PHOTOACOUSTIQUE

Mis en évidence au xix^e siècle par Graham Bell, utilisé depuis sous des formes diverses à des fins d'analyse de solides, de liquides ou de gaz, l'effet photoacoustique connaît un nouvel intérêt depuis la fin des années 1970. Cet effet est lié à la conversion de l'énergie lumineuse, absorbée par un échantillon, en énergie thermique.

Considérons, par exemple, un corps solide absorbant et éclairons sa surface avec de la lumière dont l'intensité varie périodiquement dans le temps. La température de la surface oscille au même rythme (avec la même période) que l'éclairement. Si, en outre, l'échantillon n'est pas dans le vide, celui-ci réchauffe le fluide, le plus souvent de l'air, qui le baigne. La température de l'air au voisinage de l'échantillon oscille alors évidemment au même rythme que la température de sa surface. Tout corps chauffé, et particulièrement un gaz, se dilate ; si l'échantillon est alors placé dans une cellule close, la dilatation périodique de l'air y produit des oscillations de pression auxquelles un microphone est sensible. Il faut évidemment munir cette cellule d'une fenêtre transparente à la lumière qui éclaire le solide. Le signal issu du microphone constitue un détecteur photoacoustique. Des oscillations de température aussi petites qu'un dix millième de degré peuvent être décelées avec un tel système.

Parmi les applications les plus fructueuses de cette méthode, citons :

– la spectroscopie des corps opaques très absorbants ou diffusants (poudres, gels, etc.) pour lesquels la température de surface reflète l'énergie lumineuse absorbée dans une fine couche, et non pas dans l'échantillon tout entier ;

– la spectroscopie des objets très faiblement absorbants pour lesquels la méthode est avantageuse parce qu'elle ne met en jeu que la seule énergie lumineuse déposée dans l'échantillon, et non pas l'énergie réfléchie et diffusée ;

– les mesures de paramètres thermiques (chaleur spécifique, diffusivité, etc.) qui peuvent se faire sans contact matériel sur de très faibles volumes. Ces mesures, dans le cas d'échantillons inhomogènes présentant, par exemple, des défauts invisibles optiquement, permettent d'effectuer une véritable cartographie des défauts subsurfaciques.

L'intérêt suscité par la détection photoacoustique a sollicité l'imagination des chercheurs. Deux voies de perfectionnement ont conduit à des progrès notables. Dans l'une, l'échauffement périodique du fluide qui baigne le solide éclairé n'est plus mesuré par les vibrations acoustiques qu'il engendre, mais par les variations d'indice de réfraction qu'il induit. Ces variations d'indice, plus grandes près de la surface du solide chauffé, devient un faisceau lumineux se propageant parallèlement à celle-ci (effet de mirage). C'est cette déviation qui est une mesure de l'échauffement du solide, donc de la quantité de lumière qu'il absorbe. Par cette méthode de détection photothermique, on peut déceler des oscillations de température très inférieures à un millionième de degré.

L'autre voie de perfectionnement met directement à profit les dilatations périodiques induites par son échauffement dans la substance étudiée. Les vibrations mécaniques ainsi produites dans le corps lui-même sont détectées, par exemple, à l'aide d'un quartz piézoélectrique solidaire du corps étudié.

— Jacques BADOZ