FR3059779A1 - Detecteur photoacoustique a lecture optique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un détecteur photoacoustique (10) comprenant : -un dispositif de modulation (MD) configuré pour induire sur un faisceau optique une modulation de phase (Aφ) dont l'amplitude est fonction de l'amplitude acoustique et dont la fréquence est fonction de la fréquence acoustique, -un interféromètre adaptatif (AI) configuré pour déterminer l'amplitude acoustique et la fréquence acoustique, et comprenant : * une source cohérente (LS) *un système optique (OS) configuré pour : diriger ledit faisceau référence (WR) et ledit faisceau signal (Ws) dans une zone de l'espace de manière à réaliser une figure d'interférence (IP), *un détecteur holographique (HD) comprenant un hologramme adaptatif (AH) généré à partir de la figure d'interférence, *au moins un détecteur optique (PhD) configuré pour détecter une intensité lumineuse (IDI0) d'au moins un faisceau diffracté par l'hologramme adaptatif, *une première unité de traitement (PU1) configurée pour déterminer le déplacement de l'élément mobile à partir de l'intensité lumineuse détectée.
Description
Titulaire(s) : THALES Société anonyme, CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE CNRS Etablissement public.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : MARKS & CLERK FRANCE Société en nom collectif.
DETECTEUR PHOTOACOUSTIQUE A LECTURE OPTIQUE.
FR 3 059 779 - A1 (5/) L'invention concerne un détecteur photoacoustique (10) comprenant:
-un dispositif de modulation (MD) configuré pour induire sur un faisceau optique une modulation de phase (A<p) dont l'amplitude est fonction de l'amplitude acoustique et dont la fréquence est fonction de la fréquence acoustique,
-un interféromètre adaptatif (Al) configuré pour déterminer l'amplitude acoustique et la fréquence acoustique, et comprenant:
* une source cohérente (LS) *un système optique (OS) configuré pour:
diriger ledit faisceau référence (WR) et ledit faisceau signal (Ws) dans une zone de l'espace de manière à réaliser une figure d'interférence (IP), * *un détecteur holographique (HD) comprenant un hologramme adaptatif (AH) généré à partir de la figure d'interférence, *au moins un détecteur optique (PhD) configuré pour détecter une intensité lumineuse (IDI0) d'au moins un faisceau diffracté par l'hologramme adaptatif, *une première unité de traitement (PU1 ) configurée pour déterminer le déplacement de l'élément mobile à partir de l'intensité lumineuse détectée.
Détecteur photoacoustique à lecture optique
DOMAINE DE L’INVENTION
L’invention concerne le domaine de la détection des gaz par une méthode photoacoustique. L’invention concerne un détecteur photoacoustique pour lequel la lecture de l’onde acoustique à mesurer s’effectue par des moyens optiques, et plus particulièrement par des moyens interférométriques.
îo ETAT DE LA TECHNIQUE
Les principales applications de la détection photoacoustique concernent la spectroscopie et le contrôle non destructif. Elles se situent dans des domaines très variés : physico-chimie, biologie, mesures thermiques, détection de polluants atmosphériques, imagerie... Du fait de ses capacités à la miniaturisation et à l'intégration, la détection photoacoustique offre des perspectives très prometteuses.
Le principe de la détection photoacoustique pour la spectroscopie des gaz est bien connu de l’homme de l’art. Un faisceau laser, de longueur d'onde choisie pour interagir spécifiquement avec les molécules du gaz recherché, est modulé à la fréquence de résonance acoustique d'une cavité contenant le gaz à analyser. L'absorption par les molécules du gaz, puis leur désexcitation par collision, produit un échauffement localisé qui, du fait de la modulation de la source, induit un champ de pression acoustique, lui-même détecté par un microphone.
L’utilisation de microphones conventionnels pour mesurer l’onde acoustique limite la sensibilité des cellules photo-acoustiques (bruit électronique). De récents développements sont basés sur la lecture optique du déplacement d’une membrane. Le document W02004/029593 décrit un détecteur 20 photoacoustique à lecture optique par interférométrie classique, tel qu’illustré figure 1.
Le détecteur 20 comprend une chambre Ch remplie du gaz G à analyser. Le détecteur comprend également une fenêtre W par laquelle le faisceau laser de caractérisation Lch pénètre dans la chambre pour interagir avec le gaz G. L’interaction donne naissance à une onde acoustique AW à mesurer. La longueur d’onde est typiquement infrarouge ou visible. La chambre Ch présente une ouverture Ap comprenant un élément mobile en porte-à-faux Cant (« cantilever» en anglais) se comportant comme un capteur de pression. Sous l’effet de l’onde acoustique, l’élément Cant se déplace de x, ce déplacement étant fonction de la fréquence et de l’amplitude de l’onde acoustique AW à caractériser. Ce déplacement est mesuré par une méthode optique, à l’aide d’un interféromètre de Michelson Mich disposé à l’extérieur de la chambre Ch, comme illustré figure 1. Préférentiellement l’interféromètre Mich est disposé dans une deuxième chambre.
L’interféromètre comprend une source laser LS, un séparateur de faisceau BSo, une partie du faisceau émis par la source se réfléchissant sur un miroir plan de référence MO (faisceau référence) et l’autre partie se réfléchissant sur l’élément Cant (faisceau signal). Les deux faisceaux, référence et signal, sont recombinés par le même séparateur et interfèrent dans une zone de l’espace, formant une figure d’interférence, dans laquelle est positionné un détecteur, typiquement une photodiode, Do. La variation de chemin optique entre le faisceau référence et le faisceau signal, proportionnel au déplacement x (angulaire) de l’élément Cant, crée un mouvement latéral de la figure d’interférence, résultant en une variation d’intensité en fonction du temps en un point donné de la figure d’interférence. Cette intensité est mesurée par la photodiode Do, qui est constitué de trois détecteurs et est configuré pour développer % de franges.
Ce type d’interféromètre est très sensible au désalignement des composants optiques, par exemple une légère inclinaison du miroir plan MO.
Pour tenter de résoudre ce problème, une lentille L0 focalise la lumière sur la surface de l’élément Cant et du miroir MO.
Cependant, cette mesure interférométrique reste très sensible à la fois au désalignement d’un composant du montage et à toute perturbation des faisceaux référence et signal. Par exemple, si l’élément Cant présente une surface diffusante ou « bosselée », les franges d’interférence vont se brouiller, rendant la détection bruitée et difficile.
Un but de la présente invention est de palier aux inconvénients précités en proposant un détecteur photoacoustique à lecture optique basé sur de l’interférométrie adaptative à la fois robuste, insensible au désalignement et aux perturbations, et à très grande sensibilité.
DESCRIPTION DE L’INVENTION
La présente invention a pour objet un détecteur photoacoustique comprenant :
-un chambre apte à contenir un gaz à analyser,
-une fenêtre configurée pour laisser passer une lumière de caractérisation modulée ou pulsée dans ladite chambre, ladite lumière étant apte à interagir avec le gaz à analyser de manière à générer une onde acoustique dans la chambre, ladite onde acoustique présentant une amplitude acoustique et une fréquence acoustique,
-un dispositif de modulation configuré pour induire sur un faisceau optique une modulation de phase dont l’amplitude est fonction de ladite amplitude acoustique et dont la fréquence est fonction de la fréquence acoustique,
-un interféromètre adaptatif configuré pour déterminer l’amplitude acoustique et la fréquence acoustique, et comprenant :
* une source cohérente configurée pour émettre un faisceau initial, *un système optique configuré pour :
-générer à partir du faisceau initial un premier faisceau dénommé faisceau de référence et un deuxième faisceau incident sur le dispositif de modulation,
-recueillir ledit deuxième faisceau modulé en phase issu du dispositif de modulation dénommé faisceau signal,
-diriger ledit faisceau référence et ledit faisceau signal dans une zone de l’espace de manière à réaliser une figure d’interférence, *un détecteur holographique comprenant un hologramme adaptatif généré à partir de la figure d’interférence, *au moins un détecteur optique configuré pour détecter une intensité lumineuse d’au moins un faisceau diffracté par l’hologramme adaptatif et générer un signal détecté, *une première unité de traitement configurée pour démoduler le signal détecté de manière à déterminer ladite amplitude acoustique et ladite fréquence acoustique.
Selon un mode de réalisation la chambre présente une ouverture dans sa paroi et le dispositif de modulation comprend un élément mobile disposé dans ladite ouverture de la paroi et configuré pour générer un déplacement fonction de la variation de pression générée par la propagation de l’onde acoustique dans la chambre, ladite modulation de phase étant obtenue par réflexion du deuxième faisceau sur l’élément mobile.
Selon un autre mode de réalisation le dispositif de modulation comprend une fibre optique au moins en partie disposée dans ladite chambre, présentant une extrémité d’entrée par laquelle est injecté le deuxième faisceau et une extrémité de sortie de laquelle sort le faisceau signal, ladite modulation en phase étant obtenue par un changement du chemin optique dans la fibre sous l’effet de la variation de pression générée par la propagation de l’onde acoustique dans la chambre.
Selon une variante le système optique comprend un premier séparateur de faisceau configuré pour générer à partir du faisceau initial un faisceau destiné à devenir le faisceau de référence et un faisceau destiné à devenir le deuxième faisceau, et un deuxième séparateur de faisceau configuré pour recueillir le faisceau signal et combiner le faisceau signal avec le faisceau de référence de manière à réaliser la figure d’interférence.
Selon une variante l’hologramme adaptatif est constitué d’un modulateur spatial de lumière à adressage optique comprenant une couche de cristal liquide disposée entre deux substrats, un des substrats comprenant un matériau photoconducteur pour une longueur d’onde de la source cohérente, le modulateur spatial de lumière à adressage optique étant disposé de sorte qu’il recouvre au moins partiellement la figure d’interférence.
Selon un mode de réalisation le matériau photoconducteur est de AsGa semi isolant
Selon un autre mode de réalisation l’hologramme adaptatif est constitué d’un cristal photoréfractif disposé de sorte qu’il recouvre au moins partiellement la figure d’interférence.
Selon une autre variante le détecteur holographique comprend :
-un capteur d’image matriciel disposé dans la zone de l’espace comprenant la figure d’interférence et configurée pour acquérir une image de la figure d’interférence,
-une deuxième unité de traitement configurée pour traiter ladite image acquise, délivrant en sortie une image traitée,
-un modulateur spatial de lumière à adressage électrique configuré pour générer l’hologramme adaptatif à partir de l’image traitée, ledit modulateur spatial de lumière étant disposé de manière à être éclairé par le faisceau de référence et/ou le faisceau signal.
Avantageusement le capteur d’image est un capteur de type CMOS ou CCD et le modulateur spatial de lumière est un modulateur à cristal liquide matriciel déposé sur un substrat en silicium.
Avantageusement le capteur d’image et le modulateur spatial de lumière présentent une dimension de pixel sensiblement égale.
Selon un mode de réalisation le système optique comprend en outre un troisième séparateur de faisceau configuré pour dédoubler la figure d’interférence, le capteur d’image étant positionné sur une première figure d’interférence et le modulateur spatial de lumière étant positionné sur une deuxième figure d’interférence, le capteur d’image et le modulateur spatial de lumière étant ainsi disposés symétriquement par rapport au troisième séparateur de faisceau.
Selon une variante le système optique est configuré pour opérer au moins partiellement en mode fibré, et dans lequel au moins un séparateur de faisceau est un coupleur fibré.
Avantageusement la fibre optique est directement couplée audit coupleur fibré.
Selon une autre variante le système optique est configuré pour opérer en espace libre.
Selon un mode de réalisation le faisceau initial est issu d’une fibre optique multimode initiale.
D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :
La figure 1 décrit un détecteur acoustique à lecture optique selon l’état de la technique.
La figure 1 bis illustre un détecteur photoacoustique selon l’invention.
La figure 2 schématise les différents ordres de diffraction d’un hologramme adaptatif.
La figure 3a illustre une première variante d’un détecteur photoacoustique selon l’invention.
La figure 3b illustre une deuxième variante d’un détecteur photoacoustique selon l’invention.
La figure 4 illustre un premier mode de réalisation de l’invention.
La figure 5 décrit le principe de fonctionnement d’un OASLM.
La figure 6 illustre un troisième mode de réalisation de l’invention.
La figure 7 illustre un mode de fonctionnement du détecteur selon l’invention dans lequel le modulateur spatial de lumière fonctionne en réflexion.
La figure 8 illustre une variante dans laquelle le détecteur photoacoustique selon l’invention opère au moins partiellement en mode fibré.
La figure 9 illustre une variante dans laquelle le transducteur est une bobine de fibre optique couplée à un coupleur fibré et qui en constitue une de ces branches.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
La figure 1 bis illustre un détecteur photoacoustique 10 selon l’invention qui comprend une chambre Ch apte à contenir un gaz G à analyser et une fenêtre W configurée pour laisser passer une lumière de caractérisation Lch modulée ou pulsée dans la chambre Ch. La lumière de caractérisation est typiquement une source laser dans le domaine du visible ou de l’infrarouge. Cette lumière de caractérisation est apte à interagir avec le gaz G à analyser de manière à générer une onde acoustique AW dans la chambre, selon un principe connu. L’onde acoustique que l’on cherche à mesurer présente une amplitude acoustique Aaw et une fréquence acoustique Ω.
Le détecteur photoacoustique comprend également un dispositif de modulation MD configuré pour induire sur un faisceau optique une modulation de phase Δφ dont l’amplitude est fonction de AAw et dont la fréquence est fonction de la fréquence acoustique Ω, préférentiellement égale à Ω.
Deux principaux types de dispositif de modulation MD sont décrits plus loin.
Le détecteur acoustique comprend également un moyen de lecture optique sous la forme d’un interféromètre adaptif Al configuré pour déterminer l’amplitude acoustique Aaw et la fréquence acoustique Ω à partir de Δφ.
L’interféromètre Al comprend une source cohérente LS qui émet un faisceau initial Wo. Le faisceau initial traverse ensuite un système optique OS configuré pour générer à partir du faisceau initial WO un premier faisceau dénommé faisceau de référence Wr (correspondant à une fraction de WO) et un deuxième faisceau 101 incident sur le dispositif de modulation MD. Le système optique est également configuré pour recueillir le deuxième faisceau modulé en phase issu du dispositif de modulation MD, dénommé faisceau signal Ws. Ainsi le faisceau optique 101 en entrée de MD voit sa phase modifiée par MD, et il en résulte en sortie de MD un faisceau optique Ws dont la phase Δφ présente une amplitude de modulation fonction de AAw, préférentiellement proportionnelle à Aaw, et dont la fréquence de modulation est fonction de Ω, préférentiellement égale à Ω.
Enfin le système optique est configuré pour diriger le faisceau référence Wr et le faisceau signal Ws dans une zone de l’espace de manière à réaliser une figure d’interférence IP (« interférence pattern » en anglais) entre Wr et Ws. Suivant la nature du dispositif de modulation le front d’onde correspondant au faisceau signal peut être plus ou moins complexe.
Le déphasage Δφ sur le faisceau signal, induit par MD, est codé sous la forme d’une variation d’intensité lumineuse ou figure d’interférence IP. L’interféromètre Al comprend également un détecteur holographique HD qui a pour fonction de transformer la figure d’interférence IP en hologramme de phase en temps réel. Pour cela HD comprend un hologramme adaptatif AH généré à partir de la figure d’interférence IP. L’hologramme adaptatif AH est constitué au moins d’un milieu apte à réaliser des réseaux de phase à partir de la figure d’interférence sensiblement en temps réel, avec un certain temps de réponse tr. Deux modes de réalisation du détecteur holographique sont décrits plus loin.
Eclairé par un faisceau incident correspondant à au moins un des faisceaux référence ou signal, l’hologramme adaptatif AH diffracte une pluralité de faisceaux diffractés selon différents ordres, tel qu’illustré figure 2. La valeur de l’intensité diffractée par chacun de ces ordres est fonction de l’amplitude du réseau de phase codé dans l’hologramme, lui-même directement relié à la phase du faisceau signal, soit à l’amplitude et à la fréquence de l’onde acoustique. Typiquement la modulation de phase optique Δφ est convertie linéairement en modulation de puissance optique diffractée.
L’interféromètre Al comprend également au moins un détecteur optique PhD, typiquement une photodiode, configuré pour détecter l’intensité lumineuse Idîo d’au moins un faisceau diffracté par l’hologramme adaptatif et ainsi transformer l’intensité lumineuse en signal électrique détecté. Une première unité de traitement PU1 démodule le signal détecté, et ainsi remonte à l’amplitude et la fréquence de l’onde acoustique.
Selon une variante la mesure d’intensité se fait directement sur un des ordres diffractés, selon une autre variante on mesure l’intensité sur les deux ordres diffractés correspondant à la référence et au signal avec une détection balancée.
L’hologramme adaptatif AH s’adapte à toute variation de phase des champs optiques plus lente que son temps de réponse tr, typiquement inférieure à 100 Hz. Pour ces variations lentes, l’hologramme est inchangé et la diffraction des ondes sur cet hologramme inchangée. Il agit comme un filtre coupe-bas vis-à-vis du bruit de l’environnement. Pour des variations de phases plus rapides que son temps de réponse, la puissance optique diffractée par l’hologramme AH est modulée à la fréquence des variations de phase.
II est possible de détecter les intensités provenant de plusieurs ordres diffractés à l’aide de plusieurs photodétecteurs, à condition de les remettre en phase. En effet, en prenant comme référence la phase du faisceau de référence W, les ordres de diffraction supérieurs ou égal à l’ordrel ont la même phase, les ordres de diffraction inférieurs sont en antiphase. En détectant simultanément l’intensité issue de plusieurs ordres, on augmente le rapport signal sur bruit, et la mesure de l’amplitude du déplacement est plus précise.
Avantageusement on place le détecteur dans l’ordre 0 du faisceau de référence, qui présente l’intensité diffractée la plus élevée.
Le photodétecteur 10 selon l’invention présente de nombreux avantages.
Du fait du caractère adaptatif de l’hologramme sensiblement en temps réel (au temps de réponse près), il est insensible au désalignement et perturbations des faisceaux incidents et signal.
Comme expliqué plus haut, du fait du temps de réponse tr, l’hologramme adaptatif AH filtre le bruit basse fréquence de l’environnement.
Un autre avantage est que le détecteur photoacoustique 10 présente une très grande sensibilité. En effet une caractéristique importante de l'holographie adaptative est que pour les petites modulations de phase d’amplitude la détection est toujours linéaire en □□ donc la puissance mesurée sur chaque ordre de sortie est directement proportionnelle à l'amplitude de la modulation de phase, et une mesure directe de □□ peut être réalisée en plaçant une photodiode sur l'un des ordres diffractés. Du fait du caractère linéaire de la détection, on peut mesurer des petits signaux, qui autrement seraient cachés par le bruit
En outre le détecteur 10 est compatible de fronts d’onde complexe issu de MD.
Selon une première variante illustrée figure 3a, la chambre du détecteur photoacoustique présente une ouverture dans sa paroi Ap, et le dispositif de modulation MD comprend un élément mobile ME disposé dans l’ouverture de la paroi Ap. L’élément mobile ME est configuré pour générer un déplacement (x ou Θ) fonction de la variation de pression générée par la propagation de l’onde acoustique dans la chambre. Pour ce type de dispositif, la modulation de phase est obtenue par réflexion du deuxième faisceau 101 sur l’élément mobile, via le déplacement de la membrane. Le faisceau réfléchit par ME constitue le faisceau signal Ws.
L’élément mobile est typiquement une lamelle en porte-à-faux (« cantilever » en anglais), un diaphragme, une membrane par exemple en mylar ou métallique... Un avantage est que le design permettant à l’élément mobile de servir de capteur de pression est connu.
Le déplacement mesuré de l’élément mobile est une translation x d’un point de l’élément ou une variation angulaire Θ. L’amplitude du déplacement est fonction de l’amplitude de l’onde acoustique Aaw, et la vitesse de déplacement est fonction de sa fréquence Ω.
Suivant la nature de l’élément mobile ME, par exemple plutôt réfléchissant ou diffusant, le front d’onde de Ws est plus ou moins complexe.
Lorsque ME présente une surface diffusante, le faisceau signal Ws présente des grains de « speckle », et la phase Δφ se retrouve codée dans les grains de speckle de la figure d’interférence IP. Le fonctionnement reste identique.
Selon une deuxième variante illustrée figure 3b, le dispositif de modulation MD comprend une fibre optique OF au moins en partie disposée dans la chambre Ch, qui peut être monomode ou multimode. La fibre OF présente une extrémité d’entrée IN par laquelle est injecté le deuxième faisceau 101 et une extrémité de sortie OUT de laquelle sort le faisceau signal W. Pour ce type de dispositif de modulation, la modulation en phase Δφ est obtenue par un changement du chemin optique dans la fibre sous l’effet de la variation de pression générée par la propagation de l’onde acoustique dans la chambre. En effet, l’onde acoustique qui se forme dans Ch est une onde de pression, et cette pression subie par la fibre induit un changement de chemin optique dans la fibre optique (modification de l’indice n et de la longueur L de la fibre). Ce changement de chemin optique, à la fréquence de l’onde acoustique Ω et avec une amplitude qui dépend de l’amplitude de l’onde acoustique, va modifier la phase du faisceau optique qui voyage dans la fibre. Cette phase modulée sort par l’extrémité OUT. Le transducteur de pression acoustique est ici constitué de la fibre optique (par exemple en bobine) immergée dans la chambre à gaz. Un avantage est que dans ce cas la détection est tout-optique et fibrée, sans composant mécanique. Préférentiellement l’extrémité IN présente un connecteur pour coupler le faisceau 101 à la fibre OF, et l’extrémité OUT présente un connecteur pour mettre en forme le signal Ws en sortie de fibre.
Selon un mode de réalisation illustré figure 4 et figure 6 le système optique OS comprend un premier séparateur de faisceau BS1 configuré pour générer, à partir du faisceau initial Wo, un faisceau destiné à devenir le faisceau de référence Wr et un faisceau destiné à devenir le deuxième faisceau 101 incident sur le dispositif de modulation. Le système optique comprend également un deuxième séparateur de faisceau BS2 configuré pour recueillir le faisceau signal Ws en sortie du dispositif MD et combiner le faisceau signal Ws avec le faisceau de référence Wr de manière à réaliser la figure d’interférence en une zone de l’espace.
Selon un premier mode de réalisation illustré figure 4 l’hologramme adaptatif AH est constitué d’un modulateur spatial de lumière à adressage optique OASLM disposé de sorte qu’il recouvre au moins partiellement la figure d’interférence IP. Dans ce cas le détecteur holographique HD comprend uniquement l’OASLM.
Nous allons à présent décrire le principe de fonctionnement d’un OASLM, tel qu’illustré figure 5, également dénommé valve à cristal liquide ou LCLV pour « Liquid crystal light valve » en anglais. Un exemple d’hologramme adaptatif à base d’OASLM est par exemple décrit dans la publication « picometer détection by adaptative holographie interferomatry in a liquid crystal light valve », Bortolozzo et al, Optics letters, vol 34 n°13, 2009.
L’OASLM comprend une fine couche de cristal liquide LC, typiquement d’épaisseur comprise entre 10 et 200 pm, disposée entre deux substrats, un des substrats comprenant un matériau photoconducteur PC apte à transformer la lumière provenant de la figure d’interférence IP en charge.
Par exemple la couche de cristaux liquides est située entre un substrat de verre et un substrat consistant en un cristal photoconducteur, par exemple un cristal de BSO, sensible dans les longueurs d’onde bleu/vert pour la source cohérente LS, ou une couche d’AsGa semi isolant, sensible dans les longueurs d’onde du proche infrarouge (0.9-1.6 pm).
Des électrodes E1 et E2 sont déposées sur les substrats.
Les cristaux liquides LC sont des molécules organiques anisotropes, caractérisées par une forte biréfringence. Pour les cristaux liquides nématiques, dans la phase nématique toutes les molécules de cristal liquide sont en moyenne alignées le long d'une direction préférentielle. Lorsqu'une tension est appliquée aux électrodes, à cause de l’anisotropie diélectrique du cristal liquide, un moment dipolaire est induit et les molécules se réorientent parallèlement au champ appliqué.
Le matériau photoconducteur est caractérisé par une grande différence de résistivité entre l’état « on » (c'est à dire éclairé) et l'état « off » (c'est-à-dire sans illumination). Lorsqu'un faisceau lumineux est envoyé sur la LCLV, des charges sont photogénérées à la surface du photoconducteur, la tension efficace sur les cristaux liquides augmente et les molécules se réorientent.
En raison de la biréfringence des cristaux liquides, le faisceau sortant acquiert un déphasage, qui est une fonction à la fois de la tension appliquée à la LCLV et de l’intensité sur le photoconducteur. L’indice de réfraction (i.e. le déphasage) peut donc être contrôlé localement par l’intensité lumineuse.
La couche de cristal liquide est ici adressée optiquement, directement par la figure d’interférence IP.
Dans la partie linéaire de la réponse du déphasage en fonction de l’intensité, la LCLV se comporte comme un milieu non-linéaire de type Kerr, fournissant un changement d'indice de réfraction proportionnel à l'intensité d'entrée.
Les deux faisceaux Wr et Ws interfèrent dans le plan du photoconducteur PC, donnant naissance à un réseau de franges d'intensité (figure d’interférence IP). Ce réseau d’illumination provoque l’orientation des molécules de cristal liquide, ce qui a pour conséquence la formation d’un réseau d’indice de réfraction dont l'amplitude est proportionnelle à l'intensité d'entrée par le biais du coefficient non linéaire n2. Ainsi l’OASLM réalise dans la couche de cristal liquide LC un hologramme dynamique et adaptatif.
L’hologramme AH diffracte plusieurs faisceaux à partir de la diffraction des faisceaux référence et signal. En effet ces deux faisceaux sont diffractés par le réseau d’indice qu’ils ont inscrit dans la couche de LC : on parle de mélange à deux ondes entre le faisceau de référence et le faisceau signal. Cette couche est mince (entre 10 et 200 pm typiquement), par conséquent la diffraction se produit dans le régime de Raman-Nath et plusieurs ordres de diffraction sont observés à la sortie de la LCLV (voir figure 2). La détection se fait normalement sur la direction du signal ou la direction de la référence, mais elle est possible aussi sur la direction des ordres de diffraction plus élevés, comme expliqué ci-dessous.
Le temps de réponse tr du cristal liquide est de l’ordre de la ms.
Un avantage de l’utilisation d’un OASLM est que l’interféromètre est compact, le détecteur holographique étant constitué uniquement de l’OASLM. Cette méthode assure également une bonne linéarité de la détection avec des faisceaux complexes, un filtrage des basses fréquences, présente une large surface utile et permet l’utilisation de fibres multimodes.
Selon un deuxième mode de réalisation l’hologramme adaptatif AH est constitué d’un cristal photoréfractif (BSO, LiNbO3, GaAs, CdTe, SPS,...) à la place de l’OASLM.
Selon un troisième mode de réalisation illustré figure 6 le détecteur holographique HD comprend un capteur d’image IS matriciel, une deuxième unité de traitement PU2 et un modulateur spatial de lumière SLM à adressage électrique. La publication « Self adaptative vibrometry with CMOS-LCOS digital holography » de Bortolozzo et al, Optics Letters vol 40 n°7, 2015, décrit une utilisation d’un détecteur holographique de ce type.
Le capteur d’image matriciel IS est disposé dans la zone de l’espace comprenant la figure d’interférence IP et acquiert une image bidimentionnelle lint de la figure d’interférence IP. Une deuxième unité de traitement PU2 traite l’image acquise lint, délivrant en sortie une image traitée It utilisée pour adresser le SLM, qui génère l’hologramme adaptatif AH à partir de l’image traitée It. Le capteur d’image IS est un SLM matriciel comprenant des pixels de cristal liquide disposés en lignes et colonnes adressés indépendamment les uns des autres. Chaque pixel est adressé à partir d’un point ou d’un ensemble de points de l’image It.
La transformation de la figure d’intensité IP en information électrique pour adresser une couche de cristal liquide est réalisée par le capteur d’image et l’unité de traitement, tandis que l’hologramme de phase est réalisé par le SLM. Ici les fonctions d’acquisition de la figure d’interférence pour la transformer en signal électrique, et de génération de l’hologramme de phase à partir du signal électrique, sont dissociées. Cette configuration libère des contraintes sur les composants, l’imageur IS et le SLM adressé électriquement étant des composants commercialement disponibles avec de hautes performances, alors que la l’OASLM est un composant spécifique relativement complexe à réaliser.
L’unité de traitement PU2 transforme l’image brut de la figure d’interférence lint en une image traitée It permettant l’optimisation du réseau de phase qui va être inscrit dans le SLM.
Le modulateur spatial de lumière SLM est disposé de manière à être éclairé par le faisceau de référence et/ou le faisceau signal. Ici les fonctions étant séparées, il n’est pas nécessaire en théorie que l’hologramme AH soit éclairé par les deux faisceaux Wr et Ws, un seul suffit, choisi en fonction de l’ordre diffracté choisi pour positionner le photodétecteur.
Selon le troisième mode de réalisation, le système optique OS comprend en outre un troisième séparateur de faisceau BS3 configuré pour dédoubler la figure d’interférence IP, le capteur d’image IS étant positionné sur une première figure d’interférence IP1 (non représentée) et le modulateur spatial de lumière étant positionné sur une deuxième figure d’interférence IP2 (non représentée), le capteur d’image et le modulateur spatial de lumière étant ainsi disposés symétriquement par rapport au troisième séparateur de faisceau BS3.
Cette configuration offre l’avantage de permettre l’optimisation du réseau de phase grâce au traitement d’image effectué par UT2. Ainsi le décalage de phase entre variation des franges et variation d’indice de réfraction peut être ajusté pour obtenir une détection linéaire d’une quelconque modulation de phase variable en fonction du temps. Le détecteur holographique est donc capable de détecter des variations de phase de faible amplitude avec une réponse linéaire et avec le cas échéant un front d’onde complexe et/ou perturbé.
io De plus, les contraintes en longueur d’onde sont réduites du fait de la suppression du photoconducteur.
Avantageusement le capteur d’image IS est un capteur de type CMOS ou CCD. La configuration est très flexible, selon le capteur d’image IS et le modulateur SLM choisis, le système peut fonctionner sur différentes plages de longueurs d’onde entre le visible et le proche infrarouge (de 400 nm à 2 microns).
Avantageusement, le capteur d’image et le modulateur spatial de lumière présentent une dimension de pixel sensiblement égale. L’avantage dans ce cas est qu’il est possible d’effectuer l’alignement directement sans besoin d’introduire d’optiques supplémentaires pour adapter les agrandissements et donc les tailles des images.
Par exemple le capteur CMOS présente un pixel de 8pm de côté. Avantageusement le modulateur spatial de lumière est un modulateur à cristal liquide matriciel déposé sur un substrat en silicium ou LCOS pour « liquid crystal on Silicon » en anglais, qui présente lui aussi un pixel de 8 pm. Ce type de composant fonctionne en réflexion. Dans ce cas le faisceau diffracté est un faisceau réfléchi qui est donc détecté du côté opposé, comme illustré figure 7.
L’ajustement pour obtenir une détection linéaire s’effectue en contrôlant le gain électronique du capteur CMOS et du SLM. Une amélioration du ratio signal sur bruit est obtenue en utilisant une détection balancée (« balances détection » en anglais), qui supprime la fréquence zéro.
Selon une variante le système optique est configuré pour opérer en espace libre.
Selon une autre variante, le système optique est configuré pour opérer au moins partiellement en mode fibré, c'est-à-dire qu’au moins une portion de propagation des faisceaux est fibrée dans des fibres OF1, OF2, OF3, comme illustré figure 8 pour un élément mobile ME. Préférentiellement au moins un séparateur de faisceau est un coupleur fibré 80.
Dans le cas où le transducteur acoustique est une bobine de fibre optique
OF tel qu’illustré figure 9, préférentiellement la fibre OF est directement couplée au coupleur 80 et en constitue une de ses branches. II n’y a dans ce cas plus de propagation en espace libre pour obtenir WR et Ws.
Selon une variante, le faisceau initial Wo est lui-même issu d’une fibre optique initiale. Ceci est obtenu lorsque la source cohérente est elle-même un laser à fibre, ou lorsque le faisceau émis par la source LS est focalisé dans une fibre avant d’être injecté dans le système optique (voir OF3 figures et 9). Préférentiellement la fibre initiale est multimode. Le faisceau en sortie de fibre présente une structure granulaire dénommée « speckle ». Cette granularité se retrouve dans la figure d’interférence, les franges d’interférences étant présentes dans tous les grains de « speckle ».
II va être démontrer ci-après que dans ce cas il existe un déphasage sur chaque mode optique et que l’OASLM permet d’additionner de manière cohérente toutes les contributions provenant de chaque mode.
On montre le résultat en considérant une fibre avec seulement deux modes 1 et 2 (le même résultat est extensible à N modes). L'amplitude du champ électrique issu de la fibre et subissant un déphasage sur l’élément mobile est :
r+ç?i+Aç?i βΐη(Ωΐ)) _j_ y42gz(k2 r+ç?2 + Aç>2 sin(Qt)) .k1 , k2 respectivement propagation du premier et du deuxième mode, φ1, φ2 respectivement déphasage «continu» soit basse fréquence du premier et du deuxième mode.
Δφ1 , Δφ2 amplitude de la modulation de phase induite par le dispositif MD respectivement du premier et du deuxième mode à détecter.
Ω fréquence de l’oscillation de l’élément mobile correspondant à la fréquence de modulation de la phase, correspondant à la fréquence de l’onde acoustique à mesurer.
Ce champ interfère dans la valve optique avec un faisceau de référence kr propagation du faisceau référence ;
La fréquence de la modulation est supérieure à la bande-passante de la îo valve optique et on suppose que l'amplitude de la modulation est petite :
Δ(/?152 << 1
Grâce à l'effet électro-optique de l’OASLM, un hologramme dynamique 15 s'inscrit dans les cristaux liquides, la variation d'indice de réfraction induite
Δη est donc proportionnelle au produit mixte entre chaque mode et la référence :
Δη = 2n2 [R Αχ cos((ki - kR) r + φχ) + RA2 cos((k2 - kR) r + φ2)]
Dans ce cas les deux modes vont induire deux réseaux de diffraction dynamiques.
Le champ électrique globalement diffracté par les réseaux est
Eout = (E + R)e^dAn
En remplaçant les expressions pour E et R, on trouve que l’intensité détectée sur la photodiode dans la direction de la référence devient
4πά
Ipd = |#|2(1--t— n2 [|4i|2sin(Ay?i sin(fif)) + |A2|2 sin(Aç>2 sin(fif))])
Λ n2 est le coefficient Kerr de l’OASLM.
Le résultat montre que la détection est linéaire, le bruit à basse fréquence <p1, φ2 est supprimé et la contribution de chaque mode va être additionnée de manière cohérente.
En particulier la puissance optique mesurée dans la direction de la référence 5 à la fréquence de la modulation est
Le résultat est extensible à N modes, dans ce cas on trouve que la puissance optique mesurée dans la direction de la référence est la io sommation cohérente du signal sur chaque mode pondéré par sa propre intensité
On obtient donc une puissance optique détectée et utile plus importante que pour l’interféromètre monomode.
On peut montrer que l’amplitude minimale de modulation de phase obtenue avec un interféromètre adaptatif dans le cas d’un front d’onde multimode, ou correspondant à un « speckle », va diminuer avec le nombre de modes d’un facteur approximativement égal à V/V où N est le nombre de modes.
Dans le cas d’un interféromètre classique monomode et supposé en quadrature, la modulation de phase est convertie linéairement en modulation de puissance optique sous la forme :
Ρ(Δφ) = α Δφ où a est une constante de proportionnalité donnée par les caractéristiques de l’interféromètre. La variance associée prend la forme ;
Dans le cas d’un front d’onde multimode (ou speckle), et avec un hologramme adaptatif, la puissance totale du signal détecté s’écrit :
Par conséquent, la variance du signal détecté est donnée par l’expression suivante:
Par conséquent le rapport signal à bruit (SNR) augmente avec VŸ.
Si on considère que le déphasage minimum détectable est donné pour un
SNR=1, dans le cas multimode le déphasage minimum détectable va donc diminuer d’un facteur VŸ.
La sensibilité du détecteur holographique est ainsi améliorée par l’utilisation d’un faisceau initial multimode.
Claims (15)
- REVENDICATIONS1 Détecteur photoacoustique (10) comprenant :-un chambre (Ch) apte à contenir un gaz (G) à analyser,-une fenêtre (W) configurée pour laisser passer une lumière de caractérisation (Lch) modulée ou pulsée dans ladite chambre, ladite lumière étant apte à interagir avec le gaz à analyser de manière à générer une onde acoustique (AW) dans la chambre, ladite onde acoustique présentant une amplitude acoustique (Aaw) et une fréquence acoustique (Ω),-un dispositif de modulation (MD) configuré pour induire sur un faisceau optique une modulation de phase (Δφ) dont l’amplitude est fonction de ladite amplitude acoustique et dont la fréquence est fonction de la fréquence acoustique,-un interféromètre adaptatif (Al) configuré pour déterminer l’amplitude acoustique et la fréquence acoustique, et comprenant :* une source cohérente (LS) configurée pour émettre un faisceau initial (W0), *un système optique (OS) configuré pour :générer à partir du faisceau initial un premier faisceau dénommé faisceau de référence (Wr) et un deuxième faisceau (101) incident sur le dispositif de modulation, recueillir ledit deuxième faisceau modulé en phase issu du dispositif de modulation dénommé faisceau signal (Ws), diriger ledit faisceau référence (WR) et ledit faisceau signal (Ws) dans une zone de l’espace de manière à réaliser une figure d’interférence (IP), *un détecteur holographique (HD) comprenant un hologramme adaptatif (AH) généré à partir de la figure d’interférence, *au moins un détecteur optique (PhD) configuré pour détecter une intensité lumineuse (Idîo) d’au moins un faisceau diffracté par l’hologramme adaptatif et générer un signal détecté, *une première unité de traitement (PU1) configurée pour démoduler le signal détecté de manière à déterminer ladite amplitude acoustique et ladite fréquence acoustique.
- 2. Détecteur photoacoustique selon la revendication 1 dans lequel ladite chambre présente une ouverture dans sa paroi (Ap) et dans lequel le dispositif de modulation (MD) comprend un élément mobile (ME) disposé dans ladite ouverture de la paroi et configuré pour générer un déplacement (χ,θ) fonction de la variation de pression générée par la propagation de l’onde acoustique dans la chambre, ladite modulation de phase étant obtenue par réflexion du deuxième faisceau sur l’élément mobile.
- 3. Détecteur photoacoustique selon la revendication 1 dans lequel le dispositif de modulation (MD) comprend une fibre optique (OF) au moins en partie disposée dans ladite chambre, présentant une extrémité d’entrée (IN) par laquelle est injecté le deuxième faisceau (101) et une extrémité de sortie (OUT) de laquelle sort le faisceau signal (Ws), ladite modulation en phase étant obtenue par un changement du chemin optique dans la fibre sous l’effet de la variation de pression générée par la propagation de l’onde acoustique dans la chambre.
- 4. Détecteur selon l’une des revendications précédentes dans lequel le système optique comprend un premier séparateur de faisceau (BS1) configuré pour générer à partir du faisceau initial un faisceau destiné à devenir le faisceau de référence et un faisceau destiné à devenir le deuxième faisceau, et un deuxième séparateur de faisceau (BS2) configuré pour recueillir le faisceau signal et combiner le faisceau signal avec le faisceau de référence de manière à réaliser la figure d’interférence.
- 5. Détecteur selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’hologramme adaptatif est constitué d’un modulateur spatial de lumière à adressage optique (OASLM) comprenant une couche de cristal liquide disposée entre deux substrats, un des substrats comprenant un matériau photoconducteur pour une longueur d’onde de la source cohérente (LS), le modulateur spatial de lumière à adressage optique étant disposé de sorte qu’il recouvre au moins partiellement la figure d’interférence (IP).
- 6. Détecteur selon l’une des revendications précédentes dans lequel le matériau photoconducteur est de AsGa semi isolant
- 7. Détecteur selon l’une des revendications 1 à 4 dans lequel l’hologramme adaptatif est constitué d’un cristal photoréfractif disposé de sorte qu’il recouvre au moins partiellement la figure d’interférence.
- 8. Détecteur selon l’une des revendications 1 à 4 dans lequel le détecteur holographique (HD) comprend :-un capteur d’image (IS) matriciel disposé dans la zone de l’espace comprenant la figure d’interférence et configurée pour acquérir une image îo (lint) de la figure d’interférence,-une deuxième unité de traitement (PU2) configurée pour traiter ladite image acquise, délivrant en sortie une image traitée (It)-un modulateur spatial de lumière (SLM) à adressage électrique configuré pour générer l’hologramme adaptatif (AH) à partir de l’image traitée (It), ledit15 modulateur spatial de lumière (SLM) étant disposé de manière à être éclairé par le faisceau de référence et/ou le faisceau signal.
- 9. Détecteur selon la revendication 8 dans lequel le capteur d’image (IS) est un capteur de type CMOS ou CCD et le modulateur spatial de lumière est un20 modulateur à cristal liquide matriciel déposé sur un substrat en silicium (LCOS).
- 10. Détecteur selon l’une des revendications 8 ou 9 dans lequel le capteur d’image et le modulateur spatial de lumière présentent une dimension de25 pixel sensiblement égale.
- 11. Détecteur selon l’une des revendications 8 à 10 dans lequel le système optique (OS) comprend en outre un troisième séparateur de faisceau (BS3) configuré pour dédoubler la figure d’interférence, le capteur d’image étant30 positionné sur une première figure d’interférence et le modulateur spatial de lumière étant positionné sur une deuxième figure d’interférence, le capteur d’image et le modulateur spatial de lumière étant ainsi disposés symétriquement par rapport au troisième séparateur de faisceau (PBS3)
- 12. Détecteur selon l’une des revendications précédentes dans lequel le système optique est configuré pour opérer au moins partiellement en mode fibré, et dans lequel au moins un séparateur de faisceau est un coupleur fibré (80).
- 13. Détecteur selon l’une des revendications 3 à 12 et dans lequel au moins un séparateur de faisceau est un coupleur fibré (80), et dans lequel la fibre optique (OF) est directement couplée audit coupleur fibré.îo
- 14. Détecteur selon l’une des revendications 1 à 11 dans lequel le système optique est configuré pour opérer en espace libre.
- 15. Détecteur selon l’une des revendications précédentes dans lequel le faisceau initial est issu d’une fibre optique multimode initiale.1/9
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