EP4264212A1 - Device for measuring laser radiation by photoacoustic effect - Google Patents

Device for measuring laser radiation by photoacoustic effect

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EP4264212A1
EP4264212A1 EP21836495.8A EP21836495A EP4264212A1 EP 4264212 A1 EP4264212 A1 EP 4264212A1 EP 21836495 A EP21836495 A EP 21836495A EP 4264212 A1 EP4264212 A1 EP 4264212A1
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EP
European Patent Office
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cell
wavelength
laser
gas
laser radiation
Prior art date
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Pending
Application number
EP21836495.8A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Mathieu Carras
Guillaume AOUST
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Mirsense
Original Assignee
Mirsense
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Publication date
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    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
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    • G01N29/2418—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics
    • G01N29/2425—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics optoacoustic fluid cells therefor
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    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/021—Gases

Definitions

  • the invention relates to the field of photoacoustics and more specifically to the measurement of the power and the wavelength of laser radiation by photoacoustics.
  • the present invention relates to laser spectroscopy methods for which it is necessary to know or precisely control the power and the wavelength of the lasers used.
  • PA photoacoustic spectroscopy
  • Gas analysis by PA requires a pulsed or continuous laser source modulated in intensity and/or wavelength, a cell forming an acoustic resonator containing the gas to be analyzed and a detection microphone.
  • the PA effect in gas detection can be separated into 4 steps: (1) the laser radiation is absorbed by the gas thus exciting the rotational, electronic and vibrational energy levels; (2) In the case of ro-vibrational excitations, the gas will be preferentially de-excited by molecular collisions which will result in a transfer of rotational/vibrational energy and kinetic energy creating localized heating of the gas.
  • the radiative emission is not predominant in the case of excitations vibrational because of the long lifetime of the ro-vibrational radiative levels compared to the non-radiative ones in the pressures usually used in PA ( ⁇ 1 bar).
  • the energy absorbed by the gas is completely transferred in the form of heat by translation of kinetic energy in the gas atoms; (3) generation of an acoustic wave and a thermal wave caused by the expansion due to the heating of the gas; (4) detection by the microphone of the acoustic signal.
  • the vibration amplitude of the microphone is representative of the concentration of the gas and the wavelength of laser radiation absorbed by the gas indicates its composition.
  • the PA signal produced by the interaction between the laser and the gas studied is amplified before detection by the use of an acoustic cell having a resonant at a certain frequency.
  • a resonant cell known from the prior art is for example a cell of the dual Helmholtz resonator type comprising two first cavities connected to the detection microphone.
  • Impulse photoacoustics uses pulsed optical sources or continuous sources with an external mechanical or electro-optical modulator.
  • sources operating in quasi-continuous wave regime (or QCW for Quasi Continuous Wave).
  • the amplitude of the laser is modulated at a so-called repetition frequency much higher than that of the resonance of the cell, so that the laser radiation appears to be continuous from the point of view of the modulation frequency corresponding to the acoustic resonance.
  • the invention aims to overcome some of the aforementioned problems of the prior art. More precisely, the invention relates to a device making it possible to determine or control the wavelength and the power of laser radiation by photoacoustics using a simple and inexpensive assembly.
  • an object of the invention is a device for measuring laser radiation by photoacoustic effect comprising: a cell containing at least one gas having an absorption line with a central wavelength ⁇ c , an electro-acoustic transducer arranged within the cell and adapted to generate an electrical signal representative of the photoacoustic signal in the cell means for processing the electrical signal generated by the electro-acoustic transducer, in which an estimate of the concentration is stored of the gas or gases, at least one laser source adapted to emit laser radiation in the cell at a wavelength adapted to the excitation of at least one gas contained in the cell, said laser radiation exhibiting an oscillatorically variable wavelength around an average mean wavelength at a modulation frequency or an oscillatorily variable optical power around an average power at said frequency modulation, such that an interaction between the laser radiation and at least one gas contained in the cell induces the generation of a photoacoustic signal at a detection frequency of the electro-acoustic transducer, said cell being sealed by a membrane of so as
  • the laser source or sources are further configured so that said average wavelength changes over time and so that an excursion in average wavelength comprises said wavelength central wave
  • said processing means being further adapted to determine: an evolution of the phase of the photoacoustic signal over time from said electrical signal, the wavelength of the laser radiation from an evolution over time of said phase of the photoacoustic signal.
  • said processing means being further adapted to determine a power P L of the laser radiation, from the electrical signal and from said estimate;
  • the cell contains a plurality of distinct gases, each comprising at least one absorption line spectrally distinct from the others, said device further comprising a plurality of laser sources each located outside the cell and adapted to excite an associated gas;
  • the processing means are configured to determine a phase so-called slaving of the photoacoustic signal obtained for a so-called slaving wavelength AS of the laser source or sources;
  • the laser source(s) comprise(s) electrically pumped lasers, said device comprising a power supply circuit generating a pulsed electrical current called generation pumping the laser source(s), in order to cause the laser source(s) to operate in pulse mode,
  • the means processor being connected to the power supply circuit, said power supply circuit being configured to further generate a so-called base current taking non-zero values between laser pulses, and having an intensity lower than the intensity of the generation current at the course of the laser pulses,
  • Another object of the invention is a photoacoustic system, comprising: a measuring device according to the invention, a photoacoustic gas detection device having a laser input face, said device being adapted so that a first portion of the laser radiation emitted by at least one laser source illuminates said input face of the photoacoustic gas detection system [0013]
  • said cell comprises a laser output face, the at least one laser source and said photoacoustic gas detection device being arranged so that said first portion corresponds to the laser radiation passing through said output face.
  • laser output or it comprises an optical component adapted to separate said laser radiation into said first portion directed towards said laser input face of said photoacoustic system and a second portion directed into said cell.
  • a cell C containing at least one gas having an absorption line with a central wavelength ⁇ c , laser radiation at a wavelength suitable for the excitation of at least one gas contained in the cell, said laser radiation having a variable wavelength in an oscillatory manner around an average average wavelength at a modulation frequency such that an interaction between the laser radiation and at least one gas contained in the cell induces the generation of a photoacoustic signal, an average wavelength excursion of the laser radiation comprising said central wavelength, said average wavelength changing over time, said cell being sealed by a membrane so as to be impermeable to the gas(es) contained in the cell;
  • the measurement of the wavelength is carried out from the calculation of a maximum of a derivative of said evolution of the phase of the photoacoustic signal.
  • Figure 1 a schematic view of a device for measuring the power and the wavelength of LL laser radiation by photoacoustic effect according to the invention
  • Figure 2 a schematic view of a method for determining the wavelength and the power of laser radiation by photoacoustic effect according to the invention
  • Figure 3 a schematic view of a device according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 4 a schematic view of a device according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 5 a schematic view of a photoacoustic detection system comprising the device D according to the invention.
  • Figure 6 a schematic view of a photoacoustic detection system according to an alternative of the invention.
  • Figure 7 a schematic view of a photoacoustic detection system according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 8 a schematic view of a photoacoustic detection system according to embodiment of the invention
  • FIG. 1 schematically represents a device D for measuring the power and the wavelength of laser radiation LL by photoacoustic effect according to the invention.
  • the device D comprises a cell C containing at least one gas G which exhibits an absorption line with a central wavelength ⁇ c .
  • the device comprises at least one laser source L adapted to emit in the cell C laser radiation LL at a wavelength adapted to the excitation of the gas contained in the cell.
  • the device D also comprises an electro-acoustic transducer MP arranged within the cell and adapted to generate a signal Si representative of the photoacoustic signal generated in the cell.
  • the transducer makes it possible to determine the amplitude of the acoustic waves and thus to trace the power of the laser radiation, the concentration of the gaseous species studied being known (see below).
  • This transducer can for example be a microphone or even a tuning fork. In another embodiment, it may be an acoustic-optical-electrical transducer.
  • the laser source is configured so that the laser radiation LL has a variable wavelength in an oscillatory manner around an average average wavelength at a frequency /j of modulation, such such that an interaction between the laser radiation and the gas contained in the cell induces the generation of a photoacoustic signal (PA) at a detection frequency of the electro-acoustic transducer (first condition).
  • PA photoacoustic signal
  • the laser source L according to the invention is configured so that the average wavelength avg ) evolves over time over a duration T e and so that the excursion in average wavelength includes the central wavelength ⁇ c (second condition).
  • This therefore means that the average wavelength varies over a duration T e and takes a plurality of distinct values such that there is a first plurality of values such that and a second plurality of values such that
  • the function A avg is for example a ramp function and the function A PA is for example a triangle or square function or even a sinusoidal function.
  • the joint realization of these conditions makes it possible to exactly determine the wavelength of the radiation from the phase of the signal PA.
  • the laser source is configured so that the laser radiation LL has an optical power which is oscillatory variable around an average power at a modulation frequency, such that an interaction between the laser radiation and the gas contained in the cell induce the generation of a photoacoustic signal at a detection frequency of the electro-acoustic transducer.
  • the cell C is sealed by a membrane MB so as to be impermeable to the gas contained in the cell.
  • This membrane MB has an optical aperture transparent to the laser radiation emitted by the laser source(s) L.
  • transparent it is meant here that the transmission of the membrane is sufficient for the signal-to-noise ratio of the signal Si generated by the transducer MP to be greater than 1.
  • This membrane is a transparent wall that does not alter, or negligibly, the geometric properties of the beam during its propagation.
  • the device comprises the membrane MB sealing the cavity in order to ensure the presence of the known gas or gases and to allow the device to function as a photoacoustic sensor.
  • the concentration of the different gases in the cell is fixed and known and it is possible to determine the power of radiation thanks to the amplitude of the PA signal once the wavelength has been determined with precision (see below ).
  • the device D further comprises processing means UT of the electrical signal Si generated by the transducer MP.
  • the means of treatment are adapted to determine a measure of the wavelength of the LL radiation generating the PA signal.
  • the processing means are configured to determine an evolution of the signal PA over time over a duration T e of evolution of the mean wavelength.
  • the means UT are configured to determine an evolution of the phase of the signal PA represented by the signal Si(t).
  • the phase can be calculated as follows (Equation 1 ): PA signal Si(t).
  • the processing means UT of the electrical signal Si generated by the transducer MP comprise a synchronous detector adapted to simultaneously generate the signal PA and a signal representative of the evolution of the phase of the signal PA.
  • the processing means are then configured to calculate the derivative of the evolution of the phase ⁇ i (t) over the duration T e and to determine the maximum of the derivative over this period of time. In a manner known per se, this maximum is reached for a wavelength equal to the central wavelength c of the absorption peak of the gas.
  • a so-called servo wavelength A AS is chosen determined by the processing means corresponding to a phase called enslavement.
  • This wavelength measurement is accurate to typically 0.01 cm -1 for an absorption peak with a width of 0.15 cm -1 and for a signal to noise ratio for the PA signal detected by the MP transducer of 100. These values are given by way of non-limiting example. This measurement accuracy mainly depends on the gas concentration in the sealed cavity, the laser power entering the cavity, and the performance of the cavity (quality factor and noise).
  • the wavelength evolution sequence is repeated a plurality of times so that the processing means achieve an average of the evolutions of the PA signal obtained for each repetition. This makes it possible to obtain a more robust averaged PA signal and thus to improve the signal-to-noise ratio and therefore to improve the precision of the wavelength measurement.
  • the concentration C(i) of the various gaseous species G(i) is known and stored in the means UT.
  • the power P L of the laser radiation is calculated from the maximum Si max of the amplitude of the signal Si representative of the signal PA and of the concentration C of the gas at from which the PA signal is generated.
  • the laser power P L is deduced from the Si max of the amplitude of the signal Si representative of the signal PA and a coefficient K relating to the position of the length A AS with respect to the wavelength T c and the absorption peak shape.
  • the device D according to the invention is therefore a low-cost photoacoustic sensor which is an alternative to the power sensor and to the other wavelength determination techniques of the prior art.
  • the concentration of the gas or gases G in the cell is greater than 1 ppm. This is necessary to obtain a sufficient signal PA to allow a sufficiently precise determination of the wavelength and of the power P L .
  • the concentration of the gas or gases in the cell is greater than 100 ppm in order to be able to measure the fine variations in wavelength of the laser radiation LL.
  • the cell C contains a plurality of distinct gases, each comprising at least one absorption line spectrally distinct from the others and the device comprises a plurality of monochromatic laser sources each located at the outside the cell and adapted to illuminate the cell and thus excite an associated gas.
  • the device therefore makes it possible, for a plurality of laser sources, to measure the power and the wavelength.
  • only one laser source and one gas in the cell will be mentioned for the sake of brevity. It is understood that this choice constitutes a simple example and that all the embodiments of the device according to the invention also apply to the case where the device comprises a plurality of laser and gas sources in the cell C.
  • the source laser is adapted to emit a comb of frequencies, each of the frequencies being adapted to illuminate the cell and excite an associated gas.
  • Figure 2 illustrates a method of the invention adapted to determine the wavelength and the power of laser radiation by photoacoustic effect. This method is implemented by the device of FIGS. 1 and 3-6.
  • This method comprises a first step A implemented by the laser source(s) L consisting in generating, in the cell C, the laser radiation LL at a wavelength adapted to the excitation of at least one gas contained in the cell C.
  • the laser radiation LL generated has a variable wavelength ⁇ (t) in an oscillatory manner around a length medium wave average at a modulation frequency fi such that an interaction between the laser radiation and at least one gas contained in the cell induces the generation of the photoacoustic signal at a detection frequency of the electro-acoustic transducer MP.
  • the radiation generated has an average wavelength excursion of the laser radiation comprising the central wavelength of the gas absorption line in the cell and the average wavelength evolves over time over a period of time. T e .
  • the fact that the wavelength excursion includes the central wavelength ⁇ c is necessary so that the wavelength of the radiation scans the absorption line and that one can thus correctly calibrate the length of wave by associating the maximum of the PA signal with the central wavelength of the absorption line.
  • the method of FIG. 2 comprises a step B, after step A, of detection, by the electro-acoustic transducer, of the PA signal generated in the cell.
  • Step B includes a step of generating the signal Si representative of the photoacoustic signal in the cell.
  • the method comprises a step C for determining an evolution over time of the phase of the photoacoustic signal PA from the detected photoacoustic signal, for the duration T e .
  • the determination of the phase can be carried out by a preliminary step of the calculation of the Gabor transform of the PA signal at the modulation frequency and with equation 1.
  • this phase measurement is carried out by means of a synchronous detector suitable for simultaneously generating the signal PA and a signal representative of the evolution of the phase of the signal PA.
  • the phase ⁇ i (t) is determined by the processing means UT from the signal generated by the transducer MP by any method known to those skilled in the art.
  • the method comprises a step D of determining the wavelength of the radiation from the evolution over time of the phase of the photoacoustic signal over the duration T e .
  • this determination is made by calculating the maximum of the derivative of the evolution of the phase of the photoacoustic signal over the duration T e , this maximum being obtained for a radiation wavelength equal to the central wavelength ⁇ c .
  • the method of Figure 2 includes a final step E of determining the power P L of the laser radiation from the photoacoustic signal and an estimate of the gas concentration.
  • Steps C, D and E are implemented by the processing means UT.
  • the method of Figure 2 therefore allows the exact determination of the wavelength and then the determination of the laser power P L of the laser radiation generating the signal PA.
  • FIG. 3 shows a device according to a first embodiment of the invention in which the laser source or sources are sources electrically pumped by an AC power supply circuit.
  • the laser source is a quantum cascade laser or even laser diodes.
  • This power supply circuit is connected to the processing means UT and generates a so-called generation pulse electric current pumping the laser source in order to cause the laser source(s) to operate in pulse mode.
  • This waveform is given by way of non-limiting example, and any other waveform known to those skilled in the art and allowing the aforementioned conditions on the wavelength is able to be used ( see for example J. Saarela et al, "Wavelength modulation waveforms in laser photoacoustic spectroscopy," Appl. Opt. 48, 743-747 (2009)).
  • the AC power supply circuit is configured to further generate, apart from the application of the generation current, a so-called base current taking non-zero values between laser pulses with an intensity lower than the intensity of the generation current during the laser pulses.
  • This base current is modulated in intensity in order to generate the oscillatory variation of the wavelength and therefore generate the PA signal.
  • the base current is the base current and not the generation current which carries the waveform repeated over the period T e .
  • the power supply circuit is further controlled by the processing means and configured so that the base current is modulated in intensity so as to achieve a servo-control of the wavelength of the laser radiation LL on the central wavelength T c .
  • This slaving is carried out via the evolution of the phase of the signal PA which constitutes the error signal. Indeed, the phase has a significant slope (maximum derivative) and a linear behavior around the central wavelength ⁇ c which are ideal characteristics for a servo error signal.
  • the processing means controlling the power supply circuit are therefore configured so that the AC circuit injects a value of the generation current making it possible to obtain the wavelength T c .
  • the servo-control is carried out by the processing means, via feedback electronics, according to conventional servo-control methods, for example, without being restrictive, with PI or PID feedback electronics for Proportional Integral Derivative, alluding to the three modes of action on the feedback electronics error signal.
  • This type of feedback making it possible to make the error signal converge towards a fixed value is well known in automatic control.
  • the processing means are configured to perform a servo-control on a chosen servo-control wavelength A S -
  • the processing means are then configured to perform a servo-control of the AC power supply circuit or of the Temp control device (see figure 4) by maintaining the phase of the photoacoustic signal on the servo phase and therefore maintaining the wavelength of the laser source on the servo wavelength.
  • the processing means are suitable for adjusting the servo phase over time when it drifts, this drift possibly being caused by numerous experimental parameters, so that the wavelength is always slaved to the wavelength ⁇ AS -
  • FIG. 4 schematically shows a second embodiment of the invention identical to that of Figure 3, except that, here, the servo is performed by the processing means on a control device Temperature temp of the active zone of the laser L.
  • the wavelength emitted by the laser L can be expressed as follows:
  • the control of the temperature T of the active zone controlled by the processing means UT therefore makes it possible to achieve servo-control of the laser by maintaining the phase of the photoacoustic signal on the servo phase and therefore maintaining the wavelength of the laser source on the servo wavelength A AS .
  • the Temp control device is a resistor attached to or placed close to the active zone so as to be able to control its temperature.
  • the device Temp is a Peltier system comprising the laser L making it possible to precisely regulate the temperature T of the active zone.
  • the temperature control device is the AC power supply circuit of the laser L. Indeed, a higher injection current will heat the active area and will therefore modify the emitted wavelength. It is therefore possible to achieve servo-control of the laser by controlling the temperature of the active zone by means of the power supply circuit.
  • One application of the device according to the invention is to allow the control of the wavelength and of the laser power in combination with a gas detection device by photoacoustics.
  • FIG. 5 schematically illustrates a photoacoustic detection system DP, comprising the device D according to the invention adapted to measure the wavelength and the power of laser radiation by photoacoustics.
  • the DP system includes a conventional DPA photoacoustic gas sensing device having an EL laser entrance face.
  • the DPA device is a classic photoacoustic gas detection device.
  • the device D comprises an optical window called the laser output face FL traversed by a first portion of the laser radiation emitted by the source L in the cell.
  • the device DPA is arranged so that this first portion crosses the face EL and makes it possible to perform gas detection. It is the fact that the cell C is sealed which makes it possible to ensure the presence of the known gas in this cell and allows the operation of the device D as a photoacoustic sensor.
  • the device D is therefore a sensor that can easily be integrated into a photoacoustic assembly and which allows the measurement of the power and the wavelength of the laser radiation.
  • the device D also makes it possible to achieve precise servocontrol of the laser wavelength on a target value A AS in order to avoid any drift detrimental to gas detection by the device DPA.
  • FIG. 6 is an alternative to the embodiment of FIG. 5 in which a beam splitter LS separates the radiation emitted by the source L into a first portion of the laser radiation emitted by the source L towards the laser entry face EL and in the DPA device and in a second portion directed into the cell C.
  • this embodiment has the advantage of not degrading the optical properties of the laser beam directed towards the device DPA and reduce constraints in component architecture.
  • the DPA device comprises a laser output face and the device D is arranged so that radiation transmitted by the laser output face of the DPA device between in the cell C.
  • This embodiment has the advantage of taking into account possible additional degradations of the laser power which could take place in the gas cell of the DPA device, such as an obstruction of the face laser input.
  • the measurement of the wavelength and the control from the signal PA detected by the transducer MP is carried out by any method known to those skilled in the art.
  • the transducer MP is a microphone, for example a MEMS microphone (for micro electromechanical system) or ECM (for electret condenser microphone).
  • the microphone includes an external protective case (or cavity) which includes an acoustic entry zone adapted to let the acoustic waves enter the case in order to be detected by a DP diaphragm (for example a MEMS or ECM diaphragm).
  • the box surrounding the microphone MP constitutes the cell C and is impermeable to gas.
  • the membrane MB which seals the cell C so as to make it impermeable to the gas(es) contained in the cell thus forms the acoustic entry zone.
  • cell C is therefore not a resonant acoustic cavity.
  • the inventors have observed that for a concentration of approximately 1000ppm of H2O and an optical power of 1 mW it is not necessary to use a resonant acoustic cell in order to amplify the PA signal. It is understood that these values are given as an example and that another gas with another concentration can be used with a comparable optical power. This makes possible the use of a cell C of much smaller dimension than the resonant acoustic cavities typically used in the prior art.
  • the cell C formed by the housing of the microphone MP has dimensions of less than 3 mm by 4 mm by 1.2 mm, even more preferably less than 900 ⁇ m by 300 ⁇ m by 900pm.
  • the device of the invention therefore has a very high compactness.
  • FIG. 7 schematically illustrates an embodiment in which the microphone MP is a MEMS microphone with a diaphragm DP.
  • the device of FIG. 7 comprises an outer casing BE for protecting the diaphragm DP.
  • This housing BE comprises the gas G and is sealed by the membrane MB in order to constitute the cell C.
  • the device comprises a printed circuit board PCB which comprises the electrical contacts of the microphone and a connection cable DC connecting the microphone to the processing means UT.
  • Means of UT processing is for example an ASIC type component (for specific printed circuit or application-specific integrated circuit in English).
  • the device comprises an optional sealing layer CE, arranged above the PCB board in order to ensure the tightness of the cell C. This embodiment is very compact.
  • FIG. 8 illustrates a preferred embodiment of the invention.
  • the membrane MB for sealing the cavity C is formed by an assembly comprising a substrate Sub transparent to laser radiation LL deposited above the printed circuit PCB.
  • the printed circuit PCB includes the electrical contacts of the microphone MP which is connected to the processing means UT by the connection cable CC.
  • the PCB card has a gap H allowing the transmission of the LL radiation in the cavity C in order to allow the generation of the photoacoustic signal.
  • This construction of the membrane makes it possible to obtain a sealed membrane capable of taking up both the electrical contacts of the processing means UT in the microphone and possibly the electrical contacts of the laser L. Indeed, optionally, as shown in FIG. 8, the laser L is attached to the Sub substrate in order to increase the compactness of the device.
  • the device comprises welds between the substrate and the PCB board and between the PCB board and the diaphragm DP in order to seal the cell C.
  • the welds between the PCB board and the diaphragm DP can be functionalized in order to produce the electrical contacts of the microphone.

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Abstract

The invention relates to a device (D) for measuring the power and wavelength of laser radiation by photoacoustic effect, comprising: - a cell (C) containing at least one gas (G) having an absorption line with a central wavelength λc; - an electroacoustic transducer (MP) arranged within the cell and suitable for generating a signal (Si) representative of the photoacoustic signal in the cell; - means (UT) for processing the signal generated by the electroacoustic transducer, in which an estimate of the concentration of the gas or gases is stored; - at least one laser source (L) suitable for emitting, into the cell, laser radiation (LL) at a wavelength suitable for exciting at least one gas contained in the cell, said laser radiation having a wavelength that is variable so as to oscillate about a mean wavelength λmoy at a modulation frequency (f1) so that an interaction between the laser radiation and at least one gas contained in the cell induces the generation of a photoacoustic signal at a detection frequency of the electroacoustic transducer; said cell being sealed by a membrane (MB) so as to be impervious to the gas or gases contained in the cell and has an optical aperture that is transparent to laser radiation, the processing means being configured to determine a variation over time in the phase Φ(t) of the photoacoustic signal from said photoacoustic signal, the processing means being suitable for measuring the wavelength of the radiation from the photoacoustic signal.

Description

Description Description
Titre de l’invention : Dispositif de mesure d’un rayonnement laser par effet photoacoustique Title of the invention: Device for measuring laser radiation by photoacoustic effect
Domaine technique : Technical area :
[0001 ] L’invention relève du domaine de la photoacoustique et plus précisément de la mesure de la puissance et la longueur d’onde d’un rayonnement laser par photoacoustique. The invention relates to the field of photoacoustics and more specifically to the measurement of the power and the wavelength of laser radiation by photoacoustics.
Technique antérieure : Previous technique:
[0002] La présente invention concerne les méthodes de spectroscopie laser pour lesquelles il est nécessaire de connaître ou contrôler précisément la puissance et la longueur d’onde des lasers utilisés. The present invention relates to laser spectroscopy methods for which it is necessary to know or precisely control the power and the wavelength of the lasers used.
[0003] Parmi ces techniques, la spectroscopie photoacoustique (PA) est une méthode bien connue de l’homme de l’art. Cette technique d’analyse qualitative et quantitative permet de déterminer la composition de différents matériaux solides, liquides et les gaz. La technique repose sur l’interaction d’un rayonnement laser avec un matériau, ladite interaction permettant de générer une onde acoustique qui est ensuite analysée afin de caractériser le matériau étudié. Cette technique est particulièrement adaptée à la détection de gaz à l’aide de sources monochromatiques, compte tenu de la sélectivité naturelle du spectre d’absorption à raies des atomes de gaz. Le fort développement des sources lasers infrarouges compactes au cours de la dernière décennie (diodes lasers par exemple) a transformé la détection de gaz par PA en une solution robuste, compacte et simple. L’analyse de gaz par PA nécessite une source laser impulsionnelle ou continue et modulée en intensité et/ou en longueur d’onde, une cellule formant un résonateur acoustique contenant le gaz à analyser et un microphone de détection. L’effet PA dans la détection de gaz peut être séparé en 4 étapes : (1 ) le rayonnement laser est absorbé par le gaz excitant ainsi les niveaux d’énergies rotationnels, électroniques et vibrationnels; (2) Dans le cas d’excitations ro-vibrationnelles le gaz va se désexciter préférentiellement par collisions moléculaires qui vont se traduire par un transfert d’énergie de rotation/vibration et énergie cinétique créant un chauffage localisé du gaz. L’émission radiative n’est pas prédominante dans le cas d’excitations ro- vibrationnelles à cause de la grande durée de vie des niveaux radiatifs ro- vibrationnels comparés à ceux non-radiatifs dans les pressions habituellement utilisées en PA (~1 bar). En pratique, l’énergie absorbée par le gaz est complètement transférée sous la forme de chaleur par translation d’énergie cinétique dans les atomes de gaz ; (3) génération d’une onde acoustique et d’une onde thermique provoquée par l’expansion due au chauffage du gaz ; (4) détection par le microphone du signal acoustique. L’amplitude de vibration du microphone est représentative de la concentration du gaz et la longueur d’onde du rayonnement laser absorbée par le gaz indique sa composition. [0003] Among these techniques, photoacoustic spectroscopy (PA) is a method well known to those skilled in the art. This qualitative and quantitative analysis technique makes it possible to determine the composition of different solid, liquid and gas materials. The technique is based on the interaction of laser radiation with a material, said interaction making it possible to generate an acoustic wave which is then analyzed in order to characterize the material studied. This technique is particularly suitable for gas detection using monochromatic sources, given the natural selectivity of the lined absorption spectrum of gas atoms. The strong development of compact infrared laser sources over the last decade (laser diodes for example) has transformed PA gas detection into a robust, compact and simple solution. Gas analysis by PA requires a pulsed or continuous laser source modulated in intensity and/or wavelength, a cell forming an acoustic resonator containing the gas to be analyzed and a detection microphone. The PA effect in gas detection can be separated into 4 steps: (1) the laser radiation is absorbed by the gas thus exciting the rotational, electronic and vibrational energy levels; (2) In the case of ro-vibrational excitations, the gas will be preferentially de-excited by molecular collisions which will result in a transfer of rotational/vibrational energy and kinetic energy creating localized heating of the gas. The radiative emission is not predominant in the case of excitations vibrational because of the long lifetime of the ro-vibrational radiative levels compared to the non-radiative ones in the pressures usually used in PA (~1 bar). In practice, the energy absorbed by the gas is completely transferred in the form of heat by translation of kinetic energy in the gas atoms; (3) generation of an acoustic wave and a thermal wave caused by the expansion due to the heating of the gas; (4) detection by the microphone of the acoustic signal. The vibration amplitude of the microphone is representative of the concentration of the gas and the wavelength of laser radiation absorbed by the gas indicates its composition.
[0004] Dans la grande majorité des cas, pour l’analyse de gaz, le signal PA produit par l’interaction entre le laser et le gaz étudié est amplifié avant détection par l’utilisation d’une cellule acoustique présentant une résonnante à une certaine fréquence. Bien évidemment, cela requiert que le signal PA soit généré à la même fréquence que la fréquence de résonnance de la cellule. Une cellule résonante connue de l’art antérieur est par exemple une cellule de type résonateur de Helmholtz dual comprenant deux premières cavités reliées au microphone de détection. [0004] In the vast majority of cases, for gas analysis, the PA signal produced by the interaction between the laser and the gas studied is amplified before detection by the use of an acoustic cell having a resonant at a certain frequency. Of course, this requires that the PA signal be generated at the same frequency as the resonance frequency of the cell. A resonant cell known from the prior art is for example a cell of the dual Helmholtz resonator type comprising two first cavities connected to the detection microphone.
[0005] Pour cela, il est connu de moduler l’amplitude du rayonnement laser à la fréquence de résonnance de la cellule, ce qui provoquera une modulation du signal PA à la même fréquence. Il existe de nombreuses formes de modulation d’amplitude du rayonnement laser qui sont séparées en deux catégories : la photoacoustique continue et la photoacoustique impulsionnelle. For this, it is known to modulate the amplitude of the laser radiation at the resonance frequency of the cell, which will cause modulation of the PA signal at the same frequency. There are many forms of amplitude modulation of laser radiation which are separated into two categories: continuous photoacoustics and pulsed photoacoustics.
[0006] La photoacoustique impulsionnelle utilise des sources optiques pulsées ou des sources continues avec un modulateur mécanique ou électro-optique externe. Afin de générer un signal PA à la fréquence de résonnance de la cellule, il est connu d’utiliser des sources fonctionnant en régime d’ondes quasi-continues (ou QCW pour Quasi Continuous Wave). Dans ce cas, l’amplitude du laser est modulée à une fréquence dite fréquence de répétition très supérieure à celle de la résonnance de la cellule, de sorte que le rayonnement laser apparaisse comme continu du point de vue de la fréquence de modulation correspondant à la résonance acoustique. [0006] Impulse photoacoustics uses pulsed optical sources or continuous sources with an external mechanical or electro-optical modulator. In order to generate a PA signal at the resonance frequency of the cell, it is known to use sources operating in quasi-continuous wave regime (or QCW for Quasi Continuous Wave). In this case, the amplitude of the laser is modulated at a so-called repetition frequency much higher than that of the resonance of the cell, so that the laser radiation appears to be continuous from the point of view of the modulation frequency corresponding to the acoustic resonance.
[0007] En photoacoustique, il est aussi connu de moduler la longueur d’onde du rayonnement laser comme le montrent J. Saarela ét al,, "Wavelength modulation waveforms in laser photoacoustic spectroscopy," Appl. Opt. 48, 743-747 (2009). Dans ce cas, on module la longueur d’onde laser autour d’un pic d’absorption du gaz étudié. La modulation de la longueur d’onde laser permet, en théorie, d’éviter que le bruit provenant de l’interaction entre le rayonnement laser et les parois de la cellule perturbe la détermination de la concentration du gaz étudié. In photoacoustics, it is also known to modulate the wavelength of laser radiation as shown by J. Saarela et al, "Wavelength modulation waveforms in laser photoacoustic spectroscopy," Appl. Opt. 48, 743-747 (2009). In this case, the laser wavelength is modulated around an absorption peak of the gas studied. The modulation of the laser wavelength makes it possible, in theory, to avoid that the noise coming from the interaction between the laser radiation and the walls of the cell disturbs the determination of the concentration of the gas studied.
[0008] L’un des inconvénients des techniques de spectroscopie laser est que la précision de la mesure des gaz repose sur une parfaite connaissance de la longueur d’onde du laser et de l’évolution de sa puissance dans le temps. En effet, une erreur sur la longueur d’onde peut entrainer une erreur sur l’estimation de la concentration de gaz à détecter par exemple. Souvent, les instruments incorporent un détecteur de puissance ce qui complexifie le montage et augmente le cout du dispositif. Pour la détermination de la longueur d’onde, des méthodes de balayage peuvent être employées mais elles peuvent se révéler moins performantes lors de mesures de concentrations de gaz proche de la limite de sensibilité de l’instrument. Dans tous les cas, les caractéristiques des lasers peuvent évoluer finement dans le temps, mais de manière suffisante pour nécessiter une adaptation de l’instrument qui détecte le gaz. [0008] One of the drawbacks of laser spectroscopy techniques is that the precision of gas measurement relies on perfect knowledge of the wavelength of the laser and the evolution of its power over time. Indeed, an error in the wavelength can lead to an error in the estimation of the gas concentration to be detected, for example. Often, the instruments incorporate a power detector which complicates the assembly and increases the cost of the device. For the determination of the wavelength, scanning methods can be used but they can prove to be less efficient when measuring gas concentrations close to the sensitivity limit of the instrument. In all cases, the characteristics of the lasers can evolve finely over time, but enough to require adaptation of the instrument that detects the gas.
[0009] L’invention vise à pallier certains des problèmes précités de l’art antérieur. Plus précisément, l’invention porte sur un dispositif permettant de déterminer ou maîtriser la longueur d’onde et la puissance d’un rayonnement laser par photoacoustique à l’aide d’un montage simple et peu coûteux. The invention aims to overcome some of the aforementioned problems of the prior art. More precisely, the invention relates to a device making it possible to determine or control the wavelength and the power of laser radiation by photoacoustics using a simple and inexpensive assembly.
Résumé de l’invention : Summary of the invention:
[0010] A cet effet, un objet de l’invention est un dispositif de mesure d’un rayonnement laser par effet photoacoustique comprenant : une cellule contenant au moins un gaz présentant une raie d’absorption avec une longueur d’onde centrale Âc, un transducteur électro-acoustique agencé au sein de la cellule et adapté pour générer un signal électrique représentatif du signal photoacoustique dans la cellule des moyens de traitement du signal électrique généré par le transducteur électro-acoustique, dans lesquels est stockée une estimation de la concentration du ou des gaz, au moins une source laser adaptée pour émettre dans la cellule un rayonnement laser à une longueur d’onde adaptée à l’excitation d’au moins un gaz contenu dans la cellule, ledit rayonnement laser présentant une longueur d’onde variable de manière oscillatoire autour d’une longueur d’onde moyenne moy à une fréquence de modulation ou une puissance optique variable de manière oscillatoire autour d’une puissance moyenne à ladite fréquence de modulation, de telle sorte qu’une interaction entre le rayonnement laser et au moins un gaz contenu dans la cellule induise la génération d’un signal photoacoustique à une fréquence de détection du transducteur électro-acoustique, ladite cellule étant scellée par une membrane de manière à être imperméable au(x) gaz contenus dans la cellule et possédant une ouverture optique transparente au rayonnement laser, lesdits moyens de traitement étant adaptés pour déterminer la longueur d’onde du rayonnement laser à partir du signal photoacoustique. To this end, an object of the invention is a device for measuring laser radiation by photoacoustic effect comprising: a cell containing at least one gas having an absorption line with a central wavelength  c , an electro-acoustic transducer arranged within the cell and adapted to generate an electrical signal representative of the photoacoustic signal in the cell means for processing the electrical signal generated by the electro-acoustic transducer, in which an estimate of the concentration is stored of the gas or gases, at least one laser source adapted to emit laser radiation in the cell at a wavelength adapted to the excitation of at least one gas contained in the cell, said laser radiation exhibiting an oscillatorically variable wavelength around an average mean wavelength at a modulation frequency or an oscillatorily variable optical power around an average power at said frequency modulation, such that an interaction between the laser radiation and at least one gas contained in the cell induces the generation of a photoacoustic signal at a detection frequency of the electro-acoustic transducer, said cell being sealed by a membrane of so as to be impermeable to the gas(es) contained in the cell and having an optical aperture transparent to laser radiation, said processing means being adapted to determine the wavelength of the laser radiation from the photoacoustic signal.
[0011 ] Selon des modes particuliers de l’invention : la ou les sources lasers sont en outre configurées pour que ladite longueur d’onde moyenne évolue au cours du temps et pour qu’une excursion en longueur d’onde moyenne comprenne ladite longueur d’onde centrale, lesdits moyens de traitement étant en outre adaptés pour déterminer : une évolution de la phase du signal photoacoustique au cours du temps à partir dudit signal électrique, la longueur d’onde du rayonnement laser à partir d’une évolution au cours du temps de ladite phase du signal photoacoustique. lesdits moyens de traitement étant en outre adaptés pour déterminer une puissance PL du rayonnement laser, à partir du signal électrique et de ladite estimation ; la cellule contient une pluralité de gaz distincts, chacun comprenant au moins une raie d’absorption spectralement distincte des autres, ledit dispositif comprenant en outre une pluralité de sources lasers chacune située à l’extérieur de la cellule et adaptée pour exciter un gaz associé ; les moyens de traitement sont configurés pour déterminer une phase dite d’asservissement du signal photoacoustique obtenue pour une longueur d’onde AS dite d’asservissement de la ou des sources lasers ; la ou les sources lasers comprennent des lasers à pompage électrique, ledit dispositif comprenant un circuit d’alimentation générant un courant électrique impulsionnel dit de génération pompant la ou les sources lasers, afin de faire fonctionner le ou les sources lasers en mode impulsionnel, les moyens de traitement étant reliés au circuit d’alimentation, ledit circuit d’alimentation étant configuré pour générer en outre un courant dit de base prenant des valeurs non nulles entre des impulsions lasers, et présentant une intensité inférieure à l’intensité du courant de génération au cours des impulsions laser, le courant de base étant modulé en intensité afin de générer ladite variation oscillatoire de la longueur d’onde ; le circuit d’alimentation est configuré pour que le courant de base soit modulé en intensité de manière à réaliser un asservissement de la phase du signal photoacoustique sur ladite phase d’asservissement ; le dispositif comprend un dispositif de contrôle d’une température d’une zone active de la ou des sources lasers, relié aux moyens de traitement, ledit dispositif de contrôle de la température étant configuré pour ajuster la température de la zone active de la ou des sources lasers de manière à réaliser l’asservissement de la phase du signal photoacoustique sur ladite phase d’asservissement ; le dispositif de contrôle de la température est une résistance, un système Peltier ou ledit circuit d’alimentation ; la concentration du ou des gaz est supérieure à 1 ppm, préférentiellement supérieure à 100 ppm ; le transducteur est un microphone comprenant un boitier imperméable au(x) gaz, dans lequel est compris un diaphragme adapté pour détecter le signal photoacoustique, la cellule étant formée par ledit boitier. [0011] According to particular embodiments of the invention: the laser source or sources are further configured so that said average wavelength changes over time and so that an excursion in average wavelength comprises said wavelength central wave, said processing means being further adapted to determine: an evolution of the phase of the photoacoustic signal over time from said electrical signal, the wavelength of the laser radiation from an evolution over time of said phase of the photoacoustic signal. said processing means being further adapted to determine a power P L of the laser radiation, from the electrical signal and from said estimate; the cell contains a plurality of distinct gases, each comprising at least one absorption line spectrally distinct from the others, said device further comprising a plurality of laser sources each located outside the cell and adapted to excite an associated gas; the processing means are configured to determine a phase so-called slaving of the photoacoustic signal obtained for a so-called slaving wavelength AS of the laser source or sources; the laser source(s) comprise(s) electrically pumped lasers, said device comprising a power supply circuit generating a pulsed electrical current called generation pumping the laser source(s), in order to cause the laser source(s) to operate in pulse mode, the means processor being connected to the power supply circuit, said power supply circuit being configured to further generate a so-called base current taking non-zero values between laser pulses, and having an intensity lower than the intensity of the generation current at the course of the laser pulses, the basic current being modulated in intensity in order to generate said oscillatory variation of the wavelength; the power supply circuit is configured so that the base current is modulated in intensity so as to achieve a slaving of the phase of the photoacoustic signal on said slaving phase; the device comprises a device for controlling a temperature of an active zone of the laser source or sources, connected to the processing means, said temperature control device being configured to adjust the temperature of the active zone of the laser source or sources laser sources so as to achieve the slaving of the phase of the photoacoustic signal on said slaving phase; the temperature control device is a resistor, a Peltier system or said power supply circuit; the concentration of the gas or gases is greater than 1 ppm, preferably greater than 100 ppm; the transducer is a microphone comprising a box impermeable to gas(es), in which is included a diaphragm suitable for detecting the photoacoustic signal, the cell being formed by said box.
[0012] Un autre objet de l’invention est un système photoacoustique, comprenant : un dispositif de mesure selon l’invention, un dispositif de détection de gaz photoacoustique possédant une face d’entrée laser, ledit dispositif étant adapté pour qu’une première portion du rayonnement laser émis par au moins une source laser illumine ladite face d’entrée du système détection de gaz photoacoustique [0013] Selon des modes particuliers de ce système, ladite cellule comprend une face de sortie laser, l’au moins une source laser et ledit dispositif de détection de gaz photoacoustique étant agencés pour que ladite première portion corresponde au rayonnement laser traversant ladite face de sortie laser ou il comprend un composant optique adapté pour séparer ledit rayonnement laser en ladite première portion dirigée vers ladite face d’entrée laser dudit système photoacoustique et une deuxième portion dirigée dans ladite cellule. Another object of the invention is a photoacoustic system, comprising: a measuring device according to the invention, a photoacoustic gas detection device having a laser input face, said device being adapted so that a first portion of the laser radiation emitted by at least one laser source illuminates said input face of the photoacoustic gas detection system [0013] According to particular modes of this system, said cell comprises a laser output face, the at least one laser source and said photoacoustic gas detection device being arranged so that said first portion corresponds to the laser radiation passing through said output face. laser output or it comprises an optical component adapted to separate said laser radiation into said first portion directed towards said laser input face of said photoacoustic system and a second portion directed into said cell.
[0014] Un autre objet de l’invention est une méthode de détermination de la longueur d’onde et de la puissance d’un rayonnement laser par effet photoacoustique comprenant les étapes suivantes : Another object of the invention is a method for determining the wavelength and the power of laser radiation by photoacoustic effect comprising the following steps:
Générer, dans une cellule C contenant au moins un gaz présentant une raie d’absorption avec une longueur d’onde centrale Âc, un rayonnement laser à une longueur d’onde adaptée à l’excitation d’au moins un gaz contenu dans la cellule, ledit rayonnement laser présentant une longueur d’onde variable de manière oscillatoire autour d’une longueur d’onde moyenne moy à une fréquence de modulation de telle sorte qu’une interaction entre le rayonnement laser et au moins un gaz contenu dans la cellule induise la génération d’un signal photoacoustique, une excursion en longueur d’onde moyenne du rayonnement laser comprenant ladite longueur d’onde centrale, ladite longueur d’onde moyenne évoluant au cours du temps, ladite cellule étant scellée par une membrane de manière à être imperméable au(x) gaz contenus dans la cellule ; Generate, in a cell C containing at least one gas having an absorption line with a central wavelength  c , laser radiation at a wavelength suitable for the excitation of at least one gas contained in the cell, said laser radiation having a variable wavelength in an oscillatory manner around an average average wavelength at a modulation frequency such that an interaction between the laser radiation and at least one gas contained in the cell induces the generation of a photoacoustic signal, an average wavelength excursion of the laser radiation comprising said central wavelength, said average wavelength changing over time, said cell being sealed by a membrane so as to be impermeable to the gas(es) contained in the cell;
Détecter ledit signal photoacoustique et générer un signal électrique (Si) représentatif du signal photoacoustique dans la cellule ; detecting said photoacoustic signal and generating an electrical signal (Si) representative of the photoacoustic signal in the cell;
Déterminer une évolution au cours du temps de la phase 4 (t) du signal photoacoustique à partir dudit signal photoacoustique, Determine an evolution over time of phase 4 (t) of the photoacoustic signal from said photoacoustic signal,
Mesurer la longueur d’onde du rayonnement à partir d’une évolution au cours du temps de ladite phase du signal photoacoustique, et Measure the wavelength of the radiation from an evolution over time of said phase of the photoacoustic signal, and
Mesurer une puissance PL du rayonnement laser, à partir du signal électrique et d’une estimation de la concentration du ou des gaz. [0015] Selon un mode particulier de la méthode de l’invention, la mesure de la longueur d’onde est réalisée à partir du calcul d’un maximum d’une dérivée de ladite évolution de la phase du signal photoacoustique. Measure a power P L of the laser radiation, from the electrical signal and an estimate of the concentration of the gas or gases. According to a particular embodiment of the method of the invention, the measurement of the wavelength is carried out from the calculation of a maximum of a derivative of said evolution of the phase of the photoacoustic signal.
Brève description des figures : Brief description of figures:
[0016] D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement : Other characteristics, details and advantages of the invention will become apparent on reading the description made with reference to the appended drawings given by way of example and which represent, respectively:
[0017] La Figure 1 , une vue schématique d’un dispositif de mesure de la puissance et de la longueur d’onde d’un rayonnement laser LL par effet photoacoustique selon l’invention ; [0017] Figure 1, a schematic view of a device for measuring the power and the wavelength of LL laser radiation by photoacoustic effect according to the invention;
[0018] La Figure 2, une vue schématique d’une méthode de détermination de la longueur d’onde et de la puissance d’un rayonnement laser par effet photoacoustique selon l’invention ; Figure 2, a schematic view of a method for determining the wavelength and the power of laser radiation by photoacoustic effect according to the invention;
[0019] La Figure 3, une vue schématique d’un dispositif selon un premier mode de réalisation de l’invention ; Figure 3, a schematic view of a device according to a first embodiment of the invention;
[0020] La Figure 4, une vue schématique d’un dispositif selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ; Figure 4, a schematic view of a device according to a second embodiment of the invention;
[0021 ] La Figure 5, une vue schématique d’un système de détection photoacoustique comprenant le dispositif D selon l’invention ; [0021] Figure 5, a schematic view of a photoacoustic detection system comprising the device D according to the invention;
[0022] La Figure 6, une vue schématique d’un système de détection photoacoustique selon une alternative de l’invention ; [0022] Figure 6, a schematic view of a photoacoustic detection system according to an alternative of the invention;
[0023] La Figure 7, une vue schématique d’un système de détection photoacoustique selon un mode de réalisation de l’invention ; Figure 7, a schematic view of a photoacoustic detection system according to one embodiment of the invention;
[0024] La Figure 8, une vue schématique d’un système de détection photoacoustique selon mode de réalisation de l’invention [0024] Figure 8, a schematic view of a photoacoustic detection system according to embodiment of the invention
[0025] Les références aux figures, quand elles sont identiques, correspondent aux mêmes éléments. The references to the figures, when they are identical, correspond to the same elements.
[0026] Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle. [0026] In the figures, unless otherwise indicated, the elements are not to scale.
Description détaillée : [0027] La figure 1 représente schématiquement un dispositif D de mesure de la puissance et de la longueur d’onde d’un rayonnement laser LL par effet photoacoustique selon l’invention. Le dispositif D comprend une cellule C contenant au moins un gaz G qui présente une raie d’absorption avec une longueur d’onde centrale Âc. De plus, le dispositif comprend au moins une source laser L adaptée pour émettre dans la cellule C un rayonnement laser LL à une longueur d’onde adaptée à l’excitation du gaz contenu dans la cellule. Detailed description : FIG. 1 schematically represents a device D for measuring the power and the wavelength of laser radiation LL by photoacoustic effect according to the invention. The device D comprises a cell C containing at least one gas G which exhibits an absorption line with a central wavelength  c . In addition, the device comprises at least one laser source L adapted to emit in the cell C laser radiation LL at a wavelength adapted to the excitation of the gas contained in the cell.
[0028] Le dispositif D comprend également un transducteur électro-acoustique MP agencé au sein de la cellule et adapté pour générer un signal Si représentatif du signal photoacoustique généré dans la cellule. Le transducteur permet de déterminer l’amplitude des ondes acoustiques et ainsi de remonter à la puissance du rayonnement laser, la concentration de l’espèce gazeuse étudiée étant connue (voir plus loin). Ce transducteur peut par exemple être un microphone ou encore un diapason. Dans un autre mode de réalisation, il peut être un transducteur acoustique-optique-électrique. The device D also comprises an electro-acoustic transducer MP arranged within the cell and adapted to generate a signal Si representative of the photoacoustic signal generated in the cell. The transducer makes it possible to determine the amplitude of the acoustic waves and thus to trace the power of the laser radiation, the concentration of the gaseous species studied being known (see below). This transducer can for example be a microphone or even a tuning fork. In another embodiment, it may be an acoustic-optical-electrical transducer.
[0029] De manière connue en soi, la source laser est configuré pour que le rayonnement laser LL présente une longueur d’onde variable de manière oscillatoire autour d’une longueur d’onde moyenne moy à une fréquence /j de modulation, de telle sorte qu’une interaction entre le rayonnement laser et le gaz contenu dans la cellule induise la génération d’un signal photoacoustique (PA) à une fréquence de détection du transducteur électro-acoustique (première condition). In a manner known per se, the laser source is configured so that the laser radiation LL has a variable wavelength in an oscillatory manner around an average average wavelength at a frequency /j of modulation, such such that an interaction between the laser radiation and the gas contained in the cell induces the generation of a photoacoustic signal (PA) at a detection frequency of the electro-acoustic transducer (first condition).
[0030] De plus, la source laser L selon l’invention est configurée pour que la longueur d’onde moyenne moy ) évolue au cours du temps sur une durée Te et pour que l’excursion en longueur d’onde moyenne comprenne la longueur d’onde centrale Âc (deuxième condition). Cela signifie donc que la longueur d’onde moyenne varie sur une durée Te et prend une pluralité de valeurs distinctes tel qu’il existe une première pluralité de valeurs telles que et une deuxième pluralité de valeurs telles que [0030] In addition, the laser source L according to the invention is configured so that the average wavelength avg ) evolves over time over a duration T e and so that the excursion in average wavelength includes the central wavelength  c (second condition). This therefore means that the average wavelength varies over a duration T e and takes a plurality of distinct values such that there is a first plurality of values such that and a second plurality of values such that
[0031] Concrètement, la longueur d’onde émise selon les deux conditions par la source laser L peut s’exprimer sous la forme suivante : Â(t) = avec Âmoy(t) une fonction qui correspond à la valeur moyenne de la longueur d’onde du rayonnement et APA une fonction qui représente la partie oscillatoire de la longueur d’onde à la fréquence f , dont la valeur moyenne vaut 0, et qui permet de générer de générer le signal PA dans la cellule. La fonction Amoy est par exemple une fonction rampe et la fonction APA est par exemple une fonction triangle ou carré ou encore sinusoïdale. Comme cela sera précisé plus loin, la réalisation conjointe de ces conditions rend possible la détermination exacte la longueur d’onde du rayonnement à partir de la phase du signal PA. Ces formes d’onde sont données à titre d’exemple non limitatif, et tout autre forme d’onde connue de l’homme de l’art et permettant les conditions précités sur la longueur d’onde est à même d’être utilisée. In concrete terms, the wavelength emitted according to the two conditions by the laser source L can be expressed in the following form: Â(t) = with  avg (t) a function which corresponds to the average value of the wavelength of the radiation and A PA a function which represents the oscillatory part of the length wave at the frequency f, the average value of which is 0, and which makes it possible to generate the signal PA in the cell. The function A avg is for example a ramp function and the function A PA is for example a triangle or square function or even a sinusoidal function. As will be specified further on, the joint realization of these conditions makes it possible to exactly determine the wavelength of the radiation from the phase of the signal PA. These waveforms are given by way of non-limiting example, and any other waveform known to those skilled in the art and allowing the aforementioned conditions on the wavelength can be used.
[0032] Selon un autre mode de réalisation, la source laser est configuré pour que le rayonnement laser LL présente une puissance optique variable de manière oscillatoire autour d’une puissance moyenne à une fréquence de modulation, de telle sorte qu’une interaction entre le rayonnement laser et le gaz contenu dans la cellule induise la génération d’un signal photoacoustique à une fréquence de détection du transducteur électro-acoustique. Dans ce mode de réalisation, la source laser est configurée pour que la longueur d’onde émise soit alors simplement sous la forme suivante : Â(t) = PA(t). [0032] According to another embodiment, the laser source is configured so that the laser radiation LL has an optical power which is oscillatory variable around an average power at a modulation frequency, such that an interaction between the laser radiation and the gas contained in the cell induce the generation of a photoacoustic signal at a detection frequency of the electro-acoustic transducer. In this embodiment, the laser source is configured so that the wavelength emitted is then simply in the following form: λ(t)= PA (t).
[0033] De manière notable, dans tous les modes de réalisation de l’invention, la cellule C est scellée par une membrane MB de manière à être imperméable au gaz contenu dans la cellule. Cette membrane MB possède une ouverture optique transparente au rayonnement laser émise par la ou les sources lasers L. Par transparente, on entend ici que la transmission de la membrane soit suffisante pour que le rapport signal sur bruit du signal Si généré par le transducteur MP soit supérieur à 1 . Cette membrane est une paroi transparente qui n’altère pas, ou de manière négligeable, les propriétés géométriques du faisceau au cours de sa propagation. A l’inverse des dispositifs photoacoustique de détection de gaz de l’art antérieur, le dispositif comprend la membrane MB scellant la cavité afin d’assurer la présence du ou des gaz connus et de permettre au dispositif de fonctionner comme un capteur photoacoustique. Ainsi, la concentration des différents gaz dans la cellule est fixée et connue et il est possible de déterminer la puissance d’un rayonnement grâce à l’amplitude du signal PA une fois que la longueur d’onde est déterminée avec précision (voir plus loin). Notably, in all the embodiments of the invention, the cell C is sealed by a membrane MB so as to be impermeable to the gas contained in the cell. This membrane MB has an optical aperture transparent to the laser radiation emitted by the laser source(s) L. By transparent, it is meant here that the transmission of the membrane is sufficient for the signal-to-noise ratio of the signal Si generated by the transducer MP to be greater than 1. This membrane is a transparent wall that does not alter, or negligibly, the geometric properties of the beam during its propagation. Unlike the photoacoustic gas detection devices of the prior art, the device comprises the membrane MB sealing the cavity in order to ensure the presence of the known gas or gases and to allow the device to function as a photoacoustic sensor. Thus, the concentration of the different gases in the cell is fixed and known and it is possible to determine the power of radiation thanks to the amplitude of the PA signal once the wavelength has been determined with precision (see below ).
[0034] Le dispositif D comprend en outre des moyens de traitement UT du signal Si électrique généré par le transducteur MP. Les moyens de traitement sont adaptés pour déterminer une mesure de la longueur d’onde du rayonnement LL générant le signal PA. Pour cela, les moyens de traitement sont configurés pour déterminer une évolution du signal PA au cours du temps sur une durée Te d’évolution de la longueur d’onde moyenne. A partir de cette évolution, les moyens UT sont configurés pour déterminer une évolution de la phase du signal PA représenté par le signal Si(t). Par exemple, la phase peut être calculée de la manière suivante (Equation 1 ): ] ormée de Gabor du signal PA Si(t). The device D further comprises processing means UT of the electrical signal Si generated by the transducer MP. The means of treatment are adapted to determine a measure of the wavelength of the LL radiation generating the PA signal. For this, the processing means are configured to determine an evolution of the signal PA over time over a duration T e of evolution of the mean wavelength. From this evolution, the means UT are configured to determine an evolution of the phase of the signal PA represented by the signal Si(t). For example, the phase can be calculated as follows (Equation 1 ): PA signal Si(t).
[0035] Alternativement, les moyens de traitement UT du signal Si électrique généré par le transducteur MP comprennent un détecteur synchrone adapté pour générer simultanément le signal PA et un signal représentatif de l’évolution de la phase du signal PA. Alternatively, the processing means UT of the electrical signal Si generated by the transducer MP comprise a synchronous detector adapted to simultaneously generate the signal PA and a signal representative of the evolution of the phase of the signal PA.
[0036] Selon un mode de réalisation, les moyens de traitement sont alors configurés pour calculer la dérivée de l’évolution du la phase <i (t) sur la durée Te et déterminer le maximum de la dérivée sur cette période de temps. De manière connue en soit, ce maximum est atteint pour une longueur d’onde égale à la longueur d’onde centrale c du pic d’absorption du gaz. Ainsi, la détermination du maximum de la dérivée de l’évolution de la phase permet une détermination exacte de l’instant pour lequel la valeur de la longueur d’onde du rayonnement laser est telle que T = c. Dans le cas d’une source laser pompée électriquement, il est alors possible d’associer une valeur du courant d’alimentation permettant de générer un rayonnement laser à cette longueur d’onde T = c. Dans la suite, cette valeur du courant d’alimentation sera utilisée pour réaliser un asservissement du laser sur cette longueur d’onde (voir plus loin). According to one embodiment, the processing means are then configured to calculate the derivative of the evolution of the phase <i (t) over the duration T e and to determine the maximum of the derivative over this period of time. In a manner known per se, this maximum is reached for a wavelength equal to the central wavelength c of the absorption peak of the gas. Thus, the determination of the maximum of the derivative of the evolution of the phase allows an exact determination of the instant for which the value of the wavelength of the laser radiation is such that T= c . In the case of an electrically pumped laser source, it is then possible to associate a value of the supply current making it possible to generate laser radiation at this wavelength T= c . In the following, this value of the supply current will be used to achieve a servo-control of the laser on this wavelength (see below).
[0037] De plus, après déterminer l’instant pour lequel T = c, en comparant l’évolution (ü) de la longueur d’onde au cours du temps connue et l’évolution de la phase du signal PA mesurée on associe une phase du signal PA à une longueur d’onde (ü) du rayonnement laser prise à un instant t. Ainsi, la mesure ultérieure de la phase 4 (t) du signal PA permet la détermination instantanée de la longueur d’onde du rayonnement laser correspondante. [0037] In addition, after determining the instant for which T = c , by comparing the evolution (ü) of the known wavelength over time and the evolution of the phase of the measured PA signal a phase of the signal PA is associated with a wavelength (ü) of the laser radiation taken at a time t. Thus, the subsequent measurement of the phase 4 (t) of the PA signal allows the instantaneous determination of the wavelength of the corresponding laser radiation.
[0038] Dans la suite, on choisit une longueur d’onde dite d’asservissement AAS déterminée par les moyens de traitement correspondant à une phase dite d’asservissement. In the following, a so-called servo wavelength A AS is chosen determined by the processing means corresponding to a phase called enslavement.
[0039] Cette mesure de la longueur d’onde est précise à typiquement 0.01 cm-1pour un pic d’absorption de largeur 0.15 cm-1 et pour un rapport signal sur bruit pour le signal PA détecté par le transducteur MP de 100. Ces valeurs sont données à titre d’exemple non limitatif. Cette précision de la mesure dépend principalement de la concentration de gaz dans la cavité scellée, de la puissance laser entrant dans la cavité, et de la performance de la cavité (facteur de qualité et bruit). This wavelength measurement is accurate to typically 0.01 cm -1 for an absorption peak with a width of 0.15 cm -1 and for a signal to noise ratio for the PA signal detected by the MP transducer of 100. These values are given by way of non-limiting example. This measurement accuracy mainly depends on the gas concentration in the sealed cavity, the laser power entering the cavity, and the performance of the cavity (quality factor and noise).
[0040] Selon un mode de réalisation, la séquence d’évolution de la longueur d’onde est répétée une pluralité de fois de manière à ce que les moyens de traitement réalisent une moyenne des évolutions du signal PA obtenues pour chaque répétition. Cela permet d’obtenir un signal PA moyenné plus robuste et ainsi d’améliorer le rapport signal sur bruit et donc d’améliorer la précision de la mesure de la longueur d’onde. According to one embodiment, the wavelength evolution sequence is repeated a plurality of times so that the processing means achieve an average of the evolutions of the PA signal obtained for each repetition. This makes it possible to obtain a more robust averaged PA signal and thus to improve the signal-to-noise ratio and therefore to improve the precision of the wavelength measurement.
[0041 ] De manière importante, dans le dispositif D de l’invention, la concentration C(i) des différentes espèces gazeuses G(i) est connue et stockée dans les moyens UT. Pour une longueur laser AAS = Ac à l’instant tAS, on calcule la puissance PL du rayonnement laser à partir du maximum Simax de l’amplitude du signal Si représentatif du signal PA et de la concentration C du gaz à partir duquel est généré le signal PA. Importantly, in the device D of the invention, the concentration C(i) of the various gaseous species G(i) is known and stored in the means UT. For a laser length A AS = A c at time t AS , the power P L of the laser radiation is calculated from the maximum Si max of the amplitude of the signal Si representative of the signal PA and of the concentration C of the gas at from which the PA signal is generated.
[0042] On a : We have:
PL — A x C x Simax, avec A un facteur de conversion qui est déterminé par calibration préalable de l’instrument. PL — A x C x Si max , with A a conversion factor which is determined by prior calibration of the instrument.
[0043] Pour une longueur laser AAS Âc, on déduit la puissance laser PL à partir du Simax de l’amplitude du signal Si représentatif du signal PA et d’un coefficient K tenant de la position de la longueur AAS par rapport à la longueur d’onde Tc et de la forme pic d’absorption. [0044] On a : For a laser length A AS Â c , the laser power P L is deduced from the Si max of the amplitude of the signal Si representative of the signal PA and a coefficient K relating to the position of the length A AS with respect to the wavelength T c and the absorption peak shape. We have:
PL = A x K x C x Simax P L = A x K x C x Simax
[0045] C’est donc la détermination exacte de la longueur d’onde et le fait que la cellule C soit scellée avec une concentration de gaz connue qui permet la détermination de la puissance du rayonnement laser correspondante. Le dispositif D selon l’invention est donc un capteur photoacoustique à faible coût qui est une alternative au capteur de puissance et aux autres techniques de détermination de la longueur d’onde de l’art antérieur. It is therefore the exact determination of the wavelength and the fact that the cell C is sealed with a known gas concentration which allows the determination of the power of the corresponding laser radiation. The device D according to the invention is therefore a low-cost photoacoustic sensor which is an alternative to the power sensor and to the other wavelength determination techniques of the prior art.
[0046] De manière préférentielle, la concentration du ou des gaz G dans la cellule est supérieure à 1 ppm. Cela est nécessaire pour obtenir un signal PA suffisant pour permettre une détermination suffisamment précise de la longueur d’onde et de la puissance PL. De manière préférentielle, la concentration du ou des gaz dans la cellule est supérieure à 100 ppm afin de pouvoir mesurer les fines variations en longueur d’onde du rayonnement laser LL. Preferably, the concentration of the gas or gases G in the cell is greater than 1 ppm. This is necessary to obtain a sufficient signal PA to allow a sufficiently precise determination of the wavelength and of the power P L . Preferably, the concentration of the gas or gases in the cell is greater than 100 ppm in order to be able to measure the fine variations in wavelength of the laser radiation LL.
[0047] Selon un mode de réalisation de l’invention, la cellule C contient une pluralité de gaz distincts, chacun comprenant au moins une raie d’absorption spectralement distincte des autres et le dispositif comprend une pluralité de sources lasers monochromatiques chacune située à l’extérieur de la cellule et adaptées pour illuminer la cellule et ainsi exciter un gaz associée. Dans ce mode de réalisation, le dispositif permet donc, pour une pluralité de sources lasers, de mesurer la puissance et la longueur d’onde. Dans la suite de la description, on ne mentionnera qu’une source laser et un seul gaz dans la cellule par soucis de concision. Il est entendu que ce choix constitue un simple exemple et que tous les modes de réalisation du dispositif selon l’invention s’appliquent également au cas où le dispositif comprend une pluralité de sources laser et de gaz dans la cellule C. Alternativement, la source laser est adaptée pour émettre un peigne de fréquences, chacune des fréquences étant adaptée pour illuminer la cellule et exciter un gaz associée. According to one embodiment of the invention, the cell C contains a plurality of distinct gases, each comprising at least one absorption line spectrally distinct from the others and the device comprises a plurality of monochromatic laser sources each located at the outside the cell and adapted to illuminate the cell and thus excite an associated gas. In this embodiment, the device therefore makes it possible, for a plurality of laser sources, to measure the power and the wavelength. In the remainder of the description, only one laser source and one gas in the cell will be mentioned for the sake of brevity. It is understood that this choice constitutes a simple example and that all the embodiments of the device according to the invention also apply to the case where the device comprises a plurality of laser and gas sources in the cell C. Alternatively, the source laser is adapted to emit a comb of frequencies, each of the frequencies being adapted to illuminate the cell and excite an associated gas.
[0048] La figure 2 illustre une méthode de l’invention adaptée pour déterminer la longueur d’onde et la puissance d’un rayonnement laser par effet photoacoustique. Cette méthode est mise en oeuvre par le dispositif des figures 1 et 3-6. Figure 2 illustrates a method of the invention adapted to determine the wavelength and the power of laser radiation by photoacoustic effect. This method is implemented by the device of FIGS. 1 and 3-6.
[0049] Cette méthode comprend une première étape A mise en oeuvre par la ou les sources lasers L consistant à générer, dans la cellule C, le rayonnement laser LL à une longueur d’onde adaptée à l’excitation d’au moins un gaz contenu dans la cellule C. Comme expliqué précédemment, le rayonnement laser LL généré présente une longueur d’onde variable Â(t) de manière oscillatoire autour d’une longueur d’onde moyenne moy à une fréquence de modulation f-i de telle sorte qu’une interaction entre le rayonnement laser et au moins un gaz contenu dans la cellule induise la génération du signal photoacoustique à une fréquence de détection du transducteur électro-acoustique MP. De plus le rayonnement généré présente une excursion en longueur d’onde moyenne du rayonnement laser comprenant la longueur d’onde centrale de la raie d’absorption du gaz dans la cellule et la longueur d’onde moyenne évolue au cours du temps sur une durée Te. Le fait que l’excursion en longueur d’onde comprenne la longueur d’onde centrale Âc est nécessaire afin que la longueur d’onde du rayonnement scanne la raie d’absorption et que l’on puisse ainsi correctement calibrer la longueur d’onde en associant le maximum du signal PA à la longueur d’onde centrale de la raie d’absorption. This method comprises a first step A implemented by the laser source(s) L consisting in generating, in the cell C, the laser radiation LL at a wavelength adapted to the excitation of at least one gas contained in the cell C. As explained previously, the laser radiation LL generated has a variable wavelength Â(t) in an oscillatory manner around a length medium wave average at a modulation frequency fi such that an interaction between the laser radiation and at least one gas contained in the cell induces the generation of the photoacoustic signal at a detection frequency of the electro-acoustic transducer MP. In addition, the radiation generated has an average wavelength excursion of the laser radiation comprising the central wavelength of the gas absorption line in the cell and the average wavelength evolves over time over a period of time. T e . The fact that the wavelength excursion includes the central wavelength  c is necessary so that the wavelength of the radiation scans the absorption line and that one can thus correctly calibrate the length of wave by associating the maximum of the PA signal with the central wavelength of the absorption line.
[0050] La méthode de la figure 2 comprend une étape B, après l’étape A, de détection, par le transducteur électro-acoustique du signal PA généré dans la cellule. L’étape B comprend une étape de génération du signal Si représentatif du signal photoacoustique dans la cellule. The method of FIG. 2 comprises a step B, after step A, of detection, by the electro-acoustic transducer, of the PA signal generated in the cell. Step B includes a step of generating the signal Si representative of the photoacoustic signal in the cell.
[0051 ] Après l’étape B, la méthode comprend une étape C de détermination d’une évolution au cours du temps de la phase du signal photoacoustique PA à partir du signal photoacoustique détecté, pendant la durée Te. Comme vu précédemment, la détermination de la phase peut être effectué par une étape préalable du calcul de la transformée de Gabor du signal PA à la fréquence de modulation et avec l’équation 1 . Alternativement, cette mesure de la phase est effectuée par le biais d’un détecteur synchrone adapté pour générer simultanément le signal PA et un signal représentatif de l’évolution de la phase du signal PA. Selon une autre alternative, la phase <i (t) est déterminée par les moyens de traitement UT à partir du signal généré par le transducteur MP par toute méthode connue de l’homme de l’art. [0051] After step B, the method comprises a step C for determining an evolution over time of the phase of the photoacoustic signal PA from the detected photoacoustic signal, for the duration T e . As seen previously, the determination of the phase can be carried out by a preliminary step of the calculation of the Gabor transform of the PA signal at the modulation frequency and with equation 1. Alternatively, this phase measurement is carried out by means of a synchronous detector suitable for simultaneously generating the signal PA and a signal representative of the evolution of the phase of the signal PA. According to another alternative, the phase <i (t) is determined by the processing means UT from the signal generated by the transducer MP by any method known to those skilled in the art.
[0052] Après l’étape C, la méthode comprend une étape D de détermination de la longueur d’onde du rayonnement à partir de l’évolution au cours du temps de la phase du signal photoacoustique sur la durée Te. Comme expliqué plus haut, cette détermination est réalisée par le calcul du maximum de la dérivée de l’évolution de la phase du signal photoacoustique sur la durée Te, ce maximum étant obtenu pour une longueur d’onde de rayonnement égale à la longueur d’onde centrale Âc. After step C, the method comprises a step D of determining the wavelength of the radiation from the evolution over time of the phase of the photoacoustic signal over the duration T e . As explained above, this determination is made by calculating the maximum of the derivative of the evolution of the phase of the photoacoustic signal over the duration T e , this maximum being obtained for a radiation wavelength equal to the central wavelength  c .
[0053] Enfin, la méthode de la figure 2 comprend une ultime étape E de détermination de la puissance PL du rayonnement laser à partir du signal photoacoustique et d’une estimation de la concentration du gaz. En effet, la concentration du gaz dans la cellule étant connue, les moyens de traitement sont configurés pour calculer la puissance PL du rayonnement laser obtenue pour une longueur d’onde égale à la longueur d’onde centrale Âc selon l’équation PL = A x C x ° ç max-Finally, the method of Figure 2 includes a final step E of determining the power P L of the laser radiation from the photoacoustic signal and an estimate of the gas concentration. Indeed, the gas concentration in the cell being known, the processing means are configured to calculate the power P L of the laser radiation obtained for a wavelength equal to the central wavelength  c according to the equation P L = A x C x ° ç max-
[0054] Les étapes, C, D et E sont mises en oeuvre par les moyens de traitement UT. Steps C, D and E are implemented by the processing means UT.
[0055] La méthode de la figure 2 permet donc la détermination exacte de la longueur d’onde puis la détermination de la puissance laser PL du rayonnement laser générant le signal PA. The method of Figure 2 therefore allows the exact determination of the wavelength and then the determination of the laser power P L of the laser radiation generating the signal PA.
[0056] La figure 3 présente un dispositif selon un premier mode de réalisation de l’invention dans lequel la ou les sources lasers sont des sources pompées électriquement par un circuit d’alimentation CA. Par exemple, la source laser est un laser à cascade quantique ou encore des diodes lasers. Ce circuit d’alimentation est relié aux moyens de traitement UT et génère un courant électrique impulsionnel dit de génération pompant la source laser afin de faire fonctionner le ou les sources lasers en mode impulsionnel. Figure 3 shows a device according to a first embodiment of the invention in which the laser source or sources are sources electrically pumped by an AC power supply circuit. For example, the laser source is a quantum cascade laser or even laser diodes. This power supply circuit is connected to the processing means UT and generates a so-called generation pulse electric current pumping the laser source in order to cause the laser source(s) to operate in pulse mode.
[0057] La source laser est alimentée par un circuit d’alimentation CA appliquant à la source laser L, de manière répétée avec une période Te, un courant de génération de la forme suivante : Z(t) = /0 + g. t + h.sin(2 f1t'), avec 0 < t < Te et avec Io l’offset du courant , g la pente du courant et h l’amplitude du courant de modulation. Cette forme d’onde est donnée à titre d’exemple non limitatif, et tout autre forme d’onde connue de l’homme de l’art et permettant les conditions précités sur la longueur d’onde est à même d’être utilisé (voir par exemple J. Saarela ét al,, "Wavelength modulation waveforms in laser photoacoustic spectroscopy," Appl. Opt. 48, 743-747 (2009)). The laser source is powered by an AC power supply circuit applying to the laser source L, repeatedly with a period T e , a generation current of the following form: Z(t)=/ 0 +g. t + h.sin(2 f 1 t'), with 0 < t < T e and with I o the current offset, g the current slope and h the modulation current amplitude. This waveform is given by way of non-limiting example, and any other waveform known to those skilled in the art and allowing the aforementioned conditions on the wavelength is able to be used ( see for example J. Saarela et al, "Wavelength modulation waveforms in laser photoacoustic spectroscopy," Appl. Opt. 48, 743-747 (2009)).
[0058] De plus, de manière connue en soit, le circuit d’alimentation CA est configuré pour générer en outre, en dehors de l’application du courant de génération, un courant dit de base prenant des valeurs non nulles entre des impulsions lasers avec une intensité inférieure à l’intensité du courant de génération au cours des impulsions laser. Ce courant de base est modulé en intensité afin de générer la variation oscillatoire de la longueur d’onde et donc générer le signal PA. Furthermore, in a manner known per se, the AC power supply circuit is configured to further generate, apart from the application of the generation current, a so-called base current taking non-zero values between laser pulses with an intensity lower than the intensity of the generation current during the laser pulses. This base current is modulated in intensity in order to generate the oscillatory variation of the wavelength and therefore generate the PA signal.
[0059] Alternativement, selon un autre mode de réalisation, c’est le courant de base et non pas le courant de génération qui porte la forme d’onde répétée sur la période Te. Ainsi, par exemple, le courant de base porte la forme d’onde précitée g. t + h.sin Zii t), avec 0 < t < Te et le courant de génération est simplement de la forme /(t) = Io. Alternatively, according to another embodiment, it is the base current and not the generation current which carries the waveform repeated over the period T e . Thus, for example, the base current carries the aforementioned waveform g. t + h.sin Zii t), with 0 < t < T e and the generation current is simply of the form /(t) = I o .
[0060] Dans le dispositif de la figure 3, selon une première variante, le circuit d’alimentation est en outre contrôlé par les moyens de traitement et configuré pour que le courant de base soit modulé en intensité de manière à réaliser un asservissement de la longueur d’onde du rayonnement laser LL sur la longueur d’onde centrale Tc. Cet asservissement est réalisé par l’intermédiaire de l’évolution de la phase du signal PA qui constitue le signal d’erreur. En effet, la phase présente une pente importante (dérivée maximale) et un comportement linéaire autour de la longueur d’onde centrale Âc ce qui sont des caractéristiques idéales pour un signal d’erreur d’asservissement. Les moyens de traitement contrôlant le circuit d’alimentation sont donc configurés pour que le circuit CA injecte une valeur du courant de génération permettant d’obtenir la longueur d’onde Tc. In the device of Figure 3, according to a first variant, the power supply circuit is further controlled by the processing means and configured so that the base current is modulated in intensity so as to achieve a servo-control of the wavelength of the laser radiation LL on the central wavelength T c . This slaving is carried out via the evolution of the phase of the signal PA which constitutes the error signal. Indeed, the phase has a significant slope (maximum derivative) and a linear behavior around the central wavelength  c which are ideal characteristics for a servo error signal. The processing means controlling the power supply circuit are therefore configured so that the AC circuit injects a value of the generation current making it possible to obtain the wavelength T c .
[0061] L’asservissement est réalisée par les moyens de traitement, via une électronique de rétroaction, selon les procédés classiques d’asservissement, par exemple, sans être restrictif, avec une électronique de rétroaction PI ou PID pour Proportionnelle Intégrale Dérivée, allusion aux trois modes d’action sur le signal d’erreur de l’électronique de rétroaction. Ce type de rétroaction permettant de faire converger le signal d’erreur vers une valeur fixée est bien connu en automatique. The servo-control is carried out by the processing means, via feedback electronics, according to conventional servo-control methods, for example, without being restrictive, with PI or PID feedback electronics for Proportional Integral Derivative, alluding to the three modes of action on the feedback electronics error signal. This type of feedback making it possible to make the error signal converge towards a fixed value is well known in automatic control.
[0062] Selon une deuxième variante, les moyens de traitement sont configurés pour réaliser un asservissement sur une longueur d’onde d’asservissement choisie AS - Les moyens de traitement sont alors configurés pour réaliser un asservissement du circuit d’alimentation CA ou du dispositif de contrôle Temp (voir figure 4) en maintenant la phase du signal photoacoustique sur la phase d’asservissement et donc en maintenant la longueur d’onde de la source laser sur la longueur d’onde d’asservissement. [0063] De manière avantageuse, les moyens de traitement sont adaptés pour ajuster la phase d’asservissement au cours du temps lorsque celle-ci dérive, cette dérive pouvant être provoquée par de nombreux paramètres expérimentaux, de manière à ce que la longueur d’onde soit toujours asservie sur la longueur d’onde ^AS -[0062]According to a second variant, the processing means are configured to perform a servo-control on a chosen servo-control wavelength A S - The processing means are then configured to perform a servo-control of the AC power supply circuit or of the Temp control device (see figure 4) by maintaining the phase of the photoacoustic signal on the servo phase and therefore maintaining the wavelength of the laser source on the servo wavelength. [0063] Advantageously, the processing means are suitable for adjusting the servo phase over time when it drifts, this drift possibly being caused by numerous experimental parameters, so that the wavelength is always slaved to the wavelength ^AS -
[0064] La figure 4 présente schématiquement un deuxième mode de réalisation de l’invention identique à celui de la figure 3, à l’exception du fait que, ici, l’asservissement est réalisé par les moyens de traitement sur un dispositif de contrôle Temp de température de la zone active du laser L. En effet, de manière connue en soi, dans un laser pompé électriquement et pour un courant appliqué au laser supérieur au seuil d’injection, la longueur d’onde émise par le laser L peut s’exprimer de la manière suivante : [0064] Figure 4 schematically shows a second embodiment of the invention identical to that of Figure 3, except that, here, the servo is performed by the processing means on a control device Temperature temp of the active zone of the laser L. Indeed, in a manner known per se, in an electrically pumped laser and for a current applied to the laser greater than the injection threshold, the wavelength emitted by the laser L can be expressed as follows:
[0065] Â(/, T) = Â0 + aT + bl [0065] Â(/, T) = Â 0 + aT + bl
[0066] Avec Âo la longueur théorique du laser pour 0K et 0 mA de courant, a le coefficient de température de la longueur d’onde, b le coefficient de courant de la longueur d’onde, avec T la température du laser et avec / le courant appliqué au laser. With  o the theoretical length of the laser for 0K and 0 mA of current, a the temperature coefficient of the wavelength, b the current coefficient of the wavelength, with T the temperature of the laser and with / the current applied to the laser.
[0067] Le contrôle de la température T de la zone active piloté par les moyens de traitement UT permet donc de réaliser un asservissement du laser en maintenant la phase du signal photoacoustique sur la phase d’asservissement et donc en maintenant la longueur d’onde de la source laser sur la longueur d’onde d’asservissement AAS. The control of the temperature T of the active zone controlled by the processing means UT therefore makes it possible to achieve servo-control of the laser by maintaining the phase of the photoacoustic signal on the servo phase and therefore maintaining the wavelength of the laser source on the servo wavelength A AS .
[0068] Selon un mode de réalisation le dispositif de contrôle Temp est une résistance accolée ou disposée à proximité de la zone active de manière à pouvoir contrôler sa température. Alternativement, selon un autre mode de réalisation, le dispositif Temp est un système Peltier comprenant le laser L permettant de réguler précisément la température T de la zone active. [0068] According to one embodiment, the Temp control device is a resistor attached to or placed close to the active zone so as to be able to control its temperature. Alternatively, according to another embodiment, the device Temp is a Peltier system comprising the laser L making it possible to precisely regulate the temperature T of the active zone.
[0069] Alternativement, selon un troisième mode de réalisation, le dispositif de contrôle de la température est le circuit d’alimentation CA du laser L. En effet, un courant d’injection plus important va faire chauffer la zone active et va donc modifier la longueur d’onde émise. Il est donc possible réaliser un asservissement du laser en contrôlant la température de la zone active par le biais du circuit d’alimentation. [0070] Une application du dispositif selon l’invention est de permettre le contrôle de la longueur d’onde et de la puissance laser en combinaison avec un dispositif de détection de gaz par photoacoustique. Ainsi, la figure 5 illustre schématiquement un système de détection photoacoustique DP, comprenant le dispositif D selon l’invention adapté pour mesurer la longueur d’onde et la puissance d’un rayonnement laser par photoacoustique. De plus, le système DP comprend un dispositif de détection de gaz photoacoustique DPA conventionnel possédant une face d’entrée laser EL. Le dispositif DPA est un dispositif photoacoustique classique de détection de gaz. Dans le mode de réalisation de la figure 5, le dispositif D comprend une fenêtre optique appelée face de sortie laser FL traversée par une première portion du rayonnement laser émis par la source L dans la cellule. Le dispositif DPA est agencé pour que cette première portion traverse la face EL et permette de réaliser la détection de gaz. C’est le fait que la cellule C soit scellée qui permet d’assurer la présence du gaz connu dans cette cellule et permet le fonctionnement du dispositif D comme capteur photoacoustique. Le dispositif D est donc un capteur facilement intégrable dans un montage de photoacoustique et qui permet la mesure de la puissance et la longueur d’onde du rayonnement laser. Le dispositif D permet de plus de réaliser un asservissement précis de la longueur d’onde laser sur une valeur cible AAS afin d’éviter toute dérive préjudiciable à la détection de gaz par le dispositif DPA. Alternatively, according to a third embodiment, the temperature control device is the AC power supply circuit of the laser L. Indeed, a higher injection current will heat the active area and will therefore modify the emitted wavelength. It is therefore possible to achieve servo-control of the laser by controlling the temperature of the active zone by means of the power supply circuit. One application of the device according to the invention is to allow the control of the wavelength and of the laser power in combination with a gas detection device by photoacoustics. Thus, FIG. 5 schematically illustrates a photoacoustic detection system DP, comprising the device D according to the invention adapted to measure the wavelength and the power of laser radiation by photoacoustics. In addition, the DP system includes a conventional DPA photoacoustic gas sensing device having an EL laser entrance face. The DPA device is a classic photoacoustic gas detection device. In the embodiment of FIG. 5, the device D comprises an optical window called the laser output face FL traversed by a first portion of the laser radiation emitted by the source L in the cell. The device DPA is arranged so that this first portion crosses the face EL and makes it possible to perform gas detection. It is the fact that the cell C is sealed which makes it possible to ensure the presence of the known gas in this cell and allows the operation of the device D as a photoacoustic sensor. The device D is therefore a sensor that can easily be integrated into a photoacoustic assembly and which allows the measurement of the power and the wavelength of the laser radiation. The device D also makes it possible to achieve precise servocontrol of the laser wavelength on a target value A AS in order to avoid any drift detrimental to gas detection by the device DPA.
[0071] La figure 6 est une alternative au mode de réalisation de la figure 5 dans lequel une lame séparatrice LS sépare le rayonnement émis par la source L en une première portion du rayonnement laser émis par la source L vers la face d’entrée laser EL et dans le dispositif DPA et en une deuxième portion dirigée dans la cellule C. Par rapport au mode de réalisation de la figure 5, ce mode de réalisation présente l’avantage de ne pas dégrader les propriétés optiques du faisceau laser dirigé vers le dispositif DPA et de réduire les contraintes dans l’architecture des composants. FIG. 6 is an alternative to the embodiment of FIG. 5 in which a beam splitter LS separates the radiation emitted by the source L into a first portion of the laser radiation emitted by the source L towards the laser entry face EL and in the DPA device and in a second portion directed into the cell C. Compared to the embodiment of FIG. 5, this embodiment has the advantage of not degrading the optical properties of the laser beam directed towards the device DPA and reduce constraints in component architecture.
[0072] Dans une autre alternative au mode de réalisation de la figure 5, le dispositif DPA comprend une face de sortie laser et le dispositif D est agencée de manière à ce qu’un rayonnement transmis par la face de sortie laser du dispositif DPA entre dans la cellule C. Ce mode de réalisation présente l’avantage de prendre en compte d’éventuelles dégradations supplémentaires de la puissance laser qui pourraient avoir lieu dans la cellule de gaz du dispositif DPA, comme une obstruction de la face d’entrée laser. Selon un autre mode de réalisation, la mesure de la longueur d’onde et l’asservissement à partir du signal PA détecté par le transducteur MP est réalisée par toute méthode connue de l’homme de l’art. In another alternative to the embodiment of Figure 5, the DPA device comprises a laser output face and the device D is arranged so that radiation transmitted by the laser output face of the DPA device between in the cell C. This embodiment has the advantage of taking into account possible additional degradations of the laser power which could take place in the gas cell of the DPA device, such as an obstruction of the face laser input. According to another embodiment, the measurement of the wavelength and the control from the signal PA detected by the transducer MP is carried out by any method known to those skilled in the art.
[0073] Dans l’invention, le transducteur MP est un microphone, par exemple un microphone MEMS (pour micro système électromécanique) ou ECM (pour microphone à condensant électret). Le microphone comprend un boitier (ou cavité) de protection externe qui comprend une zone d’entrée acoustique adaptée pour laisser les ondes acoustiques pénétrer dans le boitier afin de les détecter par un diaphragme DP (par exemple un diaphragme MEMS ou ECM). Dans l’invention, le boitier entourant le microphone MP constitue la cellule C et est imperméable au gaz. La membrane MB qui scelle la cellule C de manière à la rendre imperméable au(x) gaz contenu(s) dans la cellule forme ainsi la zone d’entrée acoustique. Cette caractéristique permet d’améliorer la compacité du dispositif, sans que cela provoque une trop forte dégradation des performances. Ainsi, de manière critique, dans l’invention, la cellule C n’est donc pas une cavité acoustique résonante. En effet, les inventeurs ont observé que pour une concentration d’environ 1000ppm de H2O et une puissance optique de 1 mW il n’est pas nécessaire d’utiliser une cellule acoustique résonante afin d’amplifier le signal PA. Il est entendu que ces valeurs sont données à titre d’exemple et qu’un autre gaz avec une autre concentration peut être utilisé avec une puissance optique comparable. Ceci rend possible l’utilisation d’une cellule C de dimension beaucoup plus petite que les cavités acoustiques résonantes typiquement utilisées dans l’art antérieur. A titre d’exemple non limitatif, dans le mode de réalisation préféré de l’invention, la cellule C formée par le boitier du microphone MP présente des dimensions inférieures à 3mm par 4mm par 1 ,2mm, encore préférentiellement inférieure à 900pm par 300pm par 900pm. Le dispositif de l’invention présente donc une compacité très élevée. In the invention, the transducer MP is a microphone, for example a MEMS microphone (for micro electromechanical system) or ECM (for electret condenser microphone). The microphone includes an external protective case (or cavity) which includes an acoustic entry zone adapted to let the acoustic waves enter the case in order to be detected by a DP diaphragm (for example a MEMS or ECM diaphragm). In the invention, the box surrounding the microphone MP constitutes the cell C and is impermeable to gas. The membrane MB which seals the cell C so as to make it impermeable to the gas(es) contained in the cell thus forms the acoustic entry zone. This characteristic makes it possible to improve the compactness of the device, without causing too great a degradation in performance. Thus, critically, in the invention, cell C is therefore not a resonant acoustic cavity. Indeed, the inventors have observed that for a concentration of approximately 1000ppm of H2O and an optical power of 1 mW it is not necessary to use a resonant acoustic cell in order to amplify the PA signal. It is understood that these values are given as an example and that another gas with another concentration can be used with a comparable optical power. This makes possible the use of a cell C of much smaller dimension than the resonant acoustic cavities typically used in the prior art. By way of non-limiting example, in the preferred embodiment of the invention, the cell C formed by the housing of the microphone MP has dimensions of less than 3 mm by 4 mm by 1.2 mm, even more preferably less than 900 μm by 300 μm by 900pm. The device of the invention therefore has a very high compactness.
[0074] La figure 7 illustre schématiquement un mode de réalisation dans lequel le microphone MP est un microphone MEMS avec un diaphragme DP. Le dispositif de la figure 7 comprend un boitier externe BE de protection du diaphragme DP. Ce boitier BE comprend le gaz G et est scellé par la membrane MB afin de constituer la cellule C. En outre, le dispositif comprend une carte à circuit imprimé PCB qui comprend les contacts électriques du microphone et un câble de connexion CC reliant le microphone aux moyens de traitement UT. Les moyens de traitement UT est par exemple un composant de type ASIC (pour circuit imprimé spécifie ou application-specific integrated circuit en anglais). De plus, le dispositif comprend une couche de scellement CE optionnelle, disposée au-dessus de la carte PCB afin d’assurer l’étanchéité de la cellule C. Ce mode de réalisation présente une très forte compacité. [0074] Figure 7 schematically illustrates an embodiment in which the microphone MP is a MEMS microphone with a diaphragm DP. The device of FIG. 7 comprises an outer casing BE for protecting the diaphragm DP. This housing BE comprises the gas G and is sealed by the membrane MB in order to constitute the cell C. In addition, the device comprises a printed circuit board PCB which comprises the electrical contacts of the microphone and a connection cable DC connecting the microphone to the processing means UT. Means of UT processing is for example an ASIC type component (for specific printed circuit or application-specific integrated circuit in English). Furthermore, the device comprises an optional sealing layer CE, arranged above the PCB board in order to ensure the tightness of the cell C. This embodiment is very compact.
[0075] La figure 8 illustre un mode de réalisation préféré de l’invention. Dans ce mode de réalisation, la membrane MB de scellement de la cavité C est formée par un ensemble comprenant un substrat Sub transparent au rayonnement laser LL déposé au-dessus du circuit imprimé PCB. Le circuit imprimé PCB comprend les contacts électriques du microphone MP qui est relié aux moyens de traitement UT par le câble de connexion CC. De plus la carte PCB présente un gap H permettant la transmission du rayonnement LL dans la cavité C afin de permettre la génération du signal photoacoustique. Cette construction de la membrane permet d’obtenir une membrane étanche et capable de reprendre à la fois les contacts électriques des moyens de traitement UT dans le microphone et éventuellement les contacts électriques du laser L. En effet, de manière optionnelle, comme cela est illustré dans la figure 8, le laser L est accolé au substrat Sub afin d’augmenter la compacité du dispositif. Figure 8 illustrates a preferred embodiment of the invention. In this embodiment, the membrane MB for sealing the cavity C is formed by an assembly comprising a substrate Sub transparent to laser radiation LL deposited above the printed circuit PCB. The printed circuit PCB includes the electrical contacts of the microphone MP which is connected to the processing means UT by the connection cable CC. In addition, the PCB card has a gap H allowing the transmission of the LL radiation in the cavity C in order to allow the generation of the photoacoustic signal. This construction of the membrane makes it possible to obtain a sealed membrane capable of taking up both the electrical contacts of the processing means UT in the microphone and possibly the electrical contacts of the laser L. Indeed, optionally, as shown in FIG. 8, the laser L is attached to the Sub substrate in order to increase the compactness of the device.
[0076] De manière préférentielle, dans le mode de réalisation de la figure 8, le dispositif comprend des soudures entre le substrat et la carte PCB et entre la carte PCB et le diaphragme DP afin d’assurer l’étanchéité de la cellule C. Avantageusement les soudures entre la carte PCB et le diaphragme DP peuvent être fonctionnalisés afin de réaliser les contacts électriques du microphone. Preferably, in the embodiment of Figure 8, the device comprises welds between the substrate and the PCB board and between the PCB board and the diaphragm DP in order to seal the cell C. Advantageously, the welds between the PCB board and the diaphragm DP can be functionalized in order to produce the electrical contacts of the microphone.

Claims

Revendications Claims
1 . Dispositif (D) de mesure d’un rayonnement laser par effet photoacoustique comprenant : une cellule (C) contenant au moins un gaz (G) présentant une raie d’absorption avec une longueur d’onde centrale Âc, un transducteur électro-acoustique (MP) qui est un microphone comprenant un diaphragme (DP) et un boitier (BE) imperméable au(x) gaz, le diaphragme étant agencé au sein de la cellule et adapté pour générer un signal électrique (Si) représentatif du signal photoacoustique dans la cellule, la cellule (C) étant formée par ledit boitier des moyens de traitement (UT) du signal électrique généré par le transducteur électro-acoustique, dans lesquels est stockée une estimation de la concentration du ou des gaz, au moins une source laser (L) adaptée pour émettre dans la cellule un rayonnement laser (LL) à une longueur d’onde adaptée à l’excitation d’au moins un gaz contenu dans la cellule, ledit rayonnement laser présentant une longueur d’onde variable de manière oscillatoire autour d’une longueur d’onde moyenne moy à une fréquence (fi) de modulation ou une puissance optique variable de manière oscillatoire autour d’une puissance moyenne à ladite fréquence de modulation (f-i), de telle sorte qu’une interaction entre le rayonnement laser et au moins un gaz contenu dans la cellule induise la génération d’un signal photoacoustique à une fréquence de détection du transducteur électro-acoustique, ladite cellule étant scellée par une membrane (MB) de manière à être imperméable au(x) gaz contenus dans la cellule et possédant une ouverture optique transparente au rayonnement laser, lesdits moyens de traitement étant adaptés pour déterminer la longueur d’onde du rayonnement laser à partir du signal photoacoustique. 1 . Device (D) for measuring laser radiation by photoacoustic effect comprising: a cell (C) containing at least one gas (G) having an absorption line with a central wavelength  c , an electro-acoustic transducer (MP) which is a microphone comprising a diaphragm (DP) and a case (BE) impermeable to gas(es), the diaphragm being arranged within the cell and adapted to generate an electric signal (Si) representative of the photoacoustic signal in the cell, the cell (C) being formed by said box of means (UT) for processing the electrical signal generated by the electro-acoustic transducer, in which is stored an estimate of the concentration of the gas or gases, at least one laser source (L) adapted to emit in the cell laser radiation (LL) at a wavelength suitable for the excitation of at least one gas contained in the cell, said laser radiation having a variable wavelength in an oscillatory manner around a long mean waveguide at a modulating frequency (fi) or an optical power that is oscillatory variable around a mean power at said modulating frequency (fi), such that an interaction between the laser radiation and at the at least one gas contained in the cell induces the generation of a photoacoustic signal at a detection frequency of the electro-acoustic transducer, said cell being sealed by a membrane (MB) so as to be impermeable to the gas(es) contained in the cell and having an optical aperture transparent to laser radiation, said processing means being adapted to determine the wavelength of the laser radiation from the photoacoustic signal.
2. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la ou les sources lasers sont en outre configurées pour que ladite longueur d’onde moyenne évolue au cours du temps et pour qu’une excursion en longueur d’onde moyenne comprenne ladite longueur d’onde centrale, lesdits moyens de traitement étant en outre adaptés pour déterminer : une évolution de la phase 4 (t) du signal photoacoustique au cours du temps à partir dudit signal électrique (Si), la longueur d’onde du rayonnement laser à partir d’une évolution au cours du temps de ladite phase du signal photoacoustique. 2. Device according to the preceding claim, in which the laser source or sources are further configured so that said average wavelength changes over time and so that an excursion in average wavelength comprises said wavelength central unit, said processing means being further adapted to determine: an evolution of the phase 4 (t) of the photoacoustic signal over time from said electrical signal (Si), the wavelength of the laser radiation from an evolution over time of said phase of the photoacoustic signal.
3. Dispositif selon la revendication précédente, lesdits moyens de traitement étant en outre adaptés pour déterminer une puissance PL du rayonnement laser, à partir du signal électrique (Si) et de ladite estimation. 3. Device according to the preceding claim, said processing means being further adapted to determine a power P L of the laser radiation, from the electrical signal (Si) and from said estimate.
4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la cellule contient une pluralité de gaz distincts, chacun comprenant au moins une raie d’absorption spectralement distincte des autres, ledit dispositif comprenant en outre une pluralité de sources lasers chacune située à l’extérieur de la cellule et adaptée pour exciter un gaz associé. 4. Device according to any one of the preceding claims, in which the cell contains a plurality of distinct gases, each comprising at least one absorption line spectrally distinct from the others, said device further comprising a plurality of laser sources each located at outside the cell and adapted to excite an associated gas.
5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de traitement sont configurés pour déterminer une phase dite d’asservissement du signal photoacoustique obtenue pour une longueur d’onde AS dite d’asservissement de la ou des sources lasers. 5. Device according to any one of the preceding claims, in which the processing means are configured to determine a phase so-called slaving of the photoacoustic signal obtained for a so-called slaving wavelength AS of the laser source or sources.
6. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la ou les sources lasers comprennent des lasers à pompage électrique, ledit dispositif comprenant un circuit d’alimentation (CA) générant un courant électrique impulsionnel (CG) dit de génération pompant la ou les sources lasers, afin de faire fonctionner le ou les sources lasers en mode impulsionnel, les moyens de traitement étant reliés au circuit d’alimentation, ledit circuit d’alimentation étant configuré pour générer en outre un courant (CB) dit de base prenant des valeurs non nulles entre des impulsions lasers, et présentant une intensité inférieure à l’intensité du courant de génération au cours des impulsions laser, le courant de base étant modulé en intensité afin de générer ladite variation oscillatoire de la longueur d’onde. 6. Device according to the preceding claim, in which the laser source or sources comprise electrically pumped lasers, said device comprising a power supply circuit (AC) generating a pulsed electric current (CG) called generation pumping the laser source or sources , in order to operate the laser source(s) in pulsed mode, the processing means being connected to the power supply circuit, said power supply circuit being configured to also generate a so-called base current (CB) taking non-zero values between laser pulses, and having an intensity lower than the intensity of the generation current during the laser pulses, the base current being modulated in intensity in order to generate said oscillatory variation of the wavelength.
7. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le circuit d’alimentation est configuré pour que le courant de base soit modulé en intensité de manière à réaliser un asservissement de la phase du signal photoacoustique sur ladite phase d’asservissement. 7. Device according to the preceding claim, in which the supply circuit is configured so that the base current is modulated in intensity so as to achieve a servo-control of the phase of the photoacoustic signal on said servo-phase.
8. Dispositif selon la revendication 6, comprenant un dispositif de contrôle (Temp) d’une température d’une zone active de la ou des sources lasers, relié aux moyens de traitement, ledit dispositif de contrôle de la température étant configuré pour ajuster la température de la zone active de la ou des sources lasers de manière à réaliser l’asservissement de la phase du signal photoacoustique sur ladite phase d’asservissement. 8. Device according to claim 6, comprising a device for controlling (Temp) a temperature of an active zone of the laser source or sources, connected to the processing means, said temperature control device being configured to adjust the temperature of the active zone of the laser source(s) so as to achieve the slaving of the phase of the photoacoustic signal on said slaving phase.
9. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif de contrôle de la température est une résistance, un système Peltier ou ledit circuit d’alimentation. 9. Device according to the preceding claim, wherein the temperature control device is a resistor, a Peltier system or said power supply circuit.
10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédente, dans lequel la concentration du ou des gaz est supérieure à 1 ppm, préférentiellement supérieure à 100 ppm. 10. Device according to any one of the preceding claims, in which the concentration of the gas or gases is greater than 1 ppm, preferably greater than 100 ppm.
11 . Système de détection photoacoustique (DP), comprenant : un dispositif de mesure selon l’une quelconque des revendications précédentes, un dispositif de détection de gaz photoacoustique (DPA) possédant une face d’entrée laser (EL), ledit dispositif étant adapté pour qu’une première portion du rayonnement laser émis par au moins une source laser illumine ladite face d’entrée du système détection de gaz photoacoustique. 11 . A photoacoustic (DP) detection system, comprising: a measuring device according to any preceding claim, a photoacoustic gas (DPA) detection device having a laser entrance face (EL), said device being adapted to a first portion of the laser radiation emitted by at least one laser source illuminates said input face of the photoacoustic gas detection system.
12. Système selon la revendication précédente, dans lequel ladite cellule comprend une face de sortie laser (SL), l’au moins une source laser et ledit dispositif de détection de gaz photoacoustique étant agencés pour que ladite première portion corresponde au rayonnement laser traversant ladite face de sortie laser. 12. System according to the preceding claim, in which said cell comprises a laser output face (SL), the at least one laser source and said photoacoustic gas detection device being arranged so that said first portion corresponds to the laser radiation passing through said laser exit face.
13. Système selon la revendication 11 , comprenant un composant optique (LS) adapté pour séparer ledit rayonnement laser en ladite première portion dirigée vers ladite face d’entrée laser dudit système photoacoustique et une deuxième portion dirigée dans ladite cellule : 13. System according to claim 11, comprising an optical component (LS) adapted to separate said laser radiation into said first portion directed towards said laser input face of said photoacoustic system and a second portion directed into said cell:
14. Méthode de détermination de la longueur d’onde et de la puissance d’un rayonnement laser par effet photoacoustique comprenant les étapes suivantes :14. Method for determining the wavelength and power of laser radiation by photoacoustic effect comprising the following steps:
A. Générer, dans une cellule C contenant au moins un gaz (G) présentant une raie d’absorption avec une longueur d’onde centrale Âc, un rayonnement laser (LL) à une longueur d’onde adaptée à l’excitation d’au moins un gaz contenu dans la cellule, ledit rayonnement laser présentant une longueur d’onde variable de manière oscillatoire autour d’une longueur d’onde moyenne moy à une fréquence (fi) de modulation de telle sorte qu’une interaction entre le rayonnement laser et au moins un gaz contenu dans la cellule induise la génération d’un signal photoacoustique, une excursion en longueur d’onde moyenne du rayonnement laser comprenant ladite longueur d’onde centrale, ladite longueur d’onde moyenne évoluant au cours du temps, ladite cellule étant scellée par une membrane (MB) de manière à être imperméable au(x) gaz contenus dans la cellule ; A. Generate, in a cell C containing at least one gas (G) having an absorption line with a central wavelength  c , laser radiation (LL) at a wavelength suitable for the excitation d at least one gas contained in the cell, said laser radiation having a variable wavelength in an oscillatory manner around an average average wavelength at a frequency (fi) of modulation such that an interaction between the laser radiation and at least one gas contained in the cell induces the generation of a photoacoustic signal, an average wavelength excursion of the laser radiation comprising said central wavelength, said average wavelength changing over time , said cell being sealed by a membrane (MB) so as to be impermeable to the gas(es) contained in the cell;
B. Détecter ledit signal photoacoustique avec un microphone comprenant un diaphragme (DP) et un boitier (BE) imperméable au(x) gaz, le diaphragme étant agencé au sein de la cellule, la cellule (C) étant formée par ledit boitier, ledit diaphragme étant adapter pour générer un signal électrique (Si) représentatif du signal photoacoustique dans la cellule ; B. Detecting said photoacoustic signal with a microphone comprising a diaphragm (DP) and a case (BE) impermeable to gas(es), the diaphragm being arranged within the cell, the cell (C) being formed by said case, said diaphragm being adapted to generate an electrical signal (Si) representative of the photoacoustic signal in the cell;
C. Déterminer une évolution au cours du temps de la phase 4 (ü) du signal photoacoustique à partir dudit signal photoacoustique, C. Determine an evolution over time of phase 4 (ü) of the photoacoustic signal from said photoacoustic signal,
D. Mesurer la longueur d’onde du rayonnement à partir d’une évolution au cours du temps de ladite phase du signal photoacoustique, et D. Measure the wavelength of the radiation from a time evolution of said phase of the photoacoustic signal, and
E. Mesurer une puissance PL du rayonnement laser, à partir du signal électrique et d’une estimation de la concentration du ou des gaz. E. Measure a power P L of the laser radiation, from the electrical signal and an estimate of the concentration of the gas or gases.
15. Méthode selon la revendication précédente, dans laquelle la mesure de la longueur d’onde est réalisée à partir du calcul d’un maximum d’une dérivée de ladite évolution de la phase du signal photoacoustique. 15. Method according to the preceding claim, in which the measurement of the wavelength is carried out from the calculation of a maximum of a derivative of the said evolution of the phase of the photoacoustic signal.
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