Instrumentation scientifique et métrologie laser

Les laboratoires de l’institut Carnot ESP sont fortement impliqués dans la conception et le développement de techniques d’analyse, aussi bien pour l’étude des matériaux, avec la sonde atomique tomographique, que pour celle des écoulements par des techniques de métrologie optique.

Sonde atomique tomographique

C’est une  technique de microscopie 3D, qui permet d’imager la distribution en volume des atomes présents dans un matériau.

L’échantillon est analysé couche atomique par couche atomique : la nature chimique et la position de chaque atome sont alors identifiées puis l’image en trois dimensions est reconstituée.

La sonde atomique tomographique permet d’étudier un grand nombre de problématiques scientifiques d’intérêt fondamental ou appliqué :

• multicouches magnétiques magnétostrictives,
• précipités ou amas dans des alliages métalliques, 
• redistribution des dopants dans les jonctions ultra-minces en microélectronique
• ségrégation aux défauts planaires et aux lignes de dislocation…

Elle s’applique sur une large gamme de matériaux, allant des alliages pour l’industrie nucléaire, aéronautique, automobile, aux semi-conducteurs et matériaux hétérogènes élaborés dans les nanosciences. Les développements récents de la sonde atomique tomographique laser (LaWaTAP) ont en effet rendu possible l’étude de matériaux peu conducteurs tels que les oxydes et semi-conducteurs de la micro-électronique.

Métrologie optique

Les techniques de métrologie optique permettent de visualiser et caractériser l’évolution des écoulements et de la combustion, sans risque de perturbation des phénomènes étudiés. Elles sont développées grâce aux compétences en optique et contribuent largement aux avancées des recherches menées dans ces domaines.

Diagnostics optiques des écoulements

Si l’écoulement comporte des particules (fumées, échappements Diesel…), des gouttes (cas des sprays) ou des bulles, les informations obtenues concernent leur taille, concentration, température, vitesse. Si l’écoulement n’est pas naturellement diphasique, on a alors une information sur l’écoulement lui-même.

Les techniques listées ici illustrent quelques uns des développements issus des recherches menées dans ce domaine :

• Holographie numérique (exemple d’application : suivi de gouttelettes au cours du temps)
• Vélocimétrie et granulométrie 3D (exemple d’application : évolution des vitesses et tailles de particules dans l’écoulement)
• Réfractométrie d’Arc-En-Ciel (exemple d’application : mesure de la température de gouttes)
• Résonances morphologiquement dépendantes – MDR (exemple d’application : mesure des propriétés d’évaporation d’une goutte)
• Diffusion d’impulsion optique ultra-brève (exemple d’application : métrologie des milieux diphasiques denses)

Diagnostics optiques en combustion

Les développements de la technique de fluorescence induite par laser (LIF) réalisés par les chercheurs de l’institut Carnot ESP ont permis de développer deux méthodes de mesure non intrusives pour le suivi de la combustion dans les moteurs à combustion interne :

• FARLIF (Fuel Air Ratio measurement by Laser Induced Fluorescence) : elle permet d’accéder à la richesse instantanée, en deux dimensions, résolue cycle à cycle
• LIEF (Laser Induced Exciplexe Fluorescence) : cette méthode permet de discriminer, sous certaines conditions, la phase liquide de la phase vapeur du carburant

Électromagnétisme, optique et opto-électronique

Ces activités s’orientent autour de 2 axes :

• Développement de nouvelles sources laser pulsées, notamment les lasers à fibre en régime d’impulsions ultra-courtes,
• Étude de l’interaction d’ondes électromagnétiques avec la matière divisée et application dans le domaine de la métrologie optique (mesure de vitesse, de taille, d’indice…).

La génération d’impulsions toujours plus brèves, allant jusqu’à quelques femtosecondes (1 femtoseconde = 10-¹⁵ sec.), a étendu les perspectives des scientifiques dans de nombreux domaines de la physique, de la chimie ou de la biologie.

Appliquées  à la métrologie des milieux en phase dispersée (particules en écoulement), les sources actuelles permettent de repousser les limites des techniques optiques existantes :

• Mesures dans un milieu optiquement dense
• Accès aux propriétés thermiques et chimiques de tels milieux, en complément des données couramment mesurées que sont les vitesses et tailles de particules en écoulement.