Applications originales de l`holographie numérique en - hal

Applications originales de l’holographie num´erique en
m´ecanique des fluides
Fran¸cois Olchewsky, Jean-Michel Desse
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Fran¸cois Olchewsky, Jean-Michel Desse. Applications originales de l’holographie num´erique en
m´ecanique des fluides. CFTL 2016, Sep 2016, TOULOUSE, France. <hal-01404192>
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Submitted on 28 Nov 2016
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Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2016, Toulouse, 13 – 16 septembre 2016
Applications originales de l'holographie numérique en
mécanique des fluides
François Olchewsky & Jean-Michel Desse
Onera, The French Aerospace Lab, 5 boulevard Paul Painlevé, 59014 Lille
francois.olchewsk[email protected]
L'holographie numérique permet de mesurer le chemin optique au travers d'un milieu
transparent et elle a déjà été appliquée largement à l’étude des écoulements aérodynamiques.
Dans cette présentation, la méthode est adaptée à l’étude de trois applications particulières :
La première application vise à mettre en évidence la combustion d'un petit jet d'hydrogène
injecté dans la couche de choc hypersonique qui se développe sur une plaque plane en incidence
[1]. Le traitement par FFT2D des franges d'interférences permet d'obtenir le champ d'épaisseur
optique. Les essais ont été effectués dans la soufflerie F4 de l’ONERA et les résultats permettent
de caractériser l’interaction entre le jet et la couche de choc. De plus, si les caractéristiques de
l'écoulement ionisé sont connues, la valeur de la masse volumique peut être estimée en amont et
dans la couche de choc.
La deuxième application est un montage d'holographie auto-référencée [2]. Tout d’abord,
un hologramme en réflexion a été réalisé sur une plaque avec une onde de référence et quatre
ondes de mesure. Ces ondes de mesure sont générées par des miroirs disposés en « cerf-volant »
ce qui permet d’enregistrer sur la plaque quatre réseaux de diffraction à très haute résolution
spatiale. Cette plaque est ensuite insérée dans le montage optique. L’onde qui a traversé
l’écoulement dans la soufflerie est diffractée en quatre ondes par le réseau de diffraction. Celles-ci
se propagent et interfèrent entre elles au niveau du capteur d’enregistrement. Celui-ci enregistre
donc un hologramme numérique produit par la superposition « cohérente » de tous les ordres de
diffraction. La sélection des ordres de diffraction donne les gradients de phase suivant des
directions différentes. L’intégration des différentes cartes de gradients de phase permet d’obtenir le
champ de phase du phénomène. La méthode a été testée avec succès pour étudier un jet d’air
supersonique comprenant des ondes de détente et de compression.
Enfin, la troisième application visualise les courants de convection à l’intérieur d’une
ampoule lors de la phase d’allumage [3] pour lesquels les méthodes conventionnelles sont
inopérantes. Un montage d’interférométrie holographique numérique utilisant les propriétés du
speckle a été défini pour visualiser les gradients thermiques à l’intérieur de la lampe. Pour cela, un
verre dépoli est inséré dans le montage optique proche de l’ampoule pour créer une multitude de
sources lumineuses cohérentes temporellement entre elles. On obtient ainsi les cartes de
différence de phase mettant en évidence l'échauffement du gaz à l'intérieur de l'ampoule au
moment de l'allumage du filament. On note que les mesures ne sont pas perturbées par
l’éblouissement de l’ampoule.
1 Comportement d'un jet d'hydrogène dans une couche de choc
hypersonique
1.1 Description de l'expérience
Cette expérience s'est déroulée dans la soufflerie F4 de l'Onera du Fauga-Mauzac. Dans
ce type de soufflerie, la masse volumique amont est très faible ce qui rend les techniques
d'ombroscopie et strioscopie peu efficaces.
Une plaque en incidence à 20° est placée dans la veine à Mach 10. Un jet d'hydrogène à
32 bars est injecté à 117 mm du bord d'attaque de la plaque (Figure 1). Le but est de déterminer si
le jet d'hydrogène s'enflamme dans la couche de choc.

Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2016, Toulouse, 13 – 16 septembre 2016
Figure 1 : Schéma et photo de la plaque en incidence dans la veine d'essai
1.2 Montage optique
Pour visualiser ce jet d'hydrogène, un montage d'interférométrie Michelson est utilisé
(Figure 2).
Figure 2 : Schéma du montage optique
1.3 Traitement des données et résultats
La rafale dure 200 ms. L'acquisition des images se fait à 1 kHz pour avoir une bonne
dynamique de l'écoulement (200 images). Des interférogrammes sont enregistrés sans (Figure 3)
et avec écoulement (Figure 4). Dans le plan de Fourier 2D, la sélection de l'ordre 1 permet de
récupérer l'information contenue dans les franges d'interférences. Par transformée de Fourier
inverse de cet ordre 1, il est possible de récupérer la carte de phase modulo 2π de
l'interférogramme. En soustrayant les cartes de phase avec et sans écoulement, la phase modulo
2π récupérée est uniquement due à l'écoulement. Un dépliement de cette carte de phase est
ensuite réalisé. Le chemin optique dans l'écoulement (Figure 5) est déduit de cette phase par
π
λ
δ
4
Φ
= (1)
avec δ le chemin optique (m), Φ la phase (rad) et λ la longueur d'onde (m).
Miroir
plan
Lentille achromatique
f75mm, φ40mm
λ2= 532 nm λ2= 532 nm
Cellule
Acouto-optique
Filtre spatial
Cube séparateur
Miroir Concave
f110mm et f55mm, φ50mm
Lentille
achromatique
f800mm, φ195mm
Franges d’interférences
Caméra APX RS 3000
Diaphragme
V1 V2
Miroir
plan
Lentille achromatique
f75mm, φ40mm
λ2= 532 nm λ2= 532 nm
Cellule
Acouto-optique
Filtre spatial
Cube séparateur
Miroir Concave
f110mm et f55mm, φ50mm
Lentille
achromatique
f800mm, φ195mm
Franges d’interférences
Caméra APX RS 3000
Diaphragme
V1 V2
Mach 10
Fenêtre de visualisation
117 mm
Mach 10
Fenêtre de visualisation
117 mm

Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2016, Toulouse, 13 – 16 septembre 2016
Figure 3 : Interférogramme sans écoulement, Spectre de Fourier 2D avec zone de sélection, carte
de phase modulo 2π et carte de phase déroulée
Figure 4 : Interférogramme avec écoulement, Spectre de Fourier 2D avec zone de sélection, carte
de phase modulo 2π et carte de phase déroulée
Figure 5 : Chemin optique de l'écoulement
Le chemin optique obtenu montre l'onde de choc qui se crée au bord d'attaque de la
plaque. Dans la couche de choc, le jet d'hydrogène est bien visible. Il ne traverse pas l'onde de
choc, ne s'enflamme pas dans la couche de choc et se déplace vers l'aval de la maquette.
2 Holographie auto-référencée
2.1 Description de l'expérience
Les montages classiques d'interférométrie holographique numérique basés sur des
interféromètres de Michelson et Mach-Zehnder nécessitent une onde de référence. Pour un
montage Michelson (double traversée), l'écoulement est traversé deux fois par les faisceaux ce qui
double la sensibilité et ne permet pas de mesurer les fortes variations de chemin optique. De plus,
il n'est pas possible de faire la mise au point sur la veine d'essai. Pour un montage Mach-Zehnder
(simple traversée), il faut faire passer le faisceau de référence de l'autre coté de la soufflerie sans
traverser la veine ce qui n'est pas toujours possible. Cette expérience propose un montage
d'interférométrie holographique simple traversée sans faisceau de référence.
0 10 20 30 -30 -20 -10
-30
-20
-10
0
10
20
30
mm
-1
mm
-1
0 10 20 30 -30 -20 -10
-30
-20
-10
0
10
20
30
mm
-1
mm
-1
0 10 20 30 -30 -20 -10
-30
-20
-10
0
10
20
30
mm
-1
mm
-1
Ordre -1
Ordre 0
Ordre +1
0 10 20 30 -30 -20 -10
-30
-20
-10
0
10
20
30
mm
-1
mm
-1
0 10 20 30 -30 -20 -10
-30
-20
-10
0
10
20
30
mm
-1
mm
-1
Ordre -1
Ordre 0
Ordre +1

Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2016, Toulouse, 13 – 16 septembre 2016
2.2 Réalisation des réseaux de diffraction
Dans un premier temps, un hologramme en réflexion est réalisé en dehors de la soufflerie
sur une plaque holographique avec une onde de référence et quatre ondes de mesure (Figure 6).
Ces ondes de mesure sont générées par des miroirs disposés en « cerf-volant » (Figure 7) ce qui
permet d’enregistrer sur la plaque quatre réseaux de diffraction.
Hologramme
BS 50/50
BS 50/50
BS 50/50
BS 80/20
Microscope +
trou source
Cellule
acousto-
optique
Microscope +
trou source
Onde de référence
Miroirs plans (MP)
MP
MP
MP
MP
MP
MP
MP
λ= 532 nm
20
80
40
40
20
20
20 20
Hologramme
BS 50/50
BS 50/50
BS 50/50
BS 80/20
Microscope +
trou source
Cellule
acousto-
optique
Microscope +
trou source
Onde de référence
Miroirs plans (MP)
MP
MP
MP
MP
MP
MP
MP
λ= 532 nm
20
80
40
40
20
20
20 20
Figure 6 : Schéma du montage d'enregistrement de l'hologramme
M1 M2
M3
M4
1
1’
2’
2
3
4
Figure 7 : Disposition « cerf-volant » des miroirs lors de l’enregistrement de la plaque
holographique
2.3 Montage d'holographie auto-référencée
Cette plaque est ensuite insérée dans le montage d’holographie sans référence (Figure 8).
L’onde qui a traversé l’écoulement dans la soufflerie est diffractée en quatre ondes au niveau de la
plaque. Celles-ci se propagent et interfèrent entre elles au niveau du capteur d’enregistrement.
Celui-ci enregistre donc un hologramme numérique produit par la superposition « cohérente » de
tous les ordres de diffraction.