améliorer les résultats spectroscopiques, il est préférable, même en associant plusieurs spectromètres de cohérence d'avoir les capteurs CCD avec le plus de pixels possible. Cela permet également de limiter le nombre de spectromètre de cohérence.
La figure 7 représente un exemple expérimental de l'évolution de la résolution en fonction du nombre de spectromètres de cohérence sur une raie du laser l'hélium
néon. Comme on peut le voir, la résolution augmente quasi linéairement en fonction du nombre de spectromètre. Cette courbe a été obtenue à l'aide d'un capteur CCD de seulement 1024 pixels. Pour la configuration à neuf spectromètres, la largeur de raie mesurée est de l'ordre de 9 picomètres. Un capteur plus large de 6000 pixels permet d'arriver à une résolution équivalente de plus de 70000 avec seulement 5 spectromètres de cohérence au lieu de 9.
Claims
1. Dispositif de spectrométrie caractérisé en ce qu'il comprend au moins un interféromètre séparateur de front d'onde comportant au moins deux bras déséquilibrés 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 déséquilibre entre les au moins deux bras est réglable.
3. Dispositif de spectrométrie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit interféromètre est du type
Michelson.
4. Dispositif de spectrométrie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit interféromètre est du type Mach-Zhender.
5. Dispositif de spectrométrie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de traitement du signal utilise une analyse par transformée de Fourier.
6. Dispositif de spectrométrie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif d'imagerie de franges comprend au moins une lentille doublet cylindrique pour imager lesdites franges.
7. Dispositif de spectrométrie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit capteur imageur est une caméra CCD.
8. Dispositif de spectrométrie selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de focalisation desdites franges vers ledit capteur.
9. Dispositif de spectrométrie caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité d'interféromètres (15A, 15B, 15C) séparateurs de front d'onde, chacun desdits interféromètre comportant deux bras déséquilibrés 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, les déséquilibres entre les deux bras de chacun desdits interféromètre étant différents.
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