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Technologie laser IR avancée
Spectrométrie d’absorption par cavité résonante à “feedback” optique (OFCEAS)
BREVET WO 03031949
Analyseurs AP2E par technologie laser IR :
Sensibilité améliorée en augmentant le parcours optique à 20 km (intensité du signal multilplié par 1 000 par rapport aux cellules traditionnelles)
Précision de la longueur d’onde multipliée par 100, réduction du bruit et augmentation de l’intensité du signal renvoyant la lumière laser sur elle-même
Auto-stabilisation du spectromètre en mesurant (et compensant) les variations d’intensité de la source laser
200 points d’acquisition (longueurs d’onde) sur le spectre chaque 100 millisecondes pour une analyse multigaz et une capacité d’auto-référence
Reducing sample conditioning, and cleaning requirements, and accelerating response time by operating at low pressure
Laser non fibré (200 longueurs d’onde chaque 100 msec)
Cellule de mesure à volume faible (20 cm3)
Réponse rapide, haute sensibilité, détecteur à MTBF élevé
Séparateur de lumière & optique associée (non-hygroscopique)
Détecteur de stabilité à MTBF élevé pour une stabilisation optimale
Sonde d’extraction avec buse sonique pour opération à faible débit (3-9 Litres/heure)
MTBF élevé, pompe à faible maintenance pour opération à basse pression
L’OFCEAS a été découvert par l’université Joseph Fourier, Grenoble, France, qui a développé et breveté la technologie de spectrométrie laser IR en renvoyant la lumière laser sur elle-même, permettant le verrouillage de mode de la cavité résonante (cellule de mesure) et de la source laser.
Les avantages métrologiques de cette technologie sont multiples :
1. Sensibilité améliorée
La cavité résonante – cellule de mesure multi trajet utilisant des mirroirs hyper réflectifs – permet des parcours optiques jusqu’à 20 km (Fig. 1). Le volume interne de la cellule est de 20 mL, permettant un T10/90 (temps nécessaire pour réaliser l’efficacité carry over de 10 à 90%) de quelques secondes, selon le débit du gaz.
2. Intensité du signal améliorée, réduction du bruit et linéarité améliorée
Le phénomène de feedback améliore la pureté de la source laser. La bande passante d’un laser à émission continue DFB est réduite de 1 MHz à 10 KHz. Comme la loi de conservation de l’énergie de Lavoisier’s le stipule, toute l’énergie distribuée initialement dans la bande de 1MHz se concentre maintenant dans une bande de seulement 10 KHz. Le résultat est une augmentation de l’intensité du signal x 10 (Fig. 2). L’élimination du bruit du laser (i.e. l’énergie émise à des longueurs d’onde différentes de la source laser) se traduit par une résolution de 4.10-10 d’unités d’absorption.
Finalement, l’augmentation de la pureté du laser injecté permet une linéarité garantie sur 4 décades.
3. Mesure directe de l'intensité - spectre continu de 200 points
L’utilisition d’une cavité hyper réflective est faite pour augmenter le parcours optique (et donc la sensibilité) jusqu’à plusieurs km.
L’OFCEAS se base sur une mesure directe de l’intensité plutôt que sur le temps d’extinction de la lumière. Un courant variable est appliqué sur la source laser controllée par la température permettant le réglage du laser sur les modes de résonance de la cavité.
Cette technique permet de mesurer 200 points distribués également en longueurs d’onde sur un temps d’environ 100 ms (Fig. 3).
Le spectre mesuré se caractérise par une résolution optique de résolution de l’ordre de 0.00112 nm (ca. 0.005 cm-1).
4. Auto-stabilisation et “standardisation”
L’auto-stabilisation du spectromètre est une conséquence directe du feedback du laser et du phénomène de verrouillage de mode.
Les modes (fréquences de résonance) de la cavité sont distribués – dans une configuration standard – chaque 152.272 MHz.
Comme le courant du laser DFB et la fréquence d’émission du laser augmentent proportionnellement, le feedback du laser permet un verrouillage/déverrouillage immédiat de la fréquence du laser (Fig. 4).
L’auto-standardisation (capacité de l’OFCEAS à fonctionner sur de très longues périodes de temps sans recalibration ou re-zéro) est réalisée grâce à une photodiode de référence, à la mesure du temps d’extinction de la lumière chaque 100 millisecondes, et à l’utilisation d’un miroir se déplaçant avec un piezzoélectrique pour une synchonisation en temps réel des signaux laser et du feedback.
5. Analyse multigaz
Les analyseurs AP2E sont disponibles avec 1 ou 2 cavités. Chaque cavité peut être dotée de 1 ou 2 lasers.
Chaque laser peut mesurer plusieurs gaz en fonction de l’intensité d’absorption et de la proximité des pics et de la matrice. Le nombre de cavités et de lasers utilsés dépend des gaz à mesurer et de l’application.
A titre d’exemple , un rack 19″ peut mesurer jusqu’à 10 gaz simultanément dans les conditions optimales.
