ES2223928T3 - Dispositivo de medida en linea de pulsaciones de un laser y procedimiento de medida por espectroscopia foto-acustica. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de medida en línea de pulsaciones (2) de un láser (1) que comprende el láser (1) que se va a estudiar, caracterizado porque comprende además un sensor (7) piezoeléctrico desprovisto de capa de protección y que tiene una frecuencia de resonancia inferior a al menos cincuenta veces la inversa de duración de las pulsaciones.

Description

Dispositivo de medida en línea de pulsaciones de un láser y procedimiento de medida por espectroscopia foto-acústica.

El tema de esta invención es un dispositivo de medida en línea de pulsaciones de un láser, aplicable particularmente a un procedimiento de medida por espectroscopia foto-acústica que constituye otro aspecto de la misma.

La espectroscopia foto-acústica consiste en enviar pulsaciones luminosas a través de ciertas disoluciones absorbentes, particularmente de lantánidos, actínidos, productos de fisión (PF) (que contienen iones tales como Nd^{3+} o Pr^{3+}) o de uranio. La energía óptica produce un cambio de estado de los electrones de los cuerpos disueltos en el caso de una desexcitación no radiactiva y la emisión de una onda acústica en la disolución, que un sensor permite medir. Una ventaja de este procedimiento de espectroscopia es que, de este modo, permite detectar concentraciones muy débiles de cuerpos disueltos que presentan esta propiedad de conversión de energía; pero si puede aplicarse sin dificultad en medidas cualitativas, antes de la invención no podía deducirse con una buena precisión la concentración del cuerpo en la disolución de la medida de la onda acústica producida: la energía de la onda acústica es proporcional a la energía óptica, al mismo tiempo que a la concentración del cuerpo, lo que hace necesario por tanto el conocimiento tanto de una como de la otra. Anteriormente, se utilizaban sondas piroeléctricas o fotoeléctricas para calcular la energía de las pulsaciones luminosas del láser, pero la sonda debía someterse a una serie de pulsaciones para obtener un resultado que pudiera medirse, de donde se extrae la energía de una pulsación mediante un cálculo de la media; ahora bien, las amplitudes de las pulsaciones presentan variaciones bastante
sensibles.

Otra idea consistiría en utilizar fotodiodos, que permiten medir la amplitud de cada pulsación, pero que tienen una función de transferencia variable con la longitud de onda, cuando se constata generalmente la necesidad de someter a la disolución a un barrido de longitudes de onda diferentes. Finalmente, debe señalarse que sólo las ondas luminosas de impulso inducen una onda acústica proporcional a la concentración de la disolución. Así, la medida de energía de las pulsaciones láser, de un disparo a otro disparo, permite una normalización exacta de la señal foto-acústica generada en la disolución para una aplicación de la fórmula:

\frac{A(\lambda)}{E(\lambda)} = K\varepsilon (\lambda) C

donde

A (\lambda): Amplitud de la señal en la disolución,

E (\lambda): Energía luminosa incidente,

\varepsilon (\lambda): Coeficiente de extinción molar de la especie absorbente en disolución,

C: Concentración molar de la especie en disolución.

El documento US-A-5048962 expone un aparato de medida de un láser de impulsos con ayuda de un sensor piezoeléctrico que comprende una capa absorbente.

De este modo, un primer aspecto de la invención es un dispositivo de medida en línea de las energías de pulsaciones de un láser, que permite una medida independiente de la amplitud de cada pulsación enviada de forma efectiva, y que no es sensible a la longitud de onda de la luz; este dispositivo consiste en un sensor piezoeléctrico desprovisto de capa anterior de protección que tiene una frecuencia de resonancia inferior de al menos cincuenta veces a la inversa de duración de las pulsaciones. La onda de presión producida en el sensor piezoeléctrico es, por tanto, proporcional a la amplitud de la pulsación luminosa incidente, y no depende de su longitud de onda. Efectivamente, los inventores han constatado que las capas de protección, comúnmente utilizadas delante de los sensores piezoeléctricos en otras aplicaciones para protegerlos del impacto directo de una onda, también tenían como resultado atenuar la pulsación del láser y limitarla, lo que hacía que el sensor produjera una respuesta incorrecta. Expresan la hipótesis de que esto deriva de reflexiones múltiples de partes de la pulsación a las superficies de la capa de protección. Estas reflexiones en la capa de protección absorben una cantidad desconocida de la energía de las pulsaciones del láser, y que depende de su longitud de onda; por tanto, es indispensable que el material del sensor piezoeléctrico sea homogéneo para permitir medir respuestas cuantitativas correlacionadas con una energía incidente conocida y para proceder de forma útil a barridos de frecuencia a menudo indispensables en espectroscopia molecular. Además, la supresión de la capa de protección permite obtener una señal eléctrica de respuesta en sinusoide amortiguada única, sin ecos tardíos que perturbarían la sincronización de la medida. El sensor de la invención sólo está eventualmente cubierto por una lámina de cuarto de onda corriente en los sensores del mercado, cuyo interés es adaptar la impedancia acústica entre el líquido de acoplamiento y el sensor disminuyendo las interferencias acústicas, sin que puedan producirse atenuaciones ni reflexiones que puedan medirse a causa de su delgadez. Este sensor puede estar situado sobre una parte del haz de láser que está desviada de una trayectoria principal por una lámina separadora: como es una parte conocida y constante la que se toma como muestra, en una gama de longitud de onda extensa pero limitada, la medida por el sensor piezoeléctrico permite conocer el valor del resto de la pulsación, que se ve afectado en el ensayo o en la medida y particularmente en una medida por espectroscopia foto-acústica tal como se ha mencionado, que puede comprender un barrido de frecuencia luminosa.

La invención se describirá a continuación en relación con las figuras 1 y 2, que ilustran dos de sus posibles realizaciones. En la figura 1, un láser de impulsos emite periódicamente un haz 2 hacia una cubeta 3 que contiene una muestra líquida que se va a analizar y cuyo fondo está ocupado por un sensor 4 acústico que mide las ondas acústicas producidas por la transformación del haz 2 óptico en la cubeta 3 en presencia de ciertos cuerpos disueltos. No obstante, una lámina 5 separadora es atravesada por el haz 2 antes de que llegue a la cubeta 3, lo que toma como muestra una parte 6 que se desvía hacia un sensor 7 piezoeléctrico, cuyas medidas son explotadas por un pre-amplificador 8 y por un medio 9 de medida. La señal del sensor 4 es amplificada por un pre-amplificador 8' análogo al 8. El medio 9 de medida recibe las dos medidas sincronizadas por una señal recibida del láser 1, en cada disparo. La comparación de las medidas que salen de los detectores 4 y 7 permite que el medio 9 de medida normalice el resultado del ensayo. El material piezoeléctrico del detector 7 está desnudo, es decir, desprovisto de una capa que se supone lo protege, por las razones que se han dado anteriormente, pero puede utilizarse una lámina de cuarto de onda, de uso corriente, sin efecto nefasto en la precisión de la medida. Unos ensayos han demostrado que la amplitud de la corriente producida por el sensor 7 mediante el efecto piezoeléctrico era proporcional a la amplitud de la parte 6 de la pulsación del haz 2, y de la propia pulsación. Tal como lo muestra la figura 2, una fibra 10 óptica puede estar dispuesta sobre la trayectoria de la parte 6, entre la lámina 5 y el sensor 7, para guiar más cómodamente la parte que se toma como muestra de las pulsaciones.

Véase a continuación una descripción más detallada del equipo: el láser 1 puede ser un láser de impulsos conciliable con el oscilador paramétrico óptico de 220 a 1800 nanómetros de longitud de onda de luz, el láser de bombeo puede ser un YAG, la frecuencia de disparo de 10 hercios y la duración de las pulsaciones de 10 nanosegundos. La fibra 10 óptica de sílice puede tener por ejemplo una longitud de 2 metros para un diámetro de 550 micrómetros, para transmitir el 99% de la luz en todas las gamas de longitud de onda barridas en el visible. El sensor 7 piezoeléctrico puede ser cilíndrico con un diámetro de 10 milímetros, con una frecuencia nominal igual a 250 kilohercios, es decir, con periodos de 4 microsegundos. Más precisamente, conviene que la relación entre el periodo de vibración del sensor 7 piezoeléctrico y la duración del impulso del láser 1 sea de al menos cincuenta. Este sistema se ha llevado a cabo para el trazado de espectros foto-acústicos en disoluciones que contienen, por ejemplo, lantánidos de uranio IV. Se han efectuado ensayos importantes en las longitudes de onda de 450, 526, 650 y 800 nanómetros de luz y se han correlacionado con medidas en sondas piroeléctricas comprobadas; han probado la linealidad de respuesta del sensor 7 piezoeléctrico al mismo tiempo que su independencia de las longitudes de onda. Las energías totales de las pulsaciones emitidas hacia el sensor 7 piezoeléctrico eran de 0,15 milijulios, y producían amplitudes de algunas centenas de milivoltios en una gama de medida por el dispositivo 9 que puede llegar hasta 1 voltio aproximadamente, lo que permite contar con una validez de la medida hasta energías del orden del milijulio.

Se cuenta con la extensión de este método en las medidas de los radioelementos en el combustible nuclear.

Claims (5)

1. Dispositivo de medida en línea de pulsaciones (2) de un láser (1) que comprende el láser (1) que se va a estudiar, caracterizado porque comprende además un sensor (7) piezoeléctrico desprovisto de capa de protección y que tiene una frecuencia de resonancia inferior a al menos cincuenta veces la inversa de duración de las pulsaciones.

2. Dispositivo de medida en línea de pulsaciones de un láser (1) según la reivindicación 1, que comprende una lámina (5) separadora, en el que el sensor (7) se sitúa sobre una parte (6) de haz del láser (1) que está desviada de una trayectoria principal por la lámina (5) separadora.

3. Dispositivo de medida en línea de pulsaciones de un láser (1) según la reivindicación 2 que comprende un sensor (4) adicional, en el que el sensor (7) piezoeléctrico y dicho sensor (4) que graba una medida principal realizada por medio de una parte del haz complementario a la parte desviada, están conectados a un mismo medio (9) de medida.

4. Procedimiento de medida por espectroscopia foto-acústica, en el que se realizan las irradiaciones de un medio (3) mediante pulsaciones de un láser (1), caracterizado porque cada una de las pulsaciones tiene su amplitud medida por un dispositivo según la reivindicación 3.

5. Procedimiento de medida por espectroscopia foto-acústica según la reivindicación 4, caracterizado porque las irradiaciones se realizan con un barrido de frecuencia luminosa.