Étude de l’influence de la position du faisceau

Nous allons maintenant étudier l’influence de l’altitude du faisceau laser h le long de l’axe x entre les branches des diapasons. Le protocole expérimental est détaillé dans le paragraphe 1.4.4 ci-après.

Le diapason TF1

Considérons le diapason TF1 dont les caractéristiques sont données dans le tableau1.2. On obtient les résultats montrés sur la figure 1.12, sachant que simulation et expérience ont été toutes deux normalisées indépendamment.

Figure 1.12 – Influence de l’altitude du faisceau laser h sur le signal piézoélectrique généré par le diapason TF1.

On retrouve bien un résultat similaire à celui de Petra et al. (Petra et al. 2009), et qui décrit très bien les observations réalisées.

Étant donné que les branches du diapason TF1 ne mesurent que L = 3,75 mm, on voit sur la figure1.12qu’il existe une position d’excitation optimale située à 85% de la hauteur totale. Au delà, un partie trop importante de l’onde de pression est inutile car radiée au dessus des branches. En deça, l’excitation est moins efficace car le bras de levier est réduit, conformément à l’expression de la force qui est pondérée par la déformée (équation 1.38).

Le diapason U0

On considère maintenant un autre type de fixation pour le diapason : le cas articulé- articulé avec le diapason U0. Les résultats expérimentaux de la figure 1.13 n’ont pas été obtenus par une excitation photoacoustique, mais en approchant la sortie d’une fibre optique au centre de l’entre-branches. L’absorption résiduelle qui a lieu au niveau de l’embout de sortie est suffisant pour générer un champ acoustique très similaire à celui d’une excitation photoacoustique.

Ce cas articulé-articulé est plus simple que le diapason encastré-libre, dans la mesure où la symétrie des conditions de fixations se retrouve sur l’excitation photoacoustique. Par conséquent, il est naturel que l’excitation optimale se situe ici au centre des branches.

Figure 1.13 – Influence de l’altitude du faisceau laser h sur le signal piézoélectrique généré par le diapason U0.

L’effet électrode

Lorsque le QEPAS est utilisé en modulant la puissance PL(t) à la fréquence f0, à une

longueur d’onde fixe, un fond cohérent important peut apparaître dès lors qu’une partie, même infime, du faisceau laser touche les branches du diapason.

Un comportement étrange a été observé sur le diapason TF4 lorsqu’un faisceau laser de longueur d’onde λL = 1,54 µm est focalisé sur les branches. La focalisation a lieu au niveau d’une des faces internes de l’entre-branche du diapason, et on balaye sa position sur la hauteur du diapason. Les résultats comparés avec le diapason TF1 sont montrés sur la figure 1.14.

Figure 1.14 – Influence de l’altitude du faisceau laser h sur le fond créé par l’absorption du laser par les branches du diapason a) TF1 et b) TF4.

Sur la figure1.14, on constate la même tendance pour les deux diapasons, qui montre que plus l’impact du laser est proche de la zone commune de fixation (h = 0), plus l’excitation est efficace. Contrairement à l’effet photoacoustique, l’excitation est donc

optimale là où la contrainte générée par le mouvement des branches du diapason est maximale. Le résonateur TF4 présente cependant une annulation remarquable de son excitation autour de h = 2,5 mm, effet qui n’est pas visible pour le diapason TF1. Ce phénomène est extrêmement piqué, et aboutit même à une zone très fine sur laquelle le diapason n’est plus excité. Notre système de positionnement permet d’obtenir un point tous les 50 µm, et pourtant une description fine de l’effondrement n’est pas possible.

En regardant en détail le diapason TF4, on s’aperçoit qu’une interface électrode/quartz est située à cet endroit, et que le laser illumine donc une zone sans électrode et une zone avec une électrode simultanément. On peut alors interpréter ce phénomène sur la base de cette observation. A l’interface électrode/quartz, une partie du faisceau traverse le quartz et une partie illumine l’électrode qui absorbe le faisceau. En effet, l’électrode métallique absorbe très rapidement la radiation qui ne peut pas la traverser. L’absorption du laser par le quartz constitue, elle, une excitation volumique du diapason, alors que l’absorption par l’électrode constitue une absorption surfacique. Nous suspectons ces forces d’être en opposition de phase, si bien que les deux types d’absorption peuvent produire des effets qui interfèrent. Aucune mention de cet effet n’a été trouvée dans la littérature, même s’il peut se deviner sur certaines mesures expérimentales rapportées par exemple dans les expériences de Spajer et al. (Spajer et al. 2013). La rapidité de l’effondrement est en outre compatible avec la taille du faisceau lors de l’interaction avec le diapason.

Cet effet, s’il se confirmait par la suite sur d’autres résonateurs du type TF4, pourrait offrir des avantages uniques pour la technique QEPAS. En effet, l’absorption du laser par le diapason est une source importante de bruit de la mesure, surtout lorsqu’un schéma en modulation de puissance à la fréquence de résonance du diapason est utilisé. Il est parfois très difficile d’éviter le contact avec le diapason, surtout avec l’emploi de grandes longueurs d’onde. On peut donc imaginer positionner judicieusement les électrodes à la surface du quartz pour exploiter cet effet, et le fait de toucher les branches ne serait plus source de bruit.