Caractérisation du radiomètre cryogénique à de nouvelles

PROJET
Caractérisation du radiomètre cryogénique
à de nouvelles longueurs d’onde lasers
LABORATOIRE
LNE-LCM
ANNEE DE LANCEMENT DU PROJET
2007
DOMAINE
Industrie
INTERESSANT POUR
- Rayonnements optiques ;
- Instrumentation de mesures
optiques : sources, détecteurs ;
- Sécurité des consommateurs ;
- Industrie de l’éclairage, des lasers ;
- Références et traçabilité des
mesures optiques.
OBJECTIFS
Il s’agit d’améliorer les incertitudes des mesures radiométriques et photométriques actuelles par :
– la mise en place d’un nouveau radiomètre cryogénique ;
– sa caractérisation aux longueurs d’onde du domaine visible ;
– son utilisation sur des domaines spectraux allant de l’ultraviolet (200 nm) à l’infrarouge
(jusqu’à 4 µm) pour l’étalonnage de détecteurs de référence.
RÉSUMÉ ET RÉSULTATS
Comme la plupart des laboratoires nationaux de métrologie, le LCM utilise le radiomètre cryogénique pour
réaliser ses échelles radiométriques et photométriques. Le radiomètre cryogénique est l’instrument de
référence nationale pour la mesure de flux énergétique et tous les autres bancs de références pour les
mesures des grandeurs radiométriques et photométriques y sont raccordés. Cette traçabilité est mise en
œuvre en utilisant des détecteurs de transfert étalonnés en sensibilité spectrale absolue par comparaison
au radiomètre cryogénique, à quelques longueurs d'onde en utilisant des faisceaux lasers. L’incertitude
relative d’étalonnage des détecteurs, de type piège, utilisés comme étalons secondaires en sensibilité
spectrale, est de d’ordre de 10-4 pour les longueurs d’onde du spectre visible. Pour améliorer les incertitudes
des mesures radiométriques et photométriques, il était nécessaire d'améliorer l'étalonnage en sensibilité
spectrale des détecteurs de transfert et notamment d’augmenter le nombre de longueurs d’onde auxquelles
s’effectue le raccordement direct au radiomètre cryogénique. Il s’agissait donc de l’étendre aux domaines
spectraux ultraviolet et infrarouge afin d’assurer une traçabilité des détecteurs avec une incertitude relative
maximale de quelques 10-4 sur tout le domaine spectral.
Le LCM dispose depuis 2010 d’un nouveau radiomètre cryogénique. C’est un radiomètre à substitution
électrique dont le détecteur fonctionne à la température de l’hélium liquide (fig. 1). Le principe de mesure du
flux du rayonnement est de comparer la puissance thermique produite par le rayonnement optique dans une
cavité absorbante de type corps noir à la puissance produite par effet Joule dans une résistance chauffante
entourant cette même cavité. Le détecteur thermique de forme cavité est placé dans un cryostat sous vide
et fermé par un hublot en silice. Les hublots utilisés permettent de couvrir la gamme spectrale entre 200 nm
et 2 000 nm.
Réseau National de la Métrologie Française
1/6
www.metrologie-francaise.fr
WINDOW
Fig. 1. – Schéma (vue en coupe) du radiomètre cryogénique.
1 – Banc de comparaison des détecteurs au radiomètre cryogénique
Pour obtenir les meilleures mesures de flux, il est nécessaire d'utiliser des faisceaux laser polarisés. Le flux
mesurable dans des conditions optimales se situe entre 100 µW et 2 mW. Ces faisceaux lasers sont mis en
forme sur une table optique et une installation complète permet la translation des détecteurs à étalonner et
le radiomètre cryogénique lui-même devant le faisceau laser de mesure (fig. 2).
Lasers He-Ne
L : lentille.
D : diaphragme.
M : miroir.
E : écran.
T : trou microscopique
TT : Table de translation
TT
Obturateur
Laser Argon
Photodiode de
contre-réaction
Modulateur à
cristal liquide
Filtre spatial
Détecteurs
à
étalonner
QED 150
D
L2
E
Polariseur
T
L1
D
M2
D
Contrôleur de
puissance laser
Radiomètre
cryogénique
Table optique
Fig. 2. – Schéma du montage utilisé pour l’étalonnage des détecteurs.
De nouvelles sources lasers ont été installées pour permettre l’extension en longueur d’onde des mesures.
Le LCM dispose désormais de diverses sources lasers pour couvrir un large domaine spectral : Yag (266
nm), hélium-cadmium (325 nm et 442 nm), argon (8 longueurs d’onde entre 454 nm et 514 nm), cinq lasers
hélium-néon (543 nm, 612 nm, 633 nm, 1 150 nm et 1 523 nm) et une source laser accordable (sur la base
d’un laser titane-saphir qui couvre à lui seul le domaine spectral entre 600 nm et 900 nm puis par doublage
en cavité externe, permet d’obtenir des raies entre 390 nm et 405 nm). Un banc optique a été monté pour
réaliser un oscillateur paramétrique optique (OPO) alimenté par le laser Ti-saphir ; il permet de couvrir le
domaine spectral infrarouge entre 1 µm et 3,5 µm.
2 – Caractérisation du nouveau radiomètre cryogénique
La mesure pratique du flux énergétique se fait par la réalisation de l'équivalence puissance électrique –
Réseau National de la Métrologie Française
2/6
www.metrologie-francaise.fr
puissance optique. Mais celle-ci ne peut pas être réalisée parfaitement. Et, même en travaillant à des
températures cryogéniques, ce qui réduit considérablement les principales causes d’erreur, il est nécessaire
d’appliquer un certain nombre de corrections à la mesure directe de la puissance faite par le radiomètre
cryogénique (PRC), comme indiqué dans l’équation (1) :
1  N ⋅ PRC 
Popt =
×
τ − ρ  α 
(Eq. 1)
où
Popt est la puissance transportée par le rayonnement,
N est le facteur qui prend en compte la non équivalence entre les deux modes de chauffage,
τ est le facteur de transmission du hublot d'entrée du radiomètre,
ρ est le facteur de réflexion résiduelle sur le hublot,
α est le facteur d'absorption de la cavité absorbante du rayonnement.
La caractérisation du nouveau radiomètre consiste principalement en l'étalonnage électrique du dispositif de
mesure de la puissance et en la détermination des corrections à appliquer avec les incertitudes les plus
faibles possibles, pour pouvoir effectuer des mesures de puissance optique avec une incertitude type
relative de quelques 10-5. Du point de vue optique, ces corrections résultent du facteur de transmission du
hublot du radiomètre cryogénique et du facteur d’absorption de sa cavité : ces 2 facteurs ne sont pas
exactement égaux à 1 et ils varient suivant la longueur d'onde. Il est donc nécessaire de mesurer ces deux
facteurs aux longueurs d'onde lasers du visible, utilisées avec le précédent radiomètre, puis d'étendre ces
mesures aux nouvelles longueurs d'onde lasers qui sont mises en place.
Étalonnage électrique du radiomètre cryogénique
Comme indiqué précédemment, la mesure de la puissance du rayonnement optique est réalisée à partir de
la mesure d'une puissance électrique. Le dispositif utilisé pour générer et mesurer la puissance électrique
fournie à la résistance chauffante pour chauffer électriquement la cavité absorbante du radiomètre
cryogénique est un dispositif autonome, et il est nécessaire de l’étalonner périodiquement pour assurer sa
traçabilité aux unités électriques.
La procédure d'étalonnage consiste à étalonner les gains des amplificateurs et à mesurer les offsets des
amplificateurs du circuit de chauffage, à l'aide d'une tension de référence et d'une résistance étalon de 1 kW
(elles-mêmes raccordées aux étalons électriques nationaux). Une seconde procédure est ensuite utilisée
pour vérifier que la puissance électrique est mesurée correctement. Celle-ci consiste à chauffer
électriquement la cavité, à lire la puissance électrique mesurée numériquement par le module d’acquisition
du radiomètre lui-même, et à la comparer à la puissance mesurée analogiquement à l'aide d'un circuit
électrique externe. Ce dernier utilise un voltmètre et la résistance étalon de 1 kW.
La vérification a été effectuée pour différents niveaux de puissance prédéterminés, ce qui a permis de
vérifier le fonctionnement des différents éléments du module de mesure. L'écart relatif obtenu entre les
mesures des deux puissances, est égal à quelques 10-5, il est du même ordre de grandeur que la
répétabilité des mesures. L’incertitude type relative associée à cet étalonnage électrique est estimée à
2×10-5.
Mesure de la correction de non-équivalence de chauffage dans le radiomètre cryogénique
La cavité a été conçue de façon à réduire le facteur de non-équivalence à un niveau négligeable. Il faut
cependant s'assurer que cette propriété est bien vérifiée. Pour cela, la cavité est équipée de deux
résistances chauffantes, l'une placée sur le fond de la cavité, l'autre à l'opposé près de la fenêtre d’entrée
du faisceau. La vérification s'effectue en chauffant la cavité alternativement par l'une ou l'autre des
résistances. Grâce à un système de basculement entre les deux résistances chauffantes, on peut, dans la
pratique, mesurer le flux d’un faisceau laser alternativement avec chacune des deux résistances. La
correction de non-équivalence de chauffage est déduite du rapport des deux réponses du radiomètre
cryogénique. Ce rapport a été trouvé égal à 1,000 00 avec une incertitude type estimée à 2×10-5.
Mesure du facteur d’absorption de la cavité absorbante du radiomètre (fig. 3)
Une sphère intégratrice est utilisée pour mesurer le rayonnement diffus qui ressort de la cavité, lorsqu'elle
est éclairée par un faisceau laser. Cette sphère comporte trois trous : un trou d'entrée pour le faisceau laser
incident, un second diamétralement opposé sur lequel sont placés alternativement la cavité ou un étalon de
blanc, et un troisième pour placer un détecteur de rayonnement. Le facteur de réflexion de la cavité est
obtenu à partir des signaux délivrés par le détecteur, avec respectivement la cavité et l'étalon de blanc
placés sur la sphère, corrigés de la lumière diffusée par la sphère, et le facteur de réflexion de l'étalon de
blanc.
Réseau National de la Métrologie Française
3/6
www.metrologie-francaise.fr
Fig. 3. – Cavité absorbante du nouveau radiomètre cryogénique.
Les mesures ont d’abord été faites pour cinq longueurs d’onde du domaine visible et comparées aux
données du constructeur.
Pour mesurer le facteur d'absorption dans d'autres domaines spectraux (ultraviolet, proche infrarouge), et
pour faciliter les mesures sur tout le domaine spectral du fait des très faibles signaux mesurés, un nouveau
montage a été étudié avec une nouvelle sphère intégratrice (diamètre de 50 mm et diamètre du port de
sortie de 7 mm, plus adapté à celui de la cavité absorbante) équipée de deux types de détecteur pour
couvrir le domaine spectral allant de 190 nm à 2 600 nm et d’un étalon de blanc en Spectralon facilement
repositionnable.
Les mesures du facteur de réflexion de la cavité du radiomètre cryogénique ont alors été poursuivies à
d'autres longueurs d'onde, d'abord dans le domaine visible puis dans l'ultraviolet et le proche infrarouge.
Toutes les mesures ont permis de déterminer le facteur d’absorption de la cavité aux longueurs d’onde de
mesure et elles ont mis en évidence que la correction à apporter aux mesures de flux faites avec le nouveau
radiomètre cryogénique était de l'ordre de 2×10–5.
Mesure du facteur de transmission du hublot du radiomètre
Le cryostat du radiomètre cryogénique est fermé par un hublot en silice. Pour minimiser les pertes par
réflexion, ce hublot est ajusté à l'incidence de Brewster, et l'emploi de faisceaux lasers polarisés permet
d'avoir une transmission très voisine de 1. Cependant, cette transmission peut être une source d'erreur
importante qui limite l'exactitude des mesures. Elle doit donc être connue avec une incertitude aussi faible
que possible. Il est nécessaire de mesurer directement la transmission du hublot utilisé pour les mesures,
de la vérifier aux longueurs d’onde de mesure et de le faire à chaque fois que le radiomètre est utilisé.
Pour faire cette étude, le hublot du radiomètre cryogénique a été démonté et mis en place sur le montage
spécifique (fig. 4) déjà utilisé pour le hublot du radiomètre précédent. Ce montage a été installé à côté du
radiomètre cryogénique, sur la table de translation utilisée pour comparer les détecteurs au radiomètre. La
table de translation permet d’amener ou de retirer le hublot du faisceau laser afin de mesurer, à l’aide d’un
détecteur piège placé derrière, respectivement le flux transmis et le flux direct. La transmission du hublot est
définie comme étant le rapport des deux flux obtenus avec et sans hublot. Une photodiode placée sous le
hublot permet également de mesurer la réflexion spéculaire résiduelle qui subsiste.
Faisceau transmis
hublot
Faisceau laser direct
Détecteur piège
Faisceau réfléchi
Fig. 4. – Montage de mesure du facteur de transmission du hublot.
Les mesures du facteur de transmission et du facteur de réflexion du hublot ont été effectuées après avoir
surmonté de nombreuses difficultés dues finalement à des variations de la puissance du faisceau au cours
de la mesure. Les mesures de la transmission ont été faites avec une incertitude relative de 2×10-5 à 3×10-5.
Réseau National de la Métrologie Française
4/6
www.metrologie-francaise.fr
3 – Bilan des incertitudes liées au fonctionnement du radiomètre cryogénique
La correction globale, à appliquer à la mesure du rayonnement optique donnée par le radiomètre
cryogénique, est composée par les différentes corrections citées précédemment. Celles-ci sont données ciaprès, à titre d’exemple pour la longueur d’onde de 633 nm, avec les incertitudes qui leur sont associées :
Source d'erreur
Correction
Incertitude type
relative
Absorption de la cavité
0,999 98
1×10-5
Transmission du hublot
0,999 88
2×10-5
Réflexion sur le hublot
0,000 034
0,4×10-5
Non-équivalence
chauffage
1,000 00
1×10-5
Étalonnage électrique
1,000 00
3×10-5
1
3×10-5
0,999 83
5×10-5
Répétabilité des mesures
Correction globale
La répétabilité des mesures de la puissance effectuée par le radiomètre cryogénique est également
indiquée elle est globalement de 3×10-5 et dépend essentiellement de la stabilité du faisceau laser. Dans le
cas présenté, l’écart relatif entre la valeur mesurée et la valeur supposée exacte est de 1,7×10-4, et
l’incertitude type globale sur la mesure de la puissance estimée à 5×10-5.
Le nouveau radiomètre cryogénique a été utilisé pour vérifier l'étalonnage en sensibilité spectrale absolue
des détecteurs pièges étalons secondaires. Ces étalonnages ont été effectués à plusieurs longueurs d'onde
comprises entre 458 nm et 825 nm, alors qu'avec l'ancien système, les mesures n'étaient effectuées que
dans le domaine visible. En même temps que les détecteurs du LCM, un détecteur piège du PTB a été
étalonné en sensibilité spectrale absolue. Les écarts entre les valeurs obtenues et celles transmises par le
PTB pour toutes les longueurs d'onde mesurées, sont inférieurs aux incertitudes, ce qui valide l'installation
et l'utilisation de ce nouveau radiomètre cryogénique. De plus, cette étude valide l'extension du domaine
spectral vers le proche infrarouge. La métrologie française dispose donc maintenant d'une nouvelle
référence pour le domaine des rayonnements optiques, et comme la chaîne de mesures associée à cet
instrument a entièrement été renouvelée au cours de ces dernières années, elle dispose maintenant d'un
système opérationnel et fiable pour plusieurs années, pour continuer à assurer le maintien au meilleur
niveau métrologique des références radiométriques et photométriques. La caractérisation du radiomètre
cryogénique à de nouvelles longueurs d'onde laser se poursuit, notamment dans les domaines ultraviolet et
infrarouge.
Réseau National de la Métrologie Française
5/6
www.metrologie-francaise.fr
IMPACTS SCIENTIFIQUES ET INDUSTRIELS
Amélioration des incertitudes d’étalonnage des détecteurs utilisés en radiométrie-photométrie et, en
conséquence, amélioration de la traçabilité des mesures industrielles pour les mesures de rayonnements
optiques,
des
caractéristiques
des
sources
lasers
ou
à
spectre
large,
des
détecteurs/radiomètres/photomètres et des propriétés optiques des matériaux optiques (transmission,
réflexion) en amplitude et en longueur d’onde.
PUBLICATIONS / COMMUNICATIONS
COUTIN J.-M. et ROUGIÉ B., “Measurement of the absorptance of the new cryogenic radiometer cavity from the
th
ultraviolet to the near infrared range”, 12 International Conference on New Developments and Applications in Optical
Radiometry (NEWRAD 2014), Aalto, Finlande, 24-27 juin 2014, proceedings 209-210.
PARTENAIRES
/
CONTACT
[email protected]
Une copie d’un rapport peut être obtenue sur demande.
Réseau National de la Métrologie Française
PROJETS ASSOCIÉS
/
DERNIÈRE MISE À JOUR
Septembre 2015
6/6
www.metrologie-francaise.fr