Imagerie 3D des champs de température au sein de polymères semi-transparents

Pour comprendre les transferts thermiques dans des systèmes hétérogènes à géométrie complexe (variations des propriétés thermiques, sources enfouies, petites échelles), l’obtention de mesures de température tridimensionnelles (3D) sans contact constitue un outil puissant. Les techniques existantes se répartissent généralement entre mesures bidimensionnelles (2D) couplées à des méthodes inverses, et mesures 3D directes, nécessitant moins d’hypothèses et mieux adaptées aux géométries complexes. Les applications concernent notamment l’électronique, les matériaux composites et la microfluidique. Nous nous intéressons ici à cette dernière, où les transferts thermiques sont fortement couplés aux écoulements convectifs dans des géométries confinées. Ces systèmes présentent un défi expérimental du fait de leurs faibles dimensions (quelques millimètres d’épaisseur) et, pour certaines approches optiques, de la faible sensibilité de l’indice de réfraction à la température (∂n/∂T ∼ 10−3 à 10−5 K−1). Pourtant, la maîtrise du champ thermique y est essentielle, par exemple pour l’amplification d’ADN par réaction en chaîne par polymérase (PCR), qui requiert des cycles thermiques précisément contrôlés. Dans ce contexte, nous proposons un système de mesure 3D des champs d’élévation de température dans un milieu semi-transparent en PDMS, fondé sur l’imagerie photothermique hétérodyne en transmission (TPHI). L’amélioration du rapport signal/bruit apportée par la détection hétérodyne permet de surmonter la faible sensibilité thermo-optique du milieu. La méthode exploite la variation, avec la température, de la réflectance et de l’absorbance de la lumière incidente. Le signal transmis est mesuré sous plusieurs angles par laminographie, puis reconstruit en 3D par un algorithme SIRT, avec une résolution inférieure à 20 μm/voxel. La sensibilité atteint la dizaine de mK dans le PDMS. Nous présenterons la méthode et l’imagerie 3D d’un champ thermique induit par excitation laser d’une couche de PDMS.

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