5 applications
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Département Mécanique Énergétique
Optique
5. Sources, Détecteurs et Applications
Laurence BERGOUGNOUX
http://iusti.polytech.univ-mrs.fr/~bergougnoux/
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Plan du cours
1 Introduction2 Principes3 Systèmes optiques4 Sources et Détecteurs
GénéralitésSources de rayonnement naturel, à incandescence, à décharge et LasersDétecteurs
5 Applications
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Sources et Détecteurs Généralités
Généralités
L’émission de rayonnement résulte de la transformation d’une énergieprimaire :
thermique ;mécanique → triboluminescence ;chimique → chimiluminescence ;électrique → électroluminescence ;bioluminescence ;sonoluminescence.
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Sources et Détecteurs Généralités
Les sources de rayonnement lumineux
les sources naturelles ;les lampes à incandescence ;les lampes à décharge dans les gaz sous faible pression, et sous hautepression ;les lasers.
Soleil Étoile Lune Lampe à filament LaserSirius de tungstène He-Ne (1 mW)
E (W.m−2) 200 1× 10−9 0, 3× 10−3 100 20 000
Comparatif des éclairements produits par différentes sources lumineuses
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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement naturel, . . .
Source naturelle : le soleil
Distribution spectrale de l’éclairement solaire hors atmosphère :
0.0 0.5 1.0 1.5 2.00
500
1000
1500
2000
2500
λ (µm)
(W/m )E
2
en moyenne E ≈ 1350 W/m2.
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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement naturel, . . .
Rayonnement solaire sur Terre
Traversée de l’atmosphère :
diffusion
sol
absorption
absorption + diffusion = extinction
Influence de la position zénithale :
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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement . . ., à incandescence, . . .
Sources artificielles par incandescence → Flamme
Réaction exothermique entre 2 gaz : le carburant et le comburant
Mesure du rayonnement = mesure sans contact de la température
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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement . . ., à incandescence, . . .
Sources artificielles par incandescence → Lampe à filament
créée par Edison en 1879
Lampe à filament de tungstène :
filament porté à 2500 ◦Krésistivité ↑ avec Tcomparaison corps noirTP S4
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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement . . ., à incandescence, . . .
Application : Pyromètre à disparition de filament
F. CABANNES, Pyrométrie optique, Techniques de l’ingénieur R 2610
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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement . . ., à décharge, . . .
Lampes à décharge dans les gaz
Une décharge électrique entre 2 électrodes ionise le gaz
à basse pression → raies spectralespar ex. mercure, sodium, zincà haute pression → rayonnement très intense et distribution spectralecontinue
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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement . . ., lasers
Laser : Source monochromatique très intense et trèscohérente
Pour donner un aperçu du principe de fonctionnement :
Émission de la lumière par les atomes :⇒ la transition des atomes d’un niveau d’énergie atomique vers unniveau plus faible, ε2 → ε1⇒ la fréquence de l’onde est :
ν =ε2 − ε1h
où h est la constante de Planck
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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement . . ., lasers
Laser : Principe de fonctionnement
Il existe 3 types de transition entre les deux niveaux atomiques :
émission spontanée → caractère aléatoire, prépondérante dans lessources classiques ;absorption ;émission induite = émission cohérente ;
2
1ε
émissionspontanée
absorption émission induite
ε
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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement . . ., lasers
Laser : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Émission stimulée de lumière.
2
1
3εε
ε
Pour maintenir l’amplification, l’émission stimulée doit être plus forteque l’absorption → inverser les populations atomiques.
Possible que si on amène les atomes sur un troisième niveau d’énergieε3 > ε2 grâce au pompage électrique.
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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement . . ., lasers
Laser : 6= types
à gaz→ Hélium-Néon λ = 0.6328 µm, interférométrie, holographie,
spectroscopie, reconnaissance de code-barres, . . .→ Argon 0.488 µm et 0.5145 µm, luminothérapie rétinienne, lithographie,
microscopie confocale, spectroscopie, stimulateur pour d’autres lasers→ N2-CO2 10.6 µm, usinage des matériaux (coupe, soudure), chirurgie
solide→ rubis 0.6943 µm Holographie, suppression de tatouages.
C’est le 1er inventé en mai 1960 !→ Nd-YAG 1.064 µm, usinage, télémètre laser, désignation d’une cible
Laser à haute puissance, utilisé en mode pulsé (≈ ns).à semiconducteurs→ AlGaAs où 0.63 ≤ λ ≤ 0.9 µm, disques optiques, pointeurs lasers,
transmission de données.Celui à 780 nm des lecteurs CD est le plus commun dans le monde.
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Sources et Détecteurs Sources de rayonnement . . ., lasers
Laser : Propriétés à retenir
Le laser est :une source monochromatiqueune source cohérente
Au sein du faisceau laser, l’intensité est une gaussienne
I(r) = I0 exp
(−2r2
w2
)
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Sources et Détecteurs Détecteurs
Détecteurs de rayonnement → convertisseur d’énergie
Signal optique → détecteur → Signal électrique, thermique ou mécanique
œilplaque photographiquedétecteurs thermiquesdétecteurs photoélectriques
photoémissionphotoconductivité
détecteurs CCD
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Sources et Détecteurs Détecteurs
Détecteurs de rayonnement : 5 propriétés communes
la sensibilité spectrale S(λ) = rapport du signal de sortie sur le fluxlumineux en entrée du détecteur, en fonction de λla constante de temps τ = durée nécessaire pour que la réponseatteigne 63% de sa valeur maximale lorsqu’on éclaire le détecteurle domaine de linéarité, pour lequel la réponse du détecteur estproportionnelle au flux lumineux incidentl’efficacité quantique ηq = rapport du nbre de photons arrachés par lerayonnement incident, sur le nbre de photons incidents, pendant lamême duréele bruit, soit l’ensemble des réponses qui n’ont aucune relation avec lerayonnement lumineux.
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Sources et Détecteurs Détecteurs thermiques
Détecteurs thermiques : rayonnement → chaleur
Le domaine spectral est très étendu, mais ces détecteurs sont très lents.
Thermopile (chaîne de thermocouples)Cristal pyroélectriqueBolomètrePneumatique
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Sources et Détecteurs Détecteurs photoélectriques
Détecteurs photoélectriques : 1 photon → 1 électron
Photoémission → le photomultiplicateurL’électron est excité près de la surface du matériau et sort hors de celui-ci.Le matériau est sous forme d’une couche mince déposée sur une électrode,la photocathode, placée dans une ampoule vide de gaz.Une électrode polarisée +, l’anode, attire tous les électrons qui sortent.
photonincident
photocathode
électrode de focalisation
connecteursélectriques
anode
tube photomultiplicateur
électrons
dynode
Réponse spectrale large, τ ≈ 1 ns, seuil de détection très bas mais fragile,emcombrant et cher.
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Sources et Détecteurs Détecteurs photoélectriques
Détecteurs photoélectriques : 1 photon → 1 électron
Photoconduction → la cellule photoconductriceDans un matériau semiconducteur homogène polarisé, l’effetphotoélectrique interne provoque une ↑ de la conductivité, soit une ↓ de larésistivité.
Applications : capteur de proximité, détecteur de passage, télémètre
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Sources et Détecteurs Détecteurs photoélectriques
Détecteurs photoélectriques : 1 photon → 1 électron
Photovoltaïque → la photodiodeUne photodiode correspond à une jonction PN, soit un composant où 2semi-conducteurs sont mis en présence :
un de type N→ à porteurs de charges négatifs (électrons) majoritaires.un de type P → à porteurs de charges positifs (trous) majoritaires.
Sans polarisation, soumise à un flux incident, on observe alors uneaugmentation du courant. C’est alors un capteur actif.
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Sources et Détecteurs Détecteurs photoélectriques
Détecteurs CCD (Charge-Coupled Device)
Dans le substrat semi-conducteur → effet photoélectrique. Puis collecte desélectrons dans le puits de potentiel maintenu à chaque pixel.À la fin de l’exposition, les charges sont transférées de photosite enphotosite jusqu’au registre horizontal. Elles sont transformées en tension,proportionnelle au nbre d’électrons, dans la capacité d’une diode ”flottante”.
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Sources et Détecteurs Détecteurs photoélectriques
Plan du cours
1 Introduction2 Principes3 Systèmes optiques4 Sources et Détecteurs5 Applications
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Applications
Applications
Visualisations et mesures non intrusives en mécanique des fluides :ombroscopievélocimétriegranulométrie laser
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Applications Ombroscopie
Ombroscopie
Les variations d’indice d’un milieu induisent des variations d’orientation :
z
Ecran
n(z)=n -α.z0
I(z)=csteI(z)=cste
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Applications Ombroscopie
Ombroscopie
Gradient d’indice non constant :
z
Ecran
n(z)=f(z) et
I(z)=f(z)I(z)=cste
dn dz 0
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Applications Ombroscopie
Ombroscopie
Interaction bulle/onde de choc (IUSTI, Houas, Jourdan)
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Applications Ombroscopie
Ombroscopie
Application à un panache thermique (TP) :
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Applications Vélocimétrie laser
Vélocimétrie laser
Mesure non intrusive des vitesses d’écoulementsource : laserprincipe : interférences
L’écoulement contient des traceurs passifs (petites particulesentraînées par l’écoulement) ;le volume de mesure est le volume d’intersection des deux faisceaux :la vitesse mesurée est selon x
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Applications Vélocimétrie laser
Schéma général
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Applications Vélocimétrie laser
Diffusion par les traceurs
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Applications Vélocimétrie laser
Détection de signal
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Applications Vélocimétrie laser
Calcul de la vitesse
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Applications Vélocimétrie laser
Système à 3 composantes
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Applications Vélocimétrie laser
Domaines d’application
écoulements laminaires ou turbulentsaérodynamiqueécoulements supersoniquesturbines, moteurs, ...environnements chauds (flammes, ...)
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Applications Granulométrie
Granulométrie laser
Extension du principe de la vélocimétrie :Mesure de la vitesse et de la taille de particules sphériques.
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Applications Granulométrie
Géométrie
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Applications Granulométrie
Réfractions multiples
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Applications Granulométrie
Domaines d’application
aérosols et atomisation liquide :injection de carburantpeintureagricultureaérosols pharmaceutiquescosmétique
Production de poudresséchage d’aérosolsatomisation métal liquide
Dynamique de bullescavitationaérationtransfert multiphasique
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Pour en savoir plus
Pour en savoir plus . . .
à la bibliothèque”OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE ET ONDULATOIRE, avec exercices etproblèmes résolus”, par J-P. Perez, 4eme édition, Masson, Paris, 1994,ISBN : 2-225-84270-1.”Rayonnements optiques. Radiométrie-Photométrie”, F. Desvignes,Masson, Paris, 1991, ISBN : 2-225-82232-8.”Comprendre et appliquer l’optique”, M. Gabriel, C. Ernst, J. Grange,Masson, Paris, 1986, ISBN : 2-225-80829-5
cours sur le web :http://www.optique-ingenieur.org/
exercices sur le web :http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/claude_saintblanquet/synophys/353exopg/353exopg.htmhttp://www.tsisoa.com/spip/IMG/pdf/zzz_suppexos_og1_og2_optique_geometrique.pdf
http://sosryko.fr/atelier/Phy.Optique/Opt-Exos_2009-2010.pdf
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