Mesure de température dans des milieux semi-transparents à l’infrarouge à l’échelle micrométrique

Coline Bourges$^{1,\star}$, Stéphane Chevalier$^{1}$, Jérémie Maire$^{1}$, Christophe Pradère$^{2}$, Stefan Dilhaire$^{3}$
$^{\star}$ : coline.bourges@u-bordeaux.fr
$^{1}$ I2M
$^{2}$ Epsilon
$^{3}$ LOMA
Mots clés : Thermotransmittance, Infrarouge, Température, Semi-transparent, Micrométrique
Résumé :

La mesure de champs de température est un enjeu majeur pour la caractérisation des systèmes énergétiques, le développement de nouveaux matériaux, ou encore l’étude de réactions chimiques ou biologiques. Habituellement, les champs de température sont mesurés par thermographie infrarouge. Lorsque cette méthode est appliquée à des milieux semi-transparents, ces derniers absorbent, réfléchissent et transmettent les radiations émises par leur milieu environnant. Discriminer le signal provenant de l’échantillon des rayonnements parasites est donc un véritable verrou scientifique pour ces matériaux.

Afin de s’affranchir de cette contrainte, nous avons développé une méthode basée sur la dépendance thermique de l’indice de réfraction optique des matériaux. Pour des milieux semi-transparents, l’étude de la variation de la transmission optique en fonction de la température est particulièrement adaptée. Ce phénomène est appelé thermotransmittance. Au premier ordre, la transmission optique varie linéairement avec la température : les deux grandeurs sont reliées par le coefficient de thermotransmittance, $\kappa$. Toutefois, le signal mesuré est faible ( $\kappa$ ~10^-4$K^{-1}$ ) et donc sensible aux différents bruits de mesure.

De premiers travaux ont permis de développer une nouvelle technique d’imagerie basée sur la thermotransmittance lock-in : le signal est modulé afin de supprimer les composantes fréquentielles parasites et d’améliorer le rapport signal à bruit. Des mesures de champs de température appliquées sur une lame de verre centimétrique ont déjà fait l’objet de communications. L’étude du coefficient de thermotransmittance du matériau pour différentes longueurs d’onde a également été possible. Ces premières mesures expérimentales permettent le développement de nouveaux modèles sur l’évolution des propriétés optiques en fonction de la température dans la gamme infrarouge, un domaine moins investigué – mais important pour la thermique – que la gamme visible.

La communication portera sur la suite des travaux sur la thermotransmittance, notamment sur l’adaptation de la méthode à l’échelle micrométrique. A ces dimensions, de nouveaux verrous scientifiques et techniques apparaissent. Nous avons choisi de chauffer l’échantillon par effet Joule. Pour cela, un fil d’or (50 mm x 15 x 200 nm) alimenté par un courant modulé en intensité a été déposé sur une lame de verre. Afin de mesurer les propriétés thermiques (conductivité et diffusivité) ainsi que le coefficient de thermotransmittance du matériau à cette échelle, il est nécessaire d’avoir un retour sur la température de l’échauffement du fil métallique. La mesure simultanée de la tension aux bornes du fil par méthode 3ω permet d’utiliser le dépôt métallique non seulement comme source de chaleur, mais également comme thermomètre local. Nous présenterons les mesures du coefficient de thermotransmittance de la lame étudiée, ainsi que les champs de température au voisinage du dépôt métallique, avec une résolution de 15/pixel.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-065

PDF : download