Mesures physiques
Diagnostics optiques
Techniques et moyens optiques
La diversité des écoulements (combustion, aérodynamique, plasma, …) étudiés à l’Onera nécessite l’utilisation de plusieurs diagnostics optiques. Leur choix est dicté en vue de permettre une analyse quantitative des différents mécanismes physico-chimiques gouvernant ces écoulements. Ces techniques optiques se regroupent comme suit : les techniques de diffusion, de fluorescence, les techniques non linéaires, les techniques à absorption infrarouge, et les techniques de mesure à distance.
Les techniques de diffusion
Ces techniques jouent sur la capacité des gaz à diffuser un rayonnement donné, c'est-à-dire de dévier dans de multiples directions ce rayonnement. Cette diffusion dépend notamment de la longueur d’onde incidente, des propriétés thermodynamiques et de la composition chimique du fluide
- La technique de diffusion Rayleigh : ce principe de mesure est basé sur le phénomène de diffusion élastique (à l’origine, entre autres, de la couleur bleue du ciel), pour lequel l’onde incidente est simplement déviée sans effet de variation d’énergie des photons : l’onde réfléchie conserve alors la même longueur d’onde.
- La technique de diffusion Raman : la diffusion est cette fois inélastique et met en jeu un échange d’énergie entre l’onde et les atomes du milieu, qui cause une variation de longueur d’onde de l’onde diffusée.
- La technique de diffusion Thomson : elle représente la diffusion élastique de la lumière sur les électrons libres présents dans le milieu à doser.
Les techniques de fluorescence
Lorsqu’elles sont dans un état excité, certaines particules se mettent à émettre des photons : c’est le phénomène de fluorescence. Grâce à elle il est possible de déterminer certaines propriétés (concentration, température et pression) d'un fluide.
Il existe deux façons de provoquer une fluorescence :
Notons que lorsque la mesure est effectuée dans un plan, on parlera de PLIF (Planar Laser-induced Fluorescence).
Les techniques non linéaires
Les différentes techniques de spectroscopie (absorption, Raman, Rayleigh, Brillouin,..) peuvent être mises en œuvre dans des approches dites non linéaires où un faisceau signal est produit le plus souvent par interaction de trois faisceaux laser. Ces techniques sont particulièrement utiles pour entreprendre des mesures locales dans des milieux fortement lumineux (combustion, écoulement à haute enthalpie,..) car le faisceau signal est très bien collimaté. D’autre part, les dimensions du volume de mesure sont fixées par la zone de recouvrement des trois faisceaux incidents.
Le département développe et met en œuvre tout particulièrement les deux techniques suivantes :
- La technique de Diffusion Raman Anti-Stokes Cohérente (DRASC) (en anglais, CARS : Coherent anti-Stokes Raman scattering)
- Le Mélange Dégénéré à Quatre Ondes (MDQO) (en anglais, DFWM : Degenerate Four-Wave Mixing)
L’absorption infrarouge à haute sensibilité
La fréquence de vibration des molécules d’un gaz est de l’ordre de grandeur de l’infrarouge. Si l’on soumet une molécule donnée à un rayonnement infrarouge de même fréquence, celle-ci absorbe le rayonnement. Ce phénomène permet de définir plusieurs méthodes de mesure :
- la Spectroscopie d'absorption à diode laser infrarouge (DLAS) : Cette technique donne le spectre d’absorption d’un gaz mesuré, et permet d’en déduire la nature des molécules qui la composent.
- La Cavity Ring-down Spectroscopy (CRDS) permet d’obtenir des résultats plus précis que la DLAS, en utilisant un phénomène de résonance optique.
- µsonde : Une microsonde d’absorption en forme de U a été développée pour réaliser des mesures locales de température et de vitesse dans les écoulements supersoniques. La longueur du volume de mesure est limitée à l’espace séparant les deux bras de la sonde (30 mm).
Les mesures à distance
Pour de nombreuses applications, il est nécessaire de caractériser à distance la composition, la vitesse ou la température d’un milieu gazeux. Le besoin de mesure à distance se manifeste notamment lorsque l’on souhaite connaître la composition d’une émanation toxique ou si l’on souhaite cartographier à partir d’un satellite l’évolution des concentrations de gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère.
Pour répondre à ce type de besoins, le département développe les techniques de type lidar ou de rétrodiffusion.
- Lidar UV : La propagation d’un rayonnement laser dans l’UV permet d’exciter des molécules qui peuvent ensuite émettre un rayonnement de fluorescence. La détection puis l’analyse de ce rayonnement en fonction de la longueur d’onde UV permet de déterminer à distance la concentration de différentes espèces présentes dans l’atmosphère. Cette technique est utilisée dans les Lidar UV notamment pour effectuer des mesures de concentration à distance d’espèces telles que le benzène, le toluène,….
- Lidar DIAL : Les lidar DIAL reposent sur la mesure de l’absorption différentielle entre deux rayonnements infrarouge se propageant dans l’atmosphère. Les longueurs d’onde des deux rayonnements sont choisies de sorte qu’une soit en résonance avec une transition d’absorption de l’espèce que l’on souhaite quantifier alors que l’autre longueur d’onde est située hors de toute absorption pour corriger des effets de propagation dans l’atmosphère. Pour les mesures à longue distance (plusieurs kilomètres), on détecte la petite partie du rayonnement infrarouge qui est diffusée généralement par les aérosols (diffusion de Mie). Les sources paramétriques infrarouge développées dans le département sont particulièrement bien adaptées à ce type de mesure.
- Rétro diffusion : La technique de rétro diffusion utilise comme pour le lidar DIAL une mesure d’absorption différentielle. Le rayonnement est cependant détecté après diffusion sur une surface se trouvant au voisinage du milieu que l’on souhaite caractériser. Cette technique est particulièrement bien adaptée pour les applications à courte portée (quelques dizaines de mètres), exemple : la détection de fuites. Les
sources infrarouge de grande compacité développées au département permettent de réaliser des instruments portables et très maniables.
