Réalisation et caractérisation métrologique d'un pyromètre accordable

Realization and metrological characterization of a tunable pyrometer

• Auteur / Autrice : Achour Sadouni
• Direction : Marc Himbert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, nanosciences et métrologie
• Date : Soutenance le 11/12/2015
• Etablissement(s) : Paris, CNAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire commun de métrologie LNE-Cnam (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Claude Kastelik
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Himbert, Stéphan Briaudeau, Olga Kozlova
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yasser Alayli, Frédéric Du Burck

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiométrie optique

Pyrométrie

Mots clés libres

Pyrometrie optique

Filtre acousto-Optique AOTF

Métrologie

Radiométrie

Température thermodynamique

Pyrometry

Acousto-Optical tunable filter AOTF

Metrology

Radiometry

Thermodynamic temperature

Résumé

Cette thèse de doctorat traite de la réalisation et la caractérisation métrologique d’un pyromètre à filtre accordable acousto-optique (AOTF). La première partie expérimentale de ce travail a été consacrée à l’étude du fonctionnement et de la caractérisation du filtre AOTF, la seconde, a été dédiée au développement et à l’optimisation du pyromètre AOTF.Contrairement aux pyromètres habituels dont la sélection spectrale est obtenue par un filtre interférentiel, le pyromètre accordable développé dans ce document utilise un filtre acousto-optique adapté à un étalonnage par laser. La longueur d’onde optique de mesure est imposée par la fréquence de l’onde radiofréquence appliquée au filtre acousto-optique, qui ne requiert aucun mouvement mécanique.En contrepartie, le spectre optique diffracté par ce type de filtres, présente d’importants lobes secondaires de diffraction qui dégradent le taux de réjection hors bande du pyromètre. Grace à un montage en double passage dans une configuration optique en œil de chat, les lobes secondaires de diffraction ont été fortement atténués. Le taux de diffusion optique du pyromètre est de l’ordre de 10-5 en valeur relative.La reproductibilité de sa sensibilité spectrale en longueur d’onde est de 0,01 nm et 0,1 % en amplitude sur une semaine. Ces caractéristiques, comparables à celles des meilleurs monochromateurs, permettent l'utilisation du pyromètre AOTF pour des applications métrologiques au meilleur niveau d’exactitude. L'instrument est accordable en longueur d'onde sur un domaine étendu, compris entre 600 nm et 950 nm. Il est également transportable car sa masse est inférieure à 20 kg et sa longueur inférieure à 1 m. Les performances et la caractérisation métrologique du pyromètre ont été validées par la mesure de la température thermodynamique du point du cuivre, en accord avec celle donnée dans l'EIT-90.

This PhD Thesis presents the work that has been done to design and build, along with the evaluation of the radiometric performance, of a radiation pyrometer based on acousto-optic tunable filter (AOTF). Part of this work has been given to the characterization of the acousto-optic tunable filter (AOTF); however, the other part has been dedicated to the development and the optimization of the radiation pyrometer.Unlike conventional pyrometers whose spectral selection is obtained an interference filters, the AOTF that has been used in this work enables direct calibration of the radiation pyrometer using laser sources without any interference effects. This in turns allows direct calibration of the pyrometer against the cryogenic radiometer or through trap detectors with lower uncertainty levels. The spectral range selected by the AOTF is adjusted by changing the frequency applied to the filter without any mechanical movement, which is an advantage compared to grating-based systems.One of the main limitations in using AOTF is the existence of diffraction lobes which appear beyond the in-band spectral range. These lobes result in significant deterioration in the blocking capabilities of the filter, and thus an increased out-of-band signal levels are obtained. However this has been solved by using a double-pass optical configuration, which has reduced these diffraction lobes and kept them within insignificant levels. The resultant out-of-band signal levels have been found within 10-5 of the in-band signal. The reproducibility of wavelength calibration is within 0.01 nm, yet with 0.1 % reproducibility in the amplitude of the in-band signal over a course of one week. The stability of wavelength is comparable to that found in high quality monochromators. This in turns allows the use of our pyrometer in metrological applications that require high level of accuracy. The instrument spectral coverage can be tuned over a wide spectral range, between 600 nm and 950 nm. The pyrometer is also transportable as its mass is less than 20 kg and with dimensions of 90 L x 20 H x 30 W cm. The performance and metrological characterization of the pyrometer have been validated by measuring the thermodynamic temperature of the freezing point of the copper, which was in a very good agreement with that value defined by the International Temperature Scale (ITS-90).