Un thermomètre optique a été conçu et développé¹ au Laboratoire d'optique Pierre-Michel Duffieux (LOPMD)². Arrivé dans son ultime phase de caractérisation et de miniaturisation, ce thermomètre est destiné à mesurer des températures cryo-géniques dans des fluides comme l'azote liquide, l'oxygène et l'hydrogène liquides, et dans une gamme de températures allant de 20 K à 150 K (Kelvins³) avec une précision de 0,1 K.

Photographie : capteur en fibres optiques de températures cryogéniques. Les fibres sont protégées par un capillaire en Inconel de diamètre 2 mm sur lequel coulisse un passage étanche : le fluorophore sol-gel est déposé à l'extrémité. © Labo. d'optique P.M. Duffieux.

Précis, insensible aux contraintes d'environnement, cette nouvelle génération de thermomètres s'appuie sur la durée de vie de fluorescence⁴ d'un luminophore composé d'un cristal de fluorure de calcium (CaF₂) dopé avec une terre rare (l'Ytterbium, Yb), lorsqu'il est excité par une impulsion laser très brève. Une loi simple régit la variation du temps de déclin de fluorescence avec la température.

L'excitation du luminophore plongé dans le fluide cryogénique se fait par une diode électroluminescente (LED) émettant dans l'ultra violet à 370 nm à travers une fibre optique. La fluorescence est captée par un faisceau de fibres. L'unité de détection et de mesure peut ainsi être déportée (éloignée ou mise à distance). Pour réduire l'inertie thermique, assurer l'étanchéité, accroître la tenue mécanique, éliminer le collage, le luminophore est déposé à l'extrémité des fibres par procédé sol-gel. Ce procédé de dépôt a été mis au point en collaboration avec l'École nationale supérieure de Cachan.

Dans sa configuration actuelle, la sonde de mesure a un diamètre inférieur à deux millimètres, l'unité de contrôle présente la taille d'une boîte de sucre et la consommation électrique est de l'ordre du watt. Ce capteur de températures est conçu pour être mis en réseau. Sa miniaturisation, son intégration et l'abaissement de son coût de fabrication ont fait l'objet d'une attention particulière.

Cette recherche pluridisciplinaire et cette coopération industrielle exemplaire, protégée par un brevet, ont contribué au financement de deux thèses (soutenues).

¹ Dans le cadre d'un programme de recherche et technologie conjointement avec le Centre national d'études spatiales (CNES) et le groupe SNECMA.

² CNRS-Université de Franche-Comté.

³ Le zéro de l'échelle Celsius est fixé à 273,15 K.

⁴ La durée de vie de fluorescence représente la décroissance temporelle de l'intensité de fluorescence.