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EP2954311A1 - Cellule photo-acoustique a precision de detection amelioree et analyseur de gaz comprenant une telle cellule - Google Patents

Cellule photo-acoustique a precision de detection amelioree et analyseur de gaz comprenant une telle cellule

Info

Publication number
EP2954311A1
EP2954311A1 EP14707340.7A EP14707340A EP2954311A1 EP 2954311 A1 EP2954311 A1 EP 2954311A1 EP 14707340 A EP14707340 A EP 14707340A EP 2954311 A1 EP2954311 A1 EP 2954311A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cell
resonator
mirror
optical axis
acoustic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14707340.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Andras Miklos
Alexis COLIN
Joël NGUYEN
Thibaut CAMPREDON
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Blue Industry and Science SAS
Original Assignee
Blue Industry and Science SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Blue Industry and Science SAS filed Critical Blue Industry and Science SAS
Publication of EP2954311A1 publication Critical patent/EP2954311A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
    • G01N2021/1704—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids in gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/031—Multipass arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/021—Gases

Definitions

  • the present invention relates to a photo-acoustic cell, that is to say an apparatus arranged to generate an acoustic signal from light (typically from a laser beam), and to detect this acoustic signal.
  • It also relates to a device comprising a photoacoustic cell according to the invention.
  • the field of the invention is more particularly that of gas analyzers comprising a photoacoustic cell according to the invention.
  • Infrared spectroscopy is based on the absorption of infrared radiation by a molecule. It is one of the most effective methods for identifying organic and inorganic molecules from their vibrational properties. In particular, most of the polluting gases in buildings have at least one main absorption peak in the wavelength range between 3.2 and 3.8 ⁇ m. These molecules have, in fact, at least one C-H bond whose absorption peaks are in this area.
  • Photo-acoustic cells are known according to the state of the art.
  • a pulsed laser beam is sent at a certain wavelength (its "color") and at a certain frequency (determining the number of pulses per second) inside. of a resonator of the cell.
  • the wavelength is determined as a function of a gas or compound which is to be checked whether it is present in the cell or not, and is chosen to be a wavelength absorbed by the gas or compound in question. If the gas or compound is present in the cell and therefore in the resonator, it absorbs laser energy and emits back a wave acoustic sound that is detected by a microphone. If the gas or compound is absent, there is no acoustic wave and therefore no signal detected.
  • the modulation frequency of the laser source and the resonance frequency of the resonator are preferably (but not necessarily) adapted in such a way that at this frequency the signal is acoustically amplified (it is called a quality factor quantifying the factor non-resonance amplification and resonance).
  • the laser beam is reflected within the cell between two mirrors.
  • One of the two mirrors called the entrance mirror, includes a hole to initially enter the laser beam.
  • this entry hole is, for example, off-center with respect to the center of the entrance mirror: thus, the laser beam returns off-center with respect to this input mirror, and at each these reflections on the input mirror the position of the laser beam is shifted along an ellipse that passes through the inlet hole and is centered on the input mirror, so that after a certain number of reflections the Laser beam emerges from the cell through the inlet hole after circling this ellipse.
  • identical acoustic buffers are arranged at both ends of the resonator between the resonator and each of the mirrors.
  • the object of the present invention is to improve the detection accuracy of a photoacoustic cell. Presentation of the invention
  • photo-acoustic cell comprising:
  • an acoustic resonator comprising a tube-shaped resonator cavity extending in a longitudinal direction, said resonator further comprising a resonator transducer disposed along an inner surface of the tube of the resonator cavity;
  • each of the entrance and bottom mirrors comprising a reflecting face facing the resonator, the entrance mirror being provided with an input window arranged to let into the cell a light beam (preferably a beam laser),
  • a light beam preferably a beam laser
  • a cavity extending in the longitudinal direction forming a bottom acoustic buffer.
  • the optical axis of the cell can be defined so that the reflecting face of each of the input mirror and the background mirror has a concave shape whose apex is a point of the optical axis, preferably a concave shape of symmetry of revolution around the optical axis.
  • a geometric projection of the entrance window in the longitudinal direction may pass through the resonator cavity (i.e. be in intersection with the resonator cavity or pass within the resonator cavity).
  • the lengths of the acoustic input and bottom buffers, measured in the longitudinal direction along the optical axis of the cell, are preferably asymmetrical.
  • the length of the input acoustic buffer is preferably greater than the length of the background acoustic buffer.
  • the length of an acoustic pads can be equal to ⁇ ⁇ in +
  • 10% of error preferably to 7% of error
  • the length of the other acoustic buffer can be equal to - to 10% of error (from preferably to 7% error), "being an odd natural integer greater than or equal to 1.
  • n is preferably an odd natural integer less than or equal to 5, n is preferably even equal to 1.
  • the input mirror and the background mirror are preferably arranged to reflect, several times and successively one after the other, a light beam entering the cell to through the input window in the longitudinal direction being centered on the optical axis of the cell, so that after each reflection on each of these mirrors the reflected light beam remains centered on the optical axis of the cell for minus five reflections on the background mirror after entering through the entrance window.
  • the reflecting face of each of the input mirror and the background mirror may have a concave shape of revolution symmetry around the optical axis.
  • the input mirror and the background mirror are preferably arranged to reflect, several times and successively one after the other, a light beam penetrating into the cell through the input window in the longitudinal direction while being centered. on the optical axis of the cell, so that after each reflection on each of these mirrors the light beam has, inside the resonator cavity, a diameter, measured perpendicularly to the optical axis of the cell, less than the diameter of the tube of the resonator cavity for at least five reflections on the background mirror after entering through the entrance window.
  • the cell according to the invention is preferably arranged so that as and when reflections on the entrance and bottom mirrors, the focus point of the light beam moves along the optical axis of the cell to at least five reflections on the background mirror after entering through the entrance window.
  • the optical axis of the tube of the resonator cavity preferably passes through the entrance window.
  • the resonator may include a second tube-shaped cavity extending in the longitudinal direction, said resonator further comprising a transducer disposed along an inner surface of the second cavity tube.
  • a geometric projection of the entrance window in the longitudinal direction preferably does not pass through the second cavity.
  • a device comprising a photoacoustic cell according to the invention, and a light source (preferably a laser source) arranged to emit a light beam (preferably a laser beam) oriented to pass through the entrance window.
  • a light source preferably a laser source
  • a light beam preferably a laser beam
  • the light source can be arranged to emit the light beam so that it enters the cell through the input window in the longitudinal direction by being centered on the optical axis of the cell.
  • a gas analyzer comprising a device according to the invention, and further comprising electronic means arranged for:
  • FIG. 1 is a perspective sectional view of a photoacoustic cell according to the invention, which is the preferred embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a sectional and diagrammatic sectional view of the cell of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a sectional and diagrammatic sectional view of the cell of FIG. 1, in which three trips of the laser beam in the cell according to the invention are also represented,
  • FIG. 4 is a schematic sectional side view of the cell of FIG. 1, in which a large number of back and forth laser beams are represented in the cell according to the invention, and
  • FIG. 5 is a schematic view of a gas analyzer according to the invention.
  • variants of the invention comprising only a selection of the characteristics described subsequently isolated from the other characteristics described (even if this selection is isolated within a sentence comprising these other characteristics), if this selection of characteristics is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art.
  • This selection comprises at least one preferably functional feature without structural details, and / or only a portion of the structural details if this part alone is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art .
  • the photoacoustic cell 1 according to the invention comprises an acoustic resonator 2.
  • This resonator 2 comprises a tube-shaped resonator cavity 3 extending in a longitudinal direction 4 and centered on a central axis of the tube of the resonator cavity 3.
  • the tube shape of the cavity 3 has a length ⁇ / 2 (referenced 53 in the figures) of 42.4 mm and an internal diameter 52 of 6 mm, for a resonance frequency around 3.8 kHz.
  • the resonator is made of aluminum.
  • the resonator 2 further comprises a transducer 6 (typically considered to be a microphone thereafter) resonator disposed along an inner surface 7 of the tube of the resonator cavity 3.
  • the transducer 6 is arranged to transform a sound wave into an electrical signal.
  • an electro-acoustic transducer 6 can be used as a Knowles EK 3024 reference microphone.
  • the cell 1 comprises an input mirror 8 provided with an input window 9 arranged to let in the cell 1 a laser beam 15.
  • the input window 9 is typically a hole or a blade of transparent material, c That is to say, the light beam 15 passes through.
  • the input window 9 is preferably a circular hole, typically of diameter 0.5 mm, located in the center of the concave mirror 8.
  • the central axis of the tube of the resonator cavity 3 passes through the input window 9.
  • Cell 1 comprises a bottom mirror 10.
  • the mirrors 8 and 10 are both aligned with the resonator 2 along an optical axis 5 of the cell parallel to the longitudinal direction 4, so that the optical axis 5 of the cell (or the central axis of the tube of the resonator cavity) intersects (or crosses) the bottom mirror 10 and passes through the input window 9 of the input mirror.
  • This optical axis 5 of the cell is defined so that the reflecting face of each of the input mirror and the background mirror has a concave shape whose apex is a point of the optical axis 5, and even more specifically a concave form of symmetry of revolution around the optical axis 5.
  • the optical axis 5 coincides with the central axis of the tube of the resonator cavity.
  • Each of the input 8 and bottom 10 mirrors is preferably a CaF 2 mirror, one face of which is covered with gold.
  • Each of the input and bottom mirrors 10 comprises a reflecting face 11, 12 oriented towards the resonator 2 (ie facing the inside of the cell 1); this reflective face is the face covered with gold.
  • the radius of curvature of the mirror 8 is 100 mm and that of the mirror 10 is 75 mm.
  • the mirrors 8, 10 are schematized by planes. In Figure 1, the mirrors 8, 10 are not illustrated so as not to overload this figure.
  • the cell 1 comprises, between the input mirror 8 and the resonator 2, a cavity 13 extending in the longitudinal direction 4 and forming an acoustic input buffer 13.
  • the widths or the diameter 73, 83 of the buffer of FIG. 13, measured in the plane perpendicular to the optical axis 5 (or the central axis of the tube of the resonator cavity), are greater (preferably at least twice or three times greater) than the width or diameter 52 , measured in the plane perpendicular to the optical axis 5 (or to the central axis of the tube of the resonator cavity), of the tube of the resonator cavity 3.
  • the input pad 13 has a rectangular section of the widths 73, 83, 16 mm by 24 mm, and the diameter 52 is equal to 6 mm.
  • the peripheries of the buffer 13 are made of aluminum
  • the cell 1 comprises, between the bottom mirror 10 and the resonator 2, a cavity 14 extending in the longitudinal direction 4 and forming a bottom acoustic buffer 14.
  • the widths or the diameter 74, 84 of the output buffer 14, measured in the plane perpendicular to the optical axis 5 (or the central axis of the tube of the resonator cavity), are greater (preferably at least twice or three times greater) than the widths or the diameter 52 measured in the plane perpendicular to the optical axis 5 (or the central axis of the tube of the resonator cavity), the tube of the cavity 3 of the resonator.
  • the output buffer 14 has a rectangular section of 74, 84 mm by 24 mm, and the diameter 52 is equal to 6 mm.
  • the periphery of the buffer 14 are aluminum.
  • the lengths 63, 64 of the input and bottom acoustic buffers 14, measured in the longitudinal direction along the optical axis 5 of the cell (or the central axis of the tube of the resonator cavity) as illustrated. in FIG. 3, are asymmetrical, that is to say different, so that sounds generated by reflections of the laser beam 15 on the mirrors 8 and 10 arrive in phase opposition in the cavity 3 of the resonator, preferably At the microphone level 6.
  • the asymmetry of the buffers 13, 14 makes it possible to reduce the background noise generated at the mirrors 8, 10. This therefore improves the signal to background ratio (RSF).
  • one of the two buffers (preferably the input buffer 13) has a length of at least 36% (preferably at least 60% and ideally at least 190%) greater than the length of the other buffer ( preferably the bottom pad 14).
  • the length of one of the acoustic buffers (preferably the length 63 of the acoustic input buffer
  • n is an odd natural integer greater than or equal to 1.
  • the length 63 of the acoustic input buffer 13 is greater than the length 64 of the acoustic background buffer 14.
  • n 5
  • one of the two buffers is about 40% longer than the length of the other buffer (preferably the bottom buffer 14).
  • one of the two buffers (preferably the input buffer 13) is about 66% longer than the length of the other buffer (preferably the bottom buffer 14).
  • one of the two buffers (preferably the input buffer 13) has a length of about 200% greater than the length of the other buffer (preferably the bottom buffer 14).
  • the case where "is equal to 1 is a very clearly preferential case, because it allows a more compact cell and allows a better quality of the cell.
  • the background noise generated by the windows is zero at the microphone.
  • the asymmetry of the buffers 13, 14 makes it possible to substantially reduce the noise generated by the mirrors.
  • the asymmetric design respects the acoustic noise reduction conditions of the prior art. But in the present case, not only the acoustic noise from the buffers is transmitted in a reduced way to the resonator but in addition, the transmitted part (for the mirror noise) is even more reduced at the level of the microphone 6 by the phase opposition .
  • the input mirror 8 and the base mirror 10 are arranged to reflect, several times and successively one after the other, a laser beam 15 penetrating into the cell through the window of FIG. input 9 in the longitudinal direction 4 being centered on the optical axis 5 (or on the central axis of the tube of the resonator cavity), so that after each reflection on each of these mirrors 8, 10 the laser beam reflected remains centered on the optical axis 5 (or on the central axis of the tube of the resonator cavity) for at least five (preferably at least ten or at least twelve) reflections on the background mirror 10 after its entry to through the input window 9 (ie at least ten, preferably at least twenty or twenty-four beam passes through the cavity 3), without touching the inner surfaces 7 of the tube of the resonator cavity 3.
  • the input window 9 is aligned with the optical axis 5 defined by the mirrors 8, 10 of the cavity.
  • the curvature of the mirrors 8, 10 makes it possible to longitudinally offset the focusing points of the reflections of the beam 15 along the optical axis 5, this which has the effect of keeping a maximum of energy in the cell 1.
  • the diameter 65 of the bundle 15 inside the tube of the cavity 3 is always smaller than the diameter of the tube 52 of the cavity 3, for at least five (preferably at least ten or at least twelve) reflections on the background mirror. 10 after entering through the input window 9.
  • the concave shape of the mirrors 8, 10 makes it possible to considerably increase the size (diameter) of the laser beam 15 as soon as it is first reflected on the bottom mirror 10 and to maintain this magnification as and when its reflections on the mirrors 8, 10 for at least five (preferably at least ten or at least twelve) reflections on the input mirror 8 after its entry through the input window 9 (typically, at each of these reflections of the beam 15 on the input mirror 8, the surface of the beam 15 on the reflecting surface 11 of the input mirror 8 is at least 1.5 times the area of the hole of the input window 9 on the reflecting surface 11 of the mirror input 8).
  • the laser beam 15 is trapped between the two mirrors 8, the number of passages of the beam 15 is increased and the optical average power is thus increased in the resonator 2.
  • This is called a multi-pass photoacoustic cell.
  • the signal-to-noise ratio is thus increased.
  • the reflecting face 11, 12 of each of the input mirror 8 and the bottom mirror 10 preferably has a concave shape of revolution symmetry around the optical axis 5 (or the central axis of the cavity tube resonator).
  • This shape has the following characteristics and dimensions: the radius of curvature of the mirror 8 is 10 cm and the radius of curvature of the mirror 10 is 7.5 cm.
  • the input mirror 8 and the bottom mirror 10 are arranged to reflect, several times and successively one after the other, the laser beam 15 penetrating into the cell 1 through the input window 9 according to the longitudinal direction 4 being centered on the optical axis 5 (or on the central axis of the tube of the resonator cavity), so that after each reflection on each of these mirrors the reflected laser beam has inside of the cavity 3 a maximum diameter 65, measured perpendicularly to the optical axis 5 (or to the central axis of the tube of the resonator cavity), less than the diameter 52 of the tube of the cavity 3 for at least five (preferably at least ten or at least twelve) reflections on the background mirror after it enters through the input window 9.
  • the focal point of the laser beam 15 moves along the optical axis 5 (or the central axis of the tube of the resonator cavity) for at least five (preferably at least ten or at least twelve) reflections on the background mirror after entering through the entrance window.
  • the optical axis 5 of the cell (or the central axis of the tube of the resonator cavity 3) passes through the entry window 9, more exactly through the center of the entry window 9.
  • the resonator 2 further comprises a second tube-shaped cavity 16 (called “differential") extending in the longitudinal direction 4, said resonator 2 further comprising a transducer 17 (typically considered to be a microphone thereafter) disposed along an inner surface of the tube of the second cavity 16.
  • the transducer 17 is arranged to transform a sound wave into an electrical signal.
  • a geometric projection of the inlet window 9 in the longitudinal direction 4 passes through the cavity 3 of the resonator.
  • a geometric projection of the inlet window 9 in the longitudinal direction 4 does not pass through the second cavity.
  • the cell is arranged so that the laser beam 15 penetrating into the cell 1 (through the inlet window 9 in the longitudinal direction 4 being centered on the optical axis 5 (or on the central axis of the tube of the resonator cavity) does not pass into the second cavity 16.
  • a device 18 comprising a photoacoustic cell 1 as described with reference to the preceding figures, and a laser source 19 arranged to emit the laser beam 15, will now be described, so that this laser beam 15 is oriented to pass through the input window 9.
  • the laser source 19 is arranged (ie optically aligned with the cell 1) to emit the laser beam 15 so that it enters the cell 1 through the input window 9 in the longitudinal direction 4 while being centered on the optical axis 5 (on the central axis of the tube of the resonator cavity).
  • the laser source 19 typically comprises a pump laser 20 (Brand: Innolight Model mephisto Q) arranged to emit a laser beam of wavelength ⁇ init (typically equal to 1.064 ⁇ m) at a repetition frequency f typically between 2 and 5 kHz.
  • the pump laser 20 is arranged to pump an optical parametric oscillator 21 (Boyd, "Nonlinear Optics", 3rd Edition, Chapter 2.9, ISBN-10: 0123694701, ISBN-13: 978-0123694706, 2008).
  • the optical parametric oscillator 21 generates two superimposed beams of respective wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 and adjustable thanks to the optical parametric oscillator (not to be confused with the length ⁇ / 2 of the cavity 3).
  • the respective wavelength beam Ai is eliminated through a dichroic mirror 22. To adjust the optical alignment of the wavelength laser beam ⁇ 2 with respect to the cell 1, the angular and transverse position of the mirror is adjusted. dichroic 22 and a mirror 23.
  • the wavelength ⁇ 2 of the laser beam 15 (its "color") is adjustable thanks to the parametric oscillator 21 between 3.2 and 3.8 ⁇ m, and is adjusted according to a gas or desired compound which is seeks to verify if it is present or not in the cell 1.
  • ⁇ 2 is chosen to be a wavelength absorbed by the gas or compound in question.
  • the spectral range of 3.2 - 3.8 ⁇ m generally corresponds to the absorption wavelengths of volatile organic compounds (VOCs).
  • this gas or desired compound If this gas or desired compound is present in the cell 1 and thus in the resonator 2, it absorbs energy from the laser beam 15 and in return transmits an acoustic wave which is detected by the microphone 6 which generates an electrical signal (Bell AG, "The production of sound by radiant energy", Science, os-2 - 49, 242-253, (1881)). If this gas or desired compound is absent, there is no acoustic wave and therefore no signal detected.
  • the laser source For a length of the tube of the resonator cavity 3, measured in the longitudinal direction 4 along the optical axis 5 (or the central axis of the tube of the resonator cavity), and equal to ⁇ / 2, the laser source
  • the frequency f of the source and the resonance frequency of the resonator 2 are adapted so that at this frequency f, the detected signal is acoustically amplified with respect to the noise.
  • the gas analyzer 24 comprises the device 18, and furthermore comprises electronic and / or computer means 25 arranged for:
  • the detected signal comes from the two microphones 6, 17 and consists of a differential signal.
  • the cell 1 is a differential cell (see “Photoacoustic Techniques for Trace Gas Sensing Based on Semiconductor Laser Sources” Angela Elia, Mario Pietro Lugarà, Cinzia Di Franco and Vincenzo Spagnolo, Sensors 2009, 9, 9616-9628; “Application of acoustic resonators in photoacoustic trace gas analysis and metrology” Andras Miklos, Peter Hess, Zoltan Bozoki, Review of scientific instruments, volume 72, number 4, April 2001), with two cavities 3, 16 and two microphones 6, 17, making it possible to overcome the ambient acoustic noise and to limit the noise of the mirrors 8, 10.
  • the laser beam 15 passes through the cavity 3 after each reflection on the mirror 8 or 10 but never passes through the cavity 16.
  • the microphone 6 thus detects a "real" signal and the microphone 17 therefore does not detect only noise.
  • the difference of the signals of the two microphones 6, 17 (produced electrically by an analog amplifier) thus makes it possible to subtract the non-generated signals by the optical absorption of the gas molecules inside the single resonator 2 traversed by the beam 15.
  • the noise generated by the mirrors 8, 10 as well as the external acoustic noise are thus substantially reduced, which makes it possible to increase the signal-to-ground ratio (RSF) and the signal-to-noise ratio (SNR).
  • RSS signal-to-ground ratio
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the laser beam 15 is generalizable to any focusable light beam, such as for example a beam of light from a light emitting diode (LED) power.
  • LED light emitting diode
  • the tube of the cavity 3 may have a section other than circular (for example rectangular or other).

Landscapes

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Abstract

La présente invention concerne une cellule photo-acoustique (1), comprenant : un résonateur acoustique (2), ledit résonateur comprenant une cavité (3) de résonateur en forme de tube s'étendant selon une direction longitudinale (4); un miroir d'entrée (8) et un miroir de fond (10) alignés avec le résonateur (2) le long d'un axe optique (5) de la cellule parallèle à la direction longitudinale (4); entre le miroir d'entrée et le résonateur, un tampon acoustique d'entrée (13); et entre le miroir de fond et le résonateur, un tampon acoustique de fond (14). Selon un premier aspect de cellule selon l'invention, les longueurs (63, 64) des tampons acoustique d'entrée et de fond, mesurées selon la direction longitudinale, sont de préférence asymétriques. Selon un deuxième aspect de cellule selon l'invention le miroir d'entrée et le miroir de fond sont de préférence agencés pour réfléchir un faisceau lumineux (15) pénétrant dans la cellule à travers la fenêtre d'entrée (9) selon la direction longitudinale en étant centré sur l'axe optique, de sorte qu'après chaque réflexion sur chacun de ces miroirs le faisceau lumineux réfléchi reste centré sur l'axe optique (5). L'invention concerne aussi un analyseur de gaz comprenant une cellule selon l'invention.

Description

«Cellule photo-acoustique à précision de détection améliorée et analyseur de gaz comprenant une telle cellule» Domaine technique
La présente invention concerne une cellule photo-acoustique, c'est à dire un appareil agencé pour générer un signal acoustique à partir de lumière (typiquement à partir d'un faisceau laser), et de détecter ce signal acoustique.
Elle concerne aussi un dispositif comprenant une cellule photoacoustique selon l'invention.
Le domaine de l'invention est plus particulièrement celui des analyseurs de gaz comprenant une cellule photo-acoustique selon l'invention.
État de la technique antérieure
La spectroscopie infrarouge (IR) est basée sur l'absorption de radiations infrarouges par une molécule. C'est l'une des méthodes les plus efficaces pour l'identification des molécules organiques et inorganiques à partir de leurs propriétés vibrationnelles. En particulier, la plupart des gaz polluants dans les bâtiments présentent au moins un pic d'absorption principal dans la gamme de longueur d'onde comprise entre 3,2 et 3,8 pm. Ces molécules possèdent, en effet, au moins une liaison C-H dont les pics d'absorption se situent dans ce domaine.
On connaît des cellules photo-acoustiques selon l'état de l'art.
Dans une cellule selon l'état de l'art, on envoie un faisceau laser impulsionnel à une certaine longueur d'onde (sa « couleur ») et à une certaine fréquence (déterminant le nombre d'impulsions par seconde) à l'intérieur d'un résonateur de la cellule.
La longueur d'onde est déterminée en fonction d'un gaz ou composé dont on cherche à vérifier s'il est présent ou non dans la cellule, et est choisie pour être une longueur d'onde absorbée par le gaz ou composé en question. Si le gaz ou composé est présent dans la cellule et donc dans le résonateur, il absorbe de l'énergie laser et émet en retour une onde acoustique qui est détectée par un microphone. Si le gaz ou composé est absent, il n'y a pas d'onde acoustique et donc pas de signal détecté.
La fréquence de modulation de la source laser et la fréquence de résonance du résonateur sont de préférence (mais pas impérativement) adaptées de telle manière à ce qu'à cette fréquence, le signal soit acoustiquement amplifié (on parle de facteur de qualité quantifiant le facteur d'amplification hors résonnance et à la résonnance).
Typiquement, le faisceau laser est réfléchi au sein de la cellule entre deux miroirs. Un des deux miroirs, dit miroir d'entrée, comprend un trou pour faire initialement entrer le faisceau laser. Dans l'état de l'art, ce trou d'entrée est par exemple décentré par rapport au centre du miroir d'entrée : ainsi, le faisceau laser rentre en étant décentré par rapport à ce miroir d'entrée, et à chacune de ces réflexions sur le miroir d'entrée la position du faisceau laser est décalée le long d'une ellipse qui passe par le trou d'entrée et est centré sur le miroir d'entrée, de sorte qu'après un certain nombre de réflexions le faisceau laser ressort de la cellule par le trou d'entrée après avoir fait le tour de cette ellipse.
Pour réduire différentes sources de bruits possibles, des tampons acoustiques identiques sont disposés aux deux extrémités du résonateur entre le résonateur et chacun des miroirs.
Le but de la présente invention est d'améliorer la précision de détection d'une cellule photo-acoustique. Exposé de l'invention
Cet objectif est atteint avec une cellule photo-acoustique, comprenant :
- un résonateur acoustique, comprenant une cavité de résonateur en forme de tube s'étendant selon une direction longitudinale, ledit résonateur comprenant en outre un transducteur de résonateur disposé le long d'une surface intérieure du tube de la cavité de résonateur,
- un miroir d'entrée et un miroir de fond, tous les deux alignés avec le résonateur le long d'un axe optique de la cellule parallèle à la direction longitudinale, chacun des miroirs d'entrée et de fond comprenant une face réfléchissante orientée vers le résonateur, le miroir d'entrée étant muni d'une fenêtre d'entrée agencée pour laisser entrer dans la cellule un faisceau lumineux (de préférence un faisceau laser),
- entre le miroir d'entrée et le résonateur, une cavité s'étendant selon la direction longitudinale formant un tampon acoustique d'entrée, et
- entre le miroir de fond et le résonateur, une cavité s'étendant selon la direction longitudinale formant un tampon acoustique de fond .
On peut définir l'axe optique de la cellule de sorte que la face réfléchissante de chacun parmi le miroir d'entrée et le miroir de fond a une forme concave dont le sommet est un point de l'axe optique, de préférence une forme concave de symétrie de révolution autour de l'axe optique.
Une projection géométrique de la fenêtre d'entrée selon la direction longitudinale peut passer par la cavité de résonateur (i.e. être en intersection avec la cavité de résonateur ou passer à l'intérieur de la cavité de résonateur).
Selon un premier aspect de cellule selon l'invention, les longueurs des tampons acoustiques d'entrée et de fond, mesurées selon la direction longitudinale le long de l'axe optique de la cellule, sont de préférence asymétriques.
La longueur du tampon acoustique d'entrée est de préférence plus grande que la longueur du tampon acoustique de fond .
Pour une longueur du tube de la cavité de résonateur, mesurée selon la direction longitudinale le long de l'axe optique de la cellule, et égale à λ/2, la longueur d'un des tampons acoustiques peut être égale à ^ +^ à
10 % d'erreur près (de préférence à 7 % d'erreur près) et la longueur de l'autre tampon acoustique peut être égale à — à 10 % d'erreur près (de préférence à 7 % d'erreur près), « étant un entier naturel impair supérieur ou égal à 1. n est de préférence un entier naturel impair inférieur ou égal à 5, n est même de préférence égal à 1. Selon un deuxième aspect de cellule selon l'invention (envisageable indépendamment du premier aspect), le miroir d'entrée et le miroir de fond sont de préférence agencés pour réfléchir, plusieurs fois et successivement l'un après l'autre, un faisceau lumineux pénétrant dans la cellule à travers la fenêtre d'entrée selon la direction longitudinale en étant centré sur l'axe optique de la cellule, de sorte qu'après chaque réflexion sur chacun de ces miroirs le faisceau lumineux réfléchi reste centré sur l'axe optique de la cellule pour au moins cinq réflexions sur le miroir de fond après son entrée à travers la fenêtre d'entrée. La face réfléchissante de chacun parmi le miroir d'entrée et le miroir de fond peut avoir une forme concave de symétrie de révolution autour de l'axe optique.
Le miroir d'entrée et le miroir de fond sont de préférence agencés pour réfléchir, plusieurs fois et successivement l'un après l'autre, un faisceau lumineux pénétrant dans la cellule à travers la fenêtre d'entrée selon la direction longitudinale en étant centré sur l'axe optique de la cellule, de sorte qu'après chaque réflexion sur chacun de ces miroirs le faisceau lumineux a, à l'intérieur de la cavité de résonateur, un diamètre, mesuré perpendiculairement à l'axe optique de la cellule, inférieur au diamètre du tube de la cavité de résonateur pour au moins cinq réflexions sur le miroir de fond après son entrée à travers la fenêtre d'entrée.
La cellule selon l'invention est de préférence agencée pour qu'au fur et à mesure des réflexions sur les miroirs d'entrée et de fond, le point de focalisation du faisceau lumineux se déplace le long de l'axe optique de la cellule pour au moins cinq réflexions sur le miroir de fond après son entrée à travers la fenêtre d'entrée. L'axe optique du tube de la cavité de résonateur passe de préférence par la fenêtre d'entrée.
Le résonateur peut comprendre une deuxième cavité en forme de tube s'étendant selon la direction longitudinale, ledit résonateur comprenant en outre un transducteur disposé le long d'une surface intérieure du tube de la deuxième cavité. Une projection géométrique de la fenêtre d'entrée selon la direction longitudinale ne passe de préférence pas par la deuxième cavité.
Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif comprenant une cellule photo-acoustique selon l'invention, et une source lumineuse (de préférence source laser) agencée pour émettre un faisceau lumineux (de préférence faisceau laser) orienté pour passer à travers la fenêtre d'entrée.
La source lumineuse peut être agencée pour émettre le faisceau lumineux de sorte qu'il pénètre dans la cellule à travers la fenêtre d'entrée selon la direction longitudinale en étant centré sur l'axe optique de la cellule.
Pour une longueur du tube de la cavité de résonateur, mesurée selon la direction longitudinale le long de l'axe optique de la cellule, et égale à λ/2, la source lumineuse est de préférence agencée pour émettre des impulsions accordées à une fréquence de résonnance acoustique / =— à
5 % d'erreur près avec c la vitesse du son dans la cavité de résonateur (typiquement dans l'air à la température du dispositif ou à une température d'utilisation prévue (typiquement à 20 °C)).
Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé un analyseur de gaz, comprenant un dispositif selon l'invention, et comprenant en outre des moyens électroniques agencés pour :
- détecter un signal électrique issu du ou des transducteur(s) de la cellule photo-acoustique, et - comparer ce signal à un seuil de détection d'un gaz ou composé et/ou quantifier une présence d'un gaz ou composé présent dans la cellule à partir de ce signal . Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
- la figure 1 est une vue de coupe en perspective d'une cellule photo- acoustique selon l'invention, qui est le mode de réalisation préféré de l'invention,
- la figure 2 est une vue en coupe de profil et schématique de la cellule de la figure 1,
- la figure 3 est une vue en coupe de profil et schématique de la cellule de la figure 1, sur laquelle sont en outre représentés trois allers et retours du faisceau laser au sein de la cellule selon l'invention,
- la figure 4 est une vue en coupe de profil et schématique de la cellule de la figure 1, sur laquelle sont en outre représentés un grand nombre d'allers et retours du faisceau laser au sein de la cellule selon l'invention, et
- la figure 5 est une vue schématique d'un analyseur de gaz selon l'invention.
Ces modes de réalisation étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection des caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, et/ou seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou à différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. On va tout d'abord décrire, en référence aux figures 1 à 4, une cellule photo-acoustique 1 selon l'invention.
La cellule photo-acoustique 1 selon l'invention comprend un résonateur acoustique 2.
Ce résonateur 2 comprend une cavité 3 de résonateur en forme de tube s'étendant selon une direction longitudinale 4 et centrée sur un axe central du tube de la cavité 3 de résonateur. Typiquement, la forme de tube de la cavité 3 a une longueur λ/2 (référencée 53 sur les figures) de 42,4 mm et un diamètre interne 52 de 6 mm, pour une fréquence de résonnance autour de 3,8 kHz.
Le résonateur est en aluminium.
Le résonateur 2 comprend en outre un transducteur 6 (typiquement considéré comme étant un microphone par la suite) de résonateur disposé le long d'une surface intérieure 7 du tube de la cavité 3 de résonateur. Le transducteur 6 est agencé pour transformer une onde sonore en signal électrique.
On peut par exemple utiliser comme transducteur électro-acoustique 6 un microphone de référence Knowles EK 3024.
La cellule 1 comprend un miroir d'entrée 8 muni d'une fenêtre d'entrée 9 agencée pour laisser entrer dans la cellule 1 un faisceau laser 15. La fenêtre d'entrée 9 est typiquement un trou ou une lame de matériau transparent, c'est-à-dire laissant passer le faisceau lumineux 15. La fenêtre d'entrée 9 est de préférence un trou circulaire, de diamètre typiquement égal à 0,5 mm, et situé au centre du miroir concave 8.
L'axe central du tube de la cavité 3 de résonateur passe par la fenêtre d'entrée 9.
La cellule 1 comprend un miroir de fond 10.
Les miroirs 8 et 10 sont tous les deux alignés avec le résonateur 2 le long d'un axe optique 5 de la cellule parallèle à la direction longitudinale 4, de sorte que l'axe optique 5 de la cellule (ou l'axe central du tube de la cavité de résonateur) intersecte (ou traverse) le miroir de fond 10 et passe par la fenêtre d'entrée 9 du miroir d'entrée. Cet axe optique 5 de la cellule est défini de sorte que la face réfléchissante de chacun parmi le miroir d'entrée et le miroir de fond a une forme concave dont le sommet est un point de l'axe optique 5, et même plus précisément une forme concave de symétrie de révolution autour de l'axe optique 5.
Dans cet exemple, l'axe optique 5 coïncide avec l'axe central du tube de la cavité de résonateur.
Chacun des miroirs d'entrée 8 et de fond 10 est préférentiellement un miroir en CaF2 dont une face est recouverte d'or. Chacun des miroirs d'entrée 8 et de fond 10 comprend une face réfléchissante 11, 12 orientée vers le résonateur 2 (i.e tournée vers l'intérieur de la cellule 1); cette face réfléchissante est la face recouverte d'or. Le rayon de courbure du miroir 8 est de 100 mm et celui du miroir 10 est de 75 mm . Sur les figures 2, 4 et 5, les miroirs 8, 10 sont schématisés par des plans. Sur la figure 1, les miroirs 8, 10 ne sont pas illustrés pour ne pas surcharger cette figure.
La cellule 1 comprend, entre le miroir d'entrée 8 et le résonateur 2, une cavité 13 s'étendant selon la direction longitudinale 4 et formant un tampon acoustique d'entrée 13. Les largeurs ou le diamètre 73, 83 du tampon d'entrée 13, mesurées dans le plan perpendiculaire à l'axe optique 5 (ou à l'axe central du tube de la cavité de résonateur), sont supérieures (de préférence au moins deux fois ou trois fois supérieures) aux largeurs ou au diamètre 52, mesuré dans le plan perpendiculaire à l'axe optique 5 (ou à l'axe central du tube de la cavité de résonateur), du tube de la cavité 3 de résonateur. Sur l'exemple de la figure 1, le tampon d'entrée 13 a une section rectangulaire de largueurs 73, 83, 16 mm sur 24 mm, et le diamètre 52 est égal à 6 mm .
Les pourtours du tampon 13 sont en aluminium
La cellule 1 comprend, entre le miroir de fond 10 et le résonateur 2, une cavité 14 s'étendant selon la direction longitudinale 4 et formant un tampon acoustique de fond 14. Les largeurs ou le diamètre 74, 84 du tampon de sortie 14, mesurés dans le plan perpendiculaire à l'axe optique 5 (ou à l'axe central du tube de la cavité de résonateur), sont supérieurs (de préférence au moins deux fois ou trois fois supérieurs) aux largeurs ou au diamètre 52, mesurés dans le plan perpendiculaire à l'axe optique 5 (ou à l'axe central du tube de la cavité de résonateur), du tube de la cavité 3 de résonateur. Sur l'exemple de la figure 1, le tampon de sortie 14 a une section rectangulaire de largueurs 74, 84 16 mm sur 24 mm, et le diamètre 52 est égal à 6 mm .
Les pourtours du tampon 14 sont en aluminium .
Les longueurs 63, 64 des tampons acoustique d'entrée 13 et de fond 14, mesurées selon la direction longitudinale le long de l'axe optique 5 de la cellule (ou de l'axe central du tube de la cavité de résonateur) comme illustré sur la figure 3, sont asymétriques, c'est-à-dire différentes, de sorte que des sons générés par des réflexions du faisceau laser 15 sur les miroirs 8 et 10 arrivent en opposition de phase dans la cavité 3 du résonateur, de préférence au niveau du microphone 6. Comme nous le verrons par la suite, l'asymétrie des tampons 13, 14 permet de diminuer le bruit de fond généré aux miroirs 8, 10. Cela améliore donc le rapport signal sur fond (RSF).
Typiquement, un des deux tampons (de préférence le tampon d'entrée 13) à une longueur d'au moins 36 % (de préférence au moins 60 % et idéalement au moins 190 %) plus grande que la longueur de l'autre tampon (de préférence que le tampon de fond 14) .
Pour une longueur 53 du tube de la cavité 3 de résonateur, mesurée selon la direction longitudinale 4 le long de l'axe optique 5 (ou de l'axe central du tube de la cavité de résonateur) comme illustré sur la figure 3, et égale à λ/2 (typiquement de 42,4 mm), la longueur d'un des tampons acoustiques (de préférence la longueur 63 du tampon acoustique d'entrée
13) est égale à ^n +^ à 10 % d'erreur près (de préférence à 7 % d'erreur près) (typiquement de 68 mm) et la longueur de l'autre tampon acoustique (de préférence la longueur 64 du tampon acoustique de fond 14) est égale à
— à 10 % d'erreur près (de préférence à 7 % d'erreur près) (typiquement
4
de 20,6 mm), n étant un entier naturel impair supérieur ou égal à 1.
Dans le cas illustré sur les figures (cas non limitatif mais préférentiel), la longueur 63 du tampon acoustique d'entrée 13 est plus grande que la longueur 64 du tampon acoustique de fond 14.
Typiquement, « est un entier naturel impair inférieur ou égal à 5. Si n = 5, un des deux tampons (de préférence le tampon d'entrée 13) à une longueur environ 40 % plus grande que la longueur de l'autre tampon (de préférence que le tampon de fond 14).
Si n = 3, un des deux tampons (de préférence le tampon d'entrée 13) à une longueur environ 66 % plus grande que la longueur de l'autre tampon (de préférence que le tampon de fond 14).
Si n = 1, un des deux tampons (de préférence le tampon d'entrée 13) à une longueur environ 200 % plus grande que la longueur de l'autre tampon (de préférence que le tampon de fond 14). Le cas où «est égal à 1 est un cas très nettement préférentiel, car cela permet une cellule plus compacte et permet une meilleure qualité de la cellule.
Considérons ce cas particulier où «est égal à 1 illustré sur la figure 2.
On considère deux champs acoustiques ( i , Qi) et (P2 , Q2) générés par le chauffage périodique des miroirs 8, 10 lors du passage du faisceau laser 15 modulé et avec
Pi = Fi ■ exp(j -t - k-x) = exp(j(ù■ t) ■ Ρί (1)
P2 = F2 ■ exp(j(ù -t+ k-x) = exp(j -t) ■ p2 (2)
où ω est la fréquence angulaire de l'onde (= 2n ■ f) et Ft et F2 les amplitudes des ondes générées périodiquement aux miroirs 8, 10, respectivement, t est le temps et k est le vecteur d'onde (= 2π/λ)
Si on considère la pression Pm au niveau du microphone 6 dans le cadre d'un modèle unidimensionnel suivant l'axe 5 des abscisses x (origine au niveau du microphone 6), on peut l'écrire :
Pm = P+ + P. = C■ exp(j -t- k-x) + D■ exp(j -t + k-x) = P+ ■ exp(j -t) + P. ■ exp(j -t) , (3)
où ω est la fréquence angulaire de l'onde (= 2n ■ f) et C et D les amplitudes des ondes de pression P+ et P. venant de +X et -x, respectivement.
Si on s'intéresse au premier terme P+ de l'équation (1), il trouve sa source de la pression Ρ généré par la fenêtre 1. Il reste à exprimer P+ en fonction de Pj.
Considérons l'approche matricielle pour exprimer les variables du champ acoustique P+ et Q+ en fonction de Pj et Qt :
Avec L la moitié de la longueur du résonateur, Ll la longueur 63 du tampon 13, Z0 = pc / A l'impédance d'onde du tampon 1 (où p et c sont, respectivement, la densité et la vitesse du son du gaz dans le milieu considéré 3, Zi = pc / B l'impédance acoustique du résonateur. A et B sont, respectivement, les sections du résonateur et du tampon 63.
Nous avons donc P+ = (Zi/Z0) ■ Pi.
Nous pouvons faire la même démonstration pour P. :
Avec L2, la longueur 64 du tampon 14.
Nous avons donc P. = (-z z0)■ P2
D'après (3) : Pm = P+ + P. = ((ZJZo) x Pi - ZJZo) ■ P2) ■ exp(jw-t) Or si nous utilisons deux miroirs 8, 10 identiques (même matière, mêmes revêtements) et que nous considérons que la puissance du faisceau laser 15 est la même aux deux miroirs (ce qui est le cas en régime de faible absorption des molécules gazeuses à l'intérieur de la cellule), les amplitudes de Pi et de P2 sont identiques.
Nous avons alors Pm = 0.
Le bruit de fond généré par les fenêtres est alors nul au niveau du microphone.
Pour résumer, l'asymétrie des tampons 13, 14 permet de diminuer sensiblement le bruit de fond généré aux miroirs.
Il est intéressant de noter que le design asymétrique respecte les conditions de diminution du bruit acoustique de l'art antérieur. Mais dans le cas présent, non seulement le bruit acoustique provenant des buffers est transmis de façon réduite au résonateur mais en plus, la part transmise (pour le bruit de miroir) est encore plus réduite au niveau du microphone 6 par l'opposition de phase.
Bien entendu, cette démonstration pourrait être généralisée, notamment pour toute valeur de n .
Comme illustré sur la figure 3, le miroir d'entrée 8 et le miroir de fond 10 sont agencés pour réfléchir, plusieurs fois et successivement l'un après l'autre, un faisceau laser 15 pénétrant dans la cellule à travers la fenêtre d'entrée 9 selon la direction longitudinale 4 en étant centré sur l'axe optique 5 (ou sur l'axe central du tube de la cavité de résonateur), de sorte qu'après chaque réflexion sur chacun de ces miroirs 8, 10 le faisceau laser réfléchi reste centré sur l'axe optique 5 (ou sur l'axe central du tube de la cavité de résonateur) pour au moins cinq (de préférence au moins dix ou au moins douze) réflexions sur le miroir de fond 10 après son entrée à travers la fenêtre d'entrée 9 (i.e. au moins dix, de préférence au moins vingt ou vingt-quatre passages du faisceau 15 à travers la cavité 3), sans toucher les surfaces intérieures 7 du tube de la cavité 3 de résonateur. Dans cette configuration, la fenêtre d'entrée 9 est alignée avec l'axe optique 5 défini par les miroirs 8, 10 de la cavité. Afin de maximiser le nombre d'aller- retour de l'impulsion laser injecté dans la cavité, la courbure des miroirs 8, 10 permet de décaler longitudinalement les points de focalisation des réflexions du faisceau 15 le long de l'axe optique 5, ce qui a pour effet de conserver un maximum d'énergie dans la cellule 1.
Le diamètre 65 du faisceau 15 à l'intérieur du tube de la cavité 3 est toujours inférieur au diamètre du tube 52 de la cavité 3, pour au moins cinq (de préférence au moins dix ou au moins douze) réflexions sur le miroir de fond 10 après son entrée à travers la fenêtre d'entrée 9.
En outre, la forme concave des miroirs 8, 10 permet de considérablement agrandir la taille (diamètre) du faisceau laser 15 dès sa première réflexion sur le miroir de fond 10 et de maintenir cet agrandissement au fur et à mesure de ses réflexions sur les miroirs 8, 10 pour au moins cinq (de préférence au moins dix ou au moins douze) réflexions sur le miroir d'entrée 8 après son entrée à travers la fenêtre d'entrée 9 (typiquement, lors de chacune de ces réflexions du faisceau 15 sur le miroir d'entrée 8, la surface du faisceau 15 sur la surface réfléchissante 11 du miroir d'entrée 8 est d'au moins 1,5 fois la surface du trou de la fenêtre d'entrée 9 sur la surface réfléchissante 11 du miroir d'entrée 8). Ainsi, on piège le faisceau laser 15 entre les deux miroirs 8, 10 on augmente le nombre de passages du faisceau 15 et on augmente ainsi la puissance moyenne optique dans le résonateur 2. On parle alors de cellule photoacoustique multi-passages. Le rapport signal sur bruit se trouve ainsi augmenté.
La face réfléchissante 11, 12 de chacun parmi le miroir d'entrée 8 et le miroir de fond 10 a de préférence une forme concave de symétrie de révolution autour de l'axe optique 5 (ou de l'axe central du tube de la cavité de résonateur). Cette forme a les caractéristiques et dimensions suivantes : le rayon de courbure du miroir 8 est de 10cm et le rayon de courbure du miroir 10 est de 7,5cm.
Le miroir d'entrée 8 et le miroir de fond 10 sont agencés pour réfléchir, plusieurs fois et successivement l'un après l'autre, le faisceau laser 15 pénétrant dans la cellule 1 à travers la fenêtre d'entrée 9 selon la direction longitudinale 4 en étant centré sur l'axe optique 5 (ou sur l'axe central du tube de la cavité de résonateur), de sorte qu'après chaque réflexion sur chacun de ces miroirs le faisceau laser 15 réfléchi a à l'intérieur de la cavité 3 un diamètre maximal 65, mesuré perpendiculairement à l'axe optique 5 (ou à l'axe central du tube de la cavité de résonateur), inférieur au diamètre 52 du tube de la cavité 3 pour au moins cinq (de préférence au moins dix ou au moins douze) réflexions sur le miroir de fond après son entrée à travers la fenêtre d'entrée 9.
On remarque qu'au fur et à mesure des réflexions sur les miroirs d'entrée et de fond, le point de focalisation du faisceau laser 15 se déplace le long de l'axe optique 5 (ou de l'axe central du tube de la cavité de résonateur) pour au moins cinq (de préférence au moins dix ou au moins douze) réflexions sur le miroir de fond après son entrée à travers la fenêtre d'entrée.
L'axe optique 5 de la cellule (ou l'axe central du tube de la cavité 3 de résonateur) passe par la fenêtre d'entrée 9, plus exactement par le centre de la fenêtre d'entrée 9.
Le résonateur 2 comprend en outre une deuxième cavité 16 (dite « différentielle ») en forme de tube s'étendant selon la direction longitudinale 4, ledit résonateur 2 comprenant en outre un transducteur 17 (typiquement considéré comme étant un microphone par la suite) disposé le long d'une surface intérieure du tube de la deuxième cavité 16. Le transducteur 17 est agencé pour transformer une onde sonore en signal électrique.
Une projection géométrique de la fenêtre d'entrée 9 selon la direction longitudinale 4 passe par la cavité 3 de résonateur.
Une projection géométrique de la fenêtre d'entrée 9 selon la direction longitudinale 4 ne passe pas par la deuxième cavité. Autrement dit, la cellule est agencée pour que le faisceau laser 15 pénétrant dans la cellule 1 (à travers la fenêtre d'entrée 9 selon la direction longitudinale 4 en étant centré sur l'axe optique 5 (ou sur l'axe central du tube de la cavité de résonateur) ne passe pas dans la deuxième cavité 16. En référence à la figure 5, on va maintenant décrire un dispositif 18 comprenant une cellule photo-acoustique 1 telle que décrite en référence aux figures précédentes, et une source laser 19 agencée pour émettre le faisceau laser 15, de sorte que ce faisceau laser 15 soit orienté pour passer à travers la fenêtre d'entrée 9.
Plus précisément, la source laser 19 est agencée (i.e. alignée optiquement avec la cellule 1) pour émettre le faisceau laser 15 de sorte qu'il pénètre dans la cellule 1 à travers la fenêtre d'entrée 9 selon la direction longitudinale 4 en étant centré sur l'axe optique 5 (sur l'axe central du tube de la cavité de résonateur) .
La source laser 19 comprend typiquement un laser de pompe 20 (Marque : Innolight Modèle mephisto Q) agencé pour émettre un faisceau laser de longueur d'onde Ainit (typiquement égale à 1,064 pm) à une fréquence f de répétition typiquement comprise entre 2 et 5 kHz. Le laser de pompe 20 est agencé pour pomper un oscillateur paramétrique optique 21 (Boyd, « Nonlinear Optics », 3rd édition, ch . 2.9, ISBN- 10 : 0123694701, ISBN- 13 : 978-0123694706, 2008) . L'oscillateur paramétrique optique 21 génère deux faisceaux superposés de longueurs d'onde respectives Ai et λ2 et ajustables grâce à l'oscillateur paramétrique optique (à ne pas confondre avec la longueur λ/2 de la cavité 3) . Le faisceau de longueur d'onde respective Ai est éliminé à travers un miroir dichroïque 22. Pour régler l'alignement optique du faisceau laser de longueur d'onde λ2 par rapport à la cellule 1, on ajuste la position angulaire et transversale du miroir dichroïque 22 et d'un miroir 23.
La longueur d'onde λ2 du faisceau laser 15 (sa « couleur ») est ajustable grâce à l'oscillateur paramétrique 21 entre 3,2 et 3,8 pm, et est ajustée en fonction d'un gaz ou composé recherché dont on cherche à vérifier s'il est présent ou non dans la cellule 1. λ2 est choisie pour être une longueur d'onde absorbée par le gaz ou composé en question . La gamme spectrale 3,2 - 3,8 pm correspond généralement aux longueurs d'onde d'absorption des composés organiques volatiles (COV).
Si ce gaz ou composé recherché est présent dans la cellule 1 et donc dans le résonateur 2, il absorbe de l'énergie du faisceau laser 15 et émet en retour une onde acoustique qui est détectée par le microphone 6 qui génère un signal électrique (Bell AG, "The production of sound by radiant energy", Science, os-2 - 49, 242-253, (1881)). Si ce gaz ou composé recherché est absent, il n'y a pas d'onde acoustique et donc pas de signal détecté.
Pour une longueur du tube de la cavité 3 de résonateur, mesurée selon la direction longitudinale 4 le long de l'axe optique 5 (ou de l'axe central du tube de la cavité de résonateur), et égale à λ/2, la source laser
c
19 est agencée pour émettre des impulsions à une fréquence / =— avec c
λ
la vitesse du son dans la cavité de résonateur (typiquement, on a f = 3 430 Hz pour λ/2 = 5 cm). Ainsi, la fréquence f de la source et la fréquence de résonance du résonateur 2 sont adaptées de telle manière à ce qu'à cette fréquence f, le signal détecté soit acoustiquement amplifié par rapport au bruit.
L'analyseur de gaz 24 selon l'invention comprend le dispositif 18, et comprend en outre des moyens électroniques et/ou informatiques 25 agencés pour :
- détecter un signal électrique issu (éventuellement retravaillé, traité, etc..) du ou des microphone(s) 6, 17 de la cellule photoacoustique 1, et
o comparer ce signal détecté à un seuil de détection d'un gaz ou composé et/ou
o quantifier une présence d'un gaz ou composé présent dans la cellule à partir de ce signal par exemple par une simple loi de proportionnalité (plus la concentration en « gaz ou composé recherché » est importante, plus le signal détecté est important) calibrée dans des conditions de concentrations connues du gaz ou composé.
De manière préférentielle, le signal détecté est issu des deux microphones 6, 17 et consiste en un signal différentiel. En effet, en présence du deuxième microphone 17, la cellule 1 est une cellule différentielle (cf. « Photoacoustic Techniques for Trace Gas Sensing Based on Semiconductor Laser Sources" Angela Elia, Pietro Mario Lugarà, Cinzia Di Franco and Vincenzo Spagnolo, Sensors 2009, 9, 9616-9628;" Application of acoustic resonators in photoacoustic trace gas analysis and metrology" Andras Miklos, Peter Hess, Zoltan Bozoki, Review of scientific instruments, volume 72, number 4, april 2001), à deux cavités 3, 16 et à deux microphones 6, 17, permettant de s'affranchir du bruit acoustique ambiant et de limiter le bruit des miroirs 8, 10. Le faisceau laser 15 traverse la cavité 3 après chaque réflexion sur le miroir 8 ou 10 mais ne traverse jamais la cavité 16. Le microphone 6 détecte donc un « vrai » signal et le microphone 17 ne détecte donc que du bruit. La différence des signaux des deux microphones 6, 17 (réalisé électriquement par un amplificateur analogique) permet ainsi de soustraire les signaux non générés par l'absorption optique des molécules de gaz à l'intérieur du seul résonateur 2 traversé par le faisceau 15. Le bruit généré par les miroirs 8, 10 ainsi que le bruit acoustique extérieur sont ainsi sensiblement réduits, ce qui permet d'augmenter le rapport signal sur fond (RSF) et le rapport signal sur bruit (RSB).
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.
Par exemple, le faisceau laser 15 est généralisable à n'importe quel faisceau de lumière focalisable, comme par exemple un faisceau de lumière issu d'une diode électroluminescente (DEL) de puissance.
En outre, le tube de la cavité 3 peut avoir une section autre que circulaire (par exemple rectangulaire ou autre).
Bien entendu, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. En particulier toutes les variantes et modes de réalisation décrits précédemment sont combinables entre eux.

Claims

REVENDICATIONS
Cellule photo-acoustique (1), comprenant :
-un résonateur acoustique (2), comprenant une cavité (3) de résonateur en forme de tube s'étendant selon une direction longitudinale (4), ledit résonateur comprenant en outre un transducteur (6) de résonateur disposé le long d'une surface intérieure (7) du tube de la cavité (3) de résonateur,
- un miroir d'entrée (8) et un miroir de fond (10), tous les deux alignés avec le résonateur (2) le long d'un axe optique (5) de la cellule parallèle à la direction longitudinale (4), chacun des miroirs d'entrée et de fond comprenant une face réfléchissante (11, 12) orientée vers le résonateur (2), le miroir d'entrée (8) étant muni d'une fenêtre d'entrée (9) agencée pour laisser entrer dans la cellule un faisceau lumineux,
- entre le miroir d'entrée et le résonateur, une cavité s'étendant selon la direction longitudinale formant un tampon acoustique d'entrée (13), et
- entre le miroir de fond et le résonateur, une cavité s'étendant selon la direction longitudinale formant un tampon acoustique de fond (14),
caractérisée en ce que les longueurs (63, 64) des tampons acoustique d'entrée et de fond, mesurées selon la direction longitudinale (4) le long de l'axe optique (5), sont asymétriques.
Cellule selon la revendication 1, caractérisée en ce que la longueur
(63) du tampon acoustique d'entrée est plus grande que la longueur
(64) du tampon acoustique de fond.
Cellule selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que pour une longueur du tube de la cavité (3) de résonateur, mesurée selon la direction longitudinale (4) le long de l'axe optique (5), et égale à λ/2, la longueur d'un des tampons acoustiques est égale à ^ + 2^ à 10 % d'erreur près et la longueur de l'autre tampon acoustique est égale à — à 10 % d'erreur près, « étant un entier naturel impair supérieur ou égal à 1.
4. Cellule selon la revendication 3, caractérisée en ce que « est un entier naturel impair inférieur ou égal à 5.
5. Cellule selon la revendication 4, caractérisée en ce que « est égal à 1.
Cellule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le miroir d'entrée et le miroir de fond sont agencés pour réfléchir, plusieurs fois et successivement l'un après l'autre, un faisceau lumineux pénétrant dans la cellule à travers la fenêtre d'entrée selon la direction longitudinale en étant centré sur l'axe optique de la cellule, de sorte qu'après chaque réflexion sur chacun de ces miroirs le faisceau lumineux réfléchi reste centré sur l'axe optique de la cellule pour au moins cinq réflexions sur le miroir de fond après son entrée à travers la fenêtre d'entrée.
Cellule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la face réfléchissante de chacun parmi le miroir d'entrée (8) et le miroir de fond (10) a une forme concave de symétrie de révolution autour de l'axe optique (5).
Cellule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le miroir d'entrée et le miroir de fond sont agencés pour réfléchir, plusieurs fois et successivement l'un après l'autre, un faisceau lumineux pénétrant dans la cellule à travers la fenêtre d'entrée selon la direction longitudinale en étant centré sur l'axe optique de la cellule, de sorte qu'après chaque réflexion sur chacun de ces miroirs le faisceau lumineux réfléchi a, à l'intérieur de la cavité (3) de résonateur, un diamètre maximal (65), mesuré perpendiculairement à l'axe optique, inférieur au diamètre (52) du tube de la cavité de résonateur pour au moins cinq réflexions sur le miroir de fond après son entrée à travers la fenêtre d'entrée. 9. Cellule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est agencée pour qu'au fur et à mesure des réflexions sur les miroirs d'entrée et de fond, le point de focalisation du faisceau lumineux se déplace le long de l'axe optique (5) pour au moins cinq réflexions sur le miroir de fond après son entrée à travers la fenêtre d'entrée.
10. Cellule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'axe optique (5) du tube de la cavité (3) de résonateur passe par la fenêtre d'entrée (9).
11. Cellule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le résonateur comprend une deuxième cavité (16) en forme de tube s'étendant selon la direction longitudinale, ledit résonateur comprenant en outre un transducteur (17) disposé le long d'une surface intérieure du tube de la deuxième cavité.
12. Cellule selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'une projection géométrique de la fenêtre d'entrée (9) selon la direction longitudinale (4) ne passe pas par la deuxième cavité (16).
13. Dispositif (18) comprenant une cellule photo-acoustique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, et une source lumineuse (19) agencée pour émettre un faisceau lumineux orienté pour passer à travers la fenêtre d'entrée.
14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que la source lumineuse est agencée pour émettre le faisceau lumineux (15) de sorte qu'il pénètre dans la cellule à travers la fenêtre d'entrée (9) selon la direction longitudinale (4) en étant centré sur l'axe optique (5).
15. Analyseur de gaz (24), comprenant un dispositif (18) selon la revendication 13 ou 14, et comprenant en outre des moyens électroniques (25) agencés pour :
- détecter un signal électrique issu du ou des transducteur(s) de la cellule photo-acoustique, et
- comparer ce signal à un seuil de détection d'un gaz ou composé et/ou quantifier une présence d'un gaz ou composé présent dans la cellule à partir de ce signal.
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