Rayonnements optiques
Les références nationales sont, d'une manière générale, les matérialisations des unités ou les bancs de mesure qui permettent d'accéder aux grandeurs considérées. Pour les grandeurs caractérisant le rayonnement optique, les références se rapportent aux détecteurs, aux sources ou aux matériaux.
Les missions de la métrologie française pour la caractérisation des rayonnements optiques sont réparties entres deux laboratoires : le LNE-INM au CNAM et le LNE/CMSI. Les différents bancs de mesure permettent la matérialisation des unités, la comparaison des références nationales, sous l’égide du CIPM par le Comité consultatif pour la photométrie et la radiométrie ou au sein d’Euromet, le raccordement des différentes unités, la caractérisation des composants optiques et l’étalonnage des étalons industriels (radiomètres, photomètres, filtres, matériaux, composants fibrés et appareils de mesure spécifiques à l’optique guidée).
Après une présentation des grandeurs physiques utilisées en métrologie des rayonnements optiques, les références pour ce domaine sont présentées suivant quatre parties.
Grandeurs concernées :
Pour ce domaine métrologique, l'unité de base du SI est la candela (symbole cd) ; c'est une unité photométrique qui exprime l'intensité lumineuse. Toutes les autres unités utilisées sont donc des unités dérivées du SI. Pour présenter les autres grandeurs, deux domaines de mesures sont à considérer, la photométrie et la radiométrie :
La photométrie est le domaine de la métrologie qui permet d'exprimer l'impression visuelle à partir de mesures physiques. D'après la définition de la candela, les unités photométriques sont reliées aux grandeurs radiométriques. Les grandeurs les plus usuelles sont :
- le flux lumineux exprimé en lumen (lm), flux émis dans un angle solide de 1 stéradian par une source ponctuelle uniforme située au sommet de l'angle solide ayant une intensité lumineuse de 1 candela (1 lm = 1 cd·sr) ;
- l'éclairement lumineux exprimé en lux (lx), éclairement d'une surface qui reçoit, de manière uniformément répartie, un flux lumineux de 1 lumen par mètre carré (1 lx = 1 lm·m-2 = 1 cd·sr·m-2).
Les grandeurs photométriques étant liées directement à la vision humaine, la CIE (Commission internationale de l'éclairage) a défini, en 1924, une fonction spectrale V(λ) pour décrire la vision photopique. Cette définition a été reprise et adoptée par le CIPM, en 1982, pour effectuer les mesures photométriques avec des références communes au niveau international.
La radiométrie est le domaine des mesures physiques du rayonnement optique. Les grandeurs s'expriment donc dans des unités dérivées du SI exprimant les aspects énergétiques, spectraux et spatiaux du rayonnement optique. Les plus usuelles sont :
- le flux énergétique (émis par une source ou reçu par un détecteur) exprimé en watt (W) ;
- l'intensité énergétique d'une source exprimée en watt par stéradian (W·sr-1) ;
- la luminance énergétique d'un faisceau exprimée en watt par mètre carré et par stéradian (W·m-2·sr-1) ;
- l'éclairement énergétique (reçu par une surface) exprimé en watt par mètre carré (W·m-2) ;
- la sensibilité spectrale des détecteurs exprimée en ampère (ou volt) par watt (A·W-1).
Toutes ces grandeurs concernent la mesure du rayonnement optique en espace libre.
Mais le rayonnement optique peut également être guidé dans des fibres optiques. Ce domaine optique (fibronique) fait intervenir des équipements spécifiques (sources, détecteurs, fibres, amplificateurs et autres composants optiques de modification ou séparation du faisceau). Quelques grandeurs sont également spécifiques mais sont toutefois raccordées aux grandeurs radiométriques classiques ou aux grandeurs dimensionnelles.
Références pour les détecteurs :
Cavité du radiomètre cryogénique
Autant que possible, toutes les mesures radiométriques et photométriques sont raccordées à cette référence (voie " détecteurs ") :
Sensibilité spectrale des détecteurs
Au LNE-INM, la mesure de la sensibilité spectrale des détecteurs est obtenue en deux étapes :
- La première étape est l'établissement de la courbe de sensibilité relative des détecteurs, à l'aide d'un banc comportant une source étendue, un monochromateur double et un détecteur thermique, avec une incertitude relative de 10-3.
- La deuxième étape est la détermination des valeurs absolues de cette courbe : des valeurs absolues sont obtenues, à quelques longueurs d'onde, par comparaison du détecteur au radiomètre cryogénique, avec une incertitude de quelques 10-4, et une interpolation est ensuite effectuée pour déterminer les valeurs absolues de l'ensemble de la courbe de sensibilité spectrale.
Pour obtenir les meilleures incertitudes, le LNE-INM utilise des détecteurs de transfert de type piège pour le raccordement direct au radiomètre cryogénique. Ils sont constitués de photodiodes silicium (visible et ultraviolet). Dans le proche infrarouge, les détecteurs les plus utilisés en métrologie sont les photodiodes Si et InGaAs mais les caractéristiques métrologiques des photodiodes InGaAs ne permettent pas encore de les monter en piège.
A partir d'un détecteur silicium étalonné par le LNE-INM, le LNE/CMSI effectue les étalonnages, par comparaison, de détecteurs et de radiomètres des industriels dans les domaines ultraviolet, visible et infrarouge (de 180 nm à 14 µm).
Intensité lumineuse
Pour la matérialisation de l'intensité lumineuse, le LNE-INM a réalisé, en 1997, des photomètres à partir de détecteurs en silicium, de filtres et de diaphragmes. Ils sont raccordés au radiomètre cryogénique. L'incertitude de mesure de l'intensité lumineuse d'une lampe avec ces photomètres est de 0,43 %. Depuis 2004, de nouveaux photomètres sont en cours de développement en utilisant non plus des détecteurs plans mais des détecteurs de type piège.
Eclairement énergétique spectrique
Pour la mesure de l'éclairement énergétique spectrique dans le domaine ultraviolet, le LNE-INM a construit et caractérisé des radiomètres à filtres. Les détecteurs pièges qui les constituent sont raccordés au radiomètre cryogénique. La mesure absolue d'éclairement (radiomètres ou lampes) s'effectue donc à quelques longueurs d'onde discrètes entre 220 nm et 380 nm. L'éclairement de lampes étalons est déterminé en valeur relative sur tout le spectre d'utilisation à partir de leur luminance. Ces mesures s'effectuent sur un banc qui permet de passer facilement d'une configuration géométrique à l'autre.
Schéma de principe des radiomètres à filtres.
Autres références, non raccordées au radiomètre cryogénique
Détecteurs fonctionnant en régime comptage de photons
Entre 1998 et 2003, le LNE-INM a développé un banc de mesure absolue de l'efficacité quantique de détecteurs. Ces détecteurs peuvent ensuite devenir des références dans le domaine des très faibles flux, c'est-à-dire pour des flux bien inférieurs à ceux utilisés avec le radiomètre cryogénique. Le banc est basé sur le principe de la conversion paramétrique de photons dans un cristal non linéaire qui génère deux photons corrélés. Une chaîne électronique de comptage des photons permet de déterminer l'efficacité d'un détecteur, sans source ni détecteur de référence. En 2003, une mesure a été faite à 633 nm avec une incertitude type relative de 1,1 %. Cette incertitude est six fois plus faible que celle obtenue en faisant une comparaison avec un détecteur piège.
Banc de mesure de l’efficacité quantique des détecteurs.
Radiomètres pour les mesures des fortes puissances de rayonnement laser
Au milieu des années 70, le LNE a commencé à développer des moyens de mesures radiométriques spécifiques au rayonnement laser et particulièrement pour les fortes puissances. Les besoins s'étendent de quelques dizaines de milliwatts (lasers médicaux) à plusieurs dizaines de kilowatts (lasers de soudure ou de fusion nucléaire). Le laboratoire a construit plusieurs radiomètres (de référence et de travail) pour couvrir l'ensemble de la gamme de flux. Jusqu'à 100 W, ils sont refroidis à l'air, au-delà ils sont refroidis à l'eau. Ces radiomètres fonctionnent dans une gamme de flux très supérieure à celle du radiomètre cryogénique. Le principe de ces radiomètres est la substitution électrique à température ambiante : comparaison de l'élévation de la température d'une cavité absorbante par le flux optique ou par la chaleur dissipée par effet Joule par une résistance chauffante entourant la cavité. Ils sont donc, comme le radiomètre cryogénique, raccordés aux étalons électriques.
En 1994, afin de s'assurer de la cohérence des références en radiométrie classique (via le radiomètre cryogénique) et en radiométrie laser une comparaison est réalisée autour de 1 mW, zone limite commune de fonctionnement, par l'intermédiaire de détecteurs et radiomètres de transfert. Le rapport des puissances obtenu est de 1,012 avec une incertitude de 0,9 % (2σ).
Le LNE/CMSI dispose de 5 radiomètres de travail et de 4 radiomètres de référence. Depuis l’acquisition en 1999 d’une alimentation continue et stabilisée à 15 kW, l’incertitude sur les mesures électriques est devenue acceptable et le radiomètre de travail destiné aux mesures de puissances supérieures à 1 kW est désormais une référence (CLR30) permettant les mesures jusqu’au moins 10 kW.
Le laboratoire possède, à ce jour, un ensemble de lasers dont la puissance moyenne s’étend de 10 mW à 3 kW : diodes (IR), He-Ne (633 nm et 3,39 µm), argon (UV et visible), YAG continu et YAG à impulsions, CO2 (toutes les raies entre 9,4 µm et 10,6 µm - 3 kW). Tous ces lasers permettent également de réaliser des mesures d’énergie entre 10 mJ et 100 J.
Au LNE, la puissance maximale est de 3 kW mais des mesures ont été faites en 1998 avec le radiomètre CLR30 à l’Institut de soudure de Yutz devant un laser CO2 jusqu’à 40 kW. Cela a confirmé le bon dimensionnement du radiomètre très forte puissance.
Mesures d'éclairements produits par des sources thermiques rayonnantes
Par ailleurs, ces dernières années, le LNE a finalisé et caractérisé deux bancs d'étalonnage de fluxmètres thermiques de type Schmidt-Boelter ou Gardon. Ces capteurs sont essentiellement utilisés dans les essais de réaction ou de résistance au feu. Les bancs sont constitués d'un corps noir fermé par le capteur à étalonner :
- L'un est cylindrique et fonctionne à faible pression ; il s'agit du banc de référence où les capteurs sont étalonnés en absolu ;
- L'autre est sphérique et fonctionne à la pression atmosphérique ; il s'agit du banc de transfert où les capteurs sont étalonnés par comparaison. Le flux thermique arrivant sur le capteur est de nature radiative et convective.
Fluxmètre
La référence est le flux généré par la source corps noir. Il est calculé à partir des mesures de température, des données géométriques et de la nature des matériaux de la cavité. Le raccordement se fait donc principalement aux références de température.
Les possibilités de mesures du LNE/CMSI s’étendent jusqu’à 70 kW.m-2 avec des incertitudes inférieures à 2 % au-dessus de 20 kW.m-2 et de 2 % à 4 % pour les éclairements inférieurs, domaine où la convection devient importante en valeur relative.
Références pour les sources :
Banc de mesure de luminance et d’éclairement de sources.
Donc, dans les domaines visible et infrarouge, les lampes sont étalonnées, d'une manière générale, en intensité, en éclairement ou en luminance à l'aide de radiomètres (ou de photomètres) raccordés au radiomètre cryogénique.
Lampe au deutérium (1er plan) et lampe à ruban de tungstène (2nd plan).
Dans le domaine UV, le LNE disposait d'arcs argon comme références de luminance raccordées à la source calculée issue du rayonnement de l'anneau de collision d'Orsay (ACO). Ces arcs sont toujours utilisés comme sources de référence relative de luminance mais l'installation d'Orsay n'étant plus opérationnelle, il a été décidé, en 1999, de raccorder des lampes au deutérium du LNE au rayonnement synchrotron Bessy I du PTB en Allemagne, juste avant sa fermeture. C'est ainsi que pour la luminance énergétique spectrale dans l'ultraviolet, la métrologie française est raccordée au PTB.
Sources rayonnantes
Ces dix dernières années, le LNE/CMSI a mis en place des moyens de caractérisation des détecteurs et des sources de rayonnement infrarouge jusqu'à 14 µm. Cette activité utilise les sources et les moyens de mesures de température du laboratoire de pyrométrie optique du LNE/CMSI et les différentes sources laser du laboratoire d'optique. Les spectroradiomètres disponibles sont complémentaires. Ils fonctionnent en comparateur de luminance et permettent de déterminer les sensibilités relatives des détecteurs. Ils sont soit à monochromateur soit à transformée de Fourier. Le calage spectral s'effectue avec soit des lampes spectrales soit des raies de sources laser. Un ensemble de détecteurs est également disponible : un détecteur pyroélectrique à cavité, des détecteurs HgCdTe, InAs, InGaAs et Si. Ces détecteurs sont raccordés entre eux en cascade jusqu'au silicium qui est lui-même raccordé par le LNE-INM au radiomètre cryogénique.
Références pour les matériaux :
Étalons de couleur en céramique.
Le LNE/CMSI a mis en place un ensemble de spectrophotomètres, équipés d'accessoires de géométries différentes, ainsi qu'un banc de mesure du brillant, pour les étalonnages de références industrielles. La gamme spectrale s'étend de l'ultraviolet au proche infrarouge (3,2 µm). Ces équipements permettent les mesures de transmission spectrale et de réflexion spectrale (régulière ou diffuse). Les étalons utilisés sont des filtres neutres étalonnés par le LNE-INM, des étalons de blanc (poudre de BaSO4), des étalons de couleur (céramiques), des références spectrales (filtres de liquides d'holmium ou de didymium, lampes spectrales) ou un verre d'indice de réfraction connu (brillant).
Références pour l’optique guidée :
Depuis 1999, le LNE a un banc de mesure par interférométrie en lumière incohérente de haute résolution. Ce banc permet de localiser et d’évaluer la réflexion de défauts sur des courtes distances (intra composant par exemple) ou de mesurer la dispersion chromatique sur des courtes longueurs. Ce banc est également utilisé pour caractériser les réseaux de Bragg photo-inscrits dans des fibres monomodes, notamment pour obtenir leur profil d’indice, et les fibres spéciales (à cristaux photoniques, à mode d’ordre supérieur).
