Brevet FR2095291A1 — publié le 19720211

La présente invention concerne un filtre ou sélecteur de longueurs d'onde à bande étroite. Le problème envisagé par l'invention est celui du choix efficace d'une étroite bande de longueurs d'onde d'un rayon-5 nement incident. La solution est basée sur l'utilisation des propriétés d'un hologramme de transmission épais. Un hologramme est un enregistrement d'un ensemble de franges d'interférence formé par deux faisceaux du rayonnement 10 électromagnétique,présentant entre eux une relation de phase. L'enregistrement se présente en fait sous forme de variations de transmittance ou de longueur de trajet optique dans un agent d'enregistrement convenable. Ces enregistrements à transmittance variable sont dits hologrammes à absorption, 15 tandis que l'on appelle hologrammes à phase les enregistrements à longueur variable du trajet optique. L'étendue de la variation en un point particulier de l'agent ou support d'enregistrement dépend de l'intensité du rayonnement qui tombe en ce point ;et parce que l'intensité 20 du dessin d'interférence varie ordinairement sinusoïdalement, la variation de transmittance ou de longueur,du trajet; optique est également sinusoïdale. En raison de cette périodicité, un hologramme peut être considéré comme constitué d'un ensemble de contours de transmittance ou de longueur du trajet optique 2 5 maximale (ou minimale)séparés par des régions dans lesquelles la transmittance ou la longueur du trajet optique varient sinusoïdalement. La distance entre des contours adjacents de transmittance ou de longueur de trajet optique maximale est la • même que l'espacement entre franges. 30 Si l'épaisseur de l'hologramme est petite par rapport à l'espacement entre franges d'interférence, les contours de transmittance ou de longueur de trajet optique maximale ou minimale sont essentiellement des lignes sur le support d'enregistrement ; et on peut considérer l'hologramme comme un holo -35 gramme mince. Si, cependant, l'épaisseur de l'hologramme est supérieure à l'espacement entre franges d'interférence, les contours sont essentiellement des surfaces; et la profondeur 71 21733 O 2095291 de l'hologramme doit ordinairement être prise en considération. Un tel hologramme est dit hologramme épais ou hologramme en volume. Lorsqu'un hologramme est éclairé par une réplique de 5 l'un des deux faisceaux que l'on a utilisé pour former l'hologramme, le faisceau éclairant est diffracté par la variation de transmittance ou de longueur de trajet optique pour reconstruire une réplique de l'autre faisceau. En plus de ce faisceau diffracté, l'hologramme projette aussi un faisceau émis ou 10 transmis contenant la partie du faisceau éclairant incident qui n'est pas diffractée ou absorbée par l'hologramme.Lorsque le faisceau diffracté émerge de l'hologramme du côté opposé à celui sur lequel tombait le faisceau éclairant, on dit que l'hologramme est un hologramme à transmission.Lorsque le fais-15 ceau diffracté émerge du même côté que le faisceau éclairant, l'hologramme est dit hologramme à réflexion. Si l'hologramme est un hologramme mince, la reconstruction est réalisée,dans certains cas, même si le faisceau éclairant tombe sur l'hologramme sous un angle" qui est très 20 différent de l'angle sous lequel il tombait sur le support d'enregistrement-à la formation de l'hologramme. Si,cependant, l'hologramme est un hologramme épais, le processus de reconstruction est gouverné par la condition de Bragg sin = n . sin = ^/2d où est l'angle que font dans 25 l'air, tant le faisceau éclairant que le faisceau réfracté, avec lès contours de transmittance ou de longueur de trajet optique maximale ou minimale, es"k même angle dans l'agent d'enregistrement, n est l'indice de réfraction moyen de l'agent d'enregistrement, \ est la longueur d'onde du rayonnement dif-30 fracté selon Bragg dans l'espace libre, et d est l'espacement entre contours voisins. Ainsi, si la longueur d'onde du rayonnement éclairant et l'espacement entre contours adjacents sont fixés, le second faisceau n'est reconstruit par diffraction que si le faisceau éclàirant tombe sur les contours sui-35 vant un angle particulier. En variante, si l'angle d'incidence et l'espacement entre les contours sont fixés, le faisceau diffracté n'est formé qu'à unecertaine longueur d*onde du 71 21733 3 2095291 rayonnement incident. Comme conséquence de ces propriétés de sélectivité angulaire et de sélectivité en longueur d'onde, on peut utiliser des hologrammes épais pour enregistrer plusieurs hologrammes superposés, des hologrammes multicolores, 5 et des hologrammes qu'on peut reconstruire à la lumière blanche. Le problème d'une sélection de bande efficace est résolu suivant l'invention par un filtre caractérisé en ce qu'on place un hologramme à transmission épais et des moyens de ré-10 flexion de façon à réfléchir vers l'hologramme le rayonnement transmis par l'hologramme et le rayonnement diffracté par l'hologramme . Sur les dessins s - La figure 1 est une représentation schématique d'un 15 appareil donné à titre illustrâtif,utilisé pour mettre l'invention en pratique ; - la figure 2 est une représentation schématique de l'appareil donné à titre illustratif pour former le dispositif de la figure 1 ; 20 - la figure 3 est un dessin utile pour comprendre le fonctionnement du dispositif de la figure 1; - la figure 4 est une représentation schématique de l'invention pour l'accord d'un laser à matière colorante. On réalise ce qui précède, suivant les principes de 25 l'invention, par un moyen réfléchissant qui renvoie à un hologramme à transmission épais aussi bien le rayonnement émis par l'hologramme que le rayonnement diffracté par lui. Le ren- * voi de rayonnement le plus efficace, dans la direction antiparallèle à la direction d'incidence peut être réalisé lorsque 30 l'hologramme a un rendement de diffraction d'environ 50 pour cent. A la figure 1, on a montré une forme de réalisation donnée à titre d'exemple d'une construction suivant les principes de l'invention. Un hologramme à transmission épais 11 35 s'appuie sur un moyen réflecteur 21, en fait une couche de métal très réfléchissant et il est monté sur un substrat 22. L'hologramme 11 est constitué par des variations de longueur 71 21733 4 2095291 de trajet optique dans un support d'enregistrement convenable 18. Ces variations peuvent être orientées de façon que les contours 12 de longueur de trajet optique maximale ou minimale soient sensiblement perpendiculaires à la surface princi-5 pale 15 de l'agent d'enregistrement de l'hologramme 18; et comme la surface 15 est ordinairement sensiblement parallèle à une surface principale opposée 14,les contours 12 sont ordinairement aussi sensiblement perpendiculaires à la surface 14. Les contours peuvent être des surfaces planes parallèles l'une "D à l'autre et s'étendant de la surface 14 à la surface 15. Si on le désire, les contours peuvent être autres que des surfaces planes. Par exemple, des hologrammes avec des contours qui sont des surfaces courbes peuvent être faits pour avoir des propriétés de création d'images et ces propriétés peuvent être mises 15 à profit. A titre représentatif, l'agent ou support d'enregistrement 18 est placé sur un substrat transparent 19 qui porte l'agent d'enregistrement,pendant la formation de l'hologramme et qui le projette en cours d'emploi. Du côté de l'hologramme 20 qui est opposé au substrat transparent, se trouve le moyen réfléchissant 21.En' fait, ce moyen réfléchissant comprend une couche qui est parallèle à la surface 15 et, par conséquent, perpendiculaire aux contours 15 î et la réflectivité de ce moyen est de préférence aussi élevée que possible pour évi-25 ter des pertes de rayonnement. Un appareil,donné à titre d'exemple, pour la formation de l'hologramme 11 de la figure 1 est montré à la figure 2. Cet appareil comprend un laser 31, un diviseur de faisceau 33, un réflecteur 35 et un agent d'enregistrement 218 monté sur 30 un substrat transparent 219. L'agent d'enregistrement 218 et le substrat transparent 219 correspondent aux éléments 18 et 19 de la figure 1. De préférence, l'agent d'enregistrement 218 est une matière transparente telle que de la gélatine dichromée dans laquelle on peut enregistrer un hologramme à phase épais. 35 On pourrait utiliser de nombreuses autres matières aussi pour enregistrer des variations de la longueur du trajet optique dans le support d'enregistrement, c'est-à-dire des variations 71 21733 5 2095291 de l'indice de réfraction ou de l'épaisseur géométrique,ou des deux, de ce support. Par "exemple, l'agent support d'enregistrement pourrait être du métacrylate de polyméthyle. Pour former l'hologramme, on envoie un faisceau de lu-5 mière 32 du laser 31 à travers le diviseur de faisceau 33 où le faisceau est divisé en deux parties d'approximativement même amplitude. Avec l'aide du réflecteur 35s les deux faisceaux sont envoyés suivant des angles a égaux sur un agent support d'enregistrement 218 où ils interfèrent.De préférence, les 10 fronts d'onde du faisceau 32 sont plans ; et en conséquence, l'ensemble des franges d'interférence qui estformé dans l'agent d'enregistrement 218 est un ensemble de plans parallèles. Au surplus,parce que l'angle a entre chaque faisceau et-la normale au support d'enregistrement 218 est le même, les plans formés 15 par l'interférence des deux faisceaux sont aussi normaux à la surface 215 de l'agent d'enregistrement. - Ainsi qu'il est bien connu, l'espacement entre les plans dépend de la longueur d'onde des deux faisceaux qui forment l'hologramme et de l'angle a entre chacun d'eux et une 20 normale à la surface 215. En mettant l'invention en pratique, on a formé des hologrammes à radiation cohérente parallèle _7 d'une longueur d'onde de 4416 . 10 mm dérivée d'un laser à l'hélium et au cadmium. Le rayonnement tombait suivant a - -30°, i 47° et - 56°, ce qui donnait lieu à des franges ayant 2300, 25 3300 et 3700 lignes par millimètre ,respectivement,et des espacements de 0,44 . 10~3 mm, 0,33 . 10 ^ mm et 0,27 . 10 ^ mm respectivement. Après que le support d'enregistrement de l'hologramme ait été mis à nu, on développe le support d'enregistrement, 30 si nécessaire.L'hologramme qui en résulte àst -composé alors d'un enregistrement du dessin des franges sous forme de variations de la longueur du trajet optique dans l'hologramme. En raison de la façon dont l'hologramme de la figure 2 a été formé, les contours de longueur de trajet optique maximale (ou minima-35 le) sont orientés sensiblement perpendiculairement à la surface principale 215 de l'hologramme. On combine alors l'hologramme avec une couche réfléchissante en plaquant simplement la couche 71 21733 6 2095291 réfléchissante contre la surface 215 de l'hologramme. En conséquence, on a formé un sandwich ,comme montré à la figure 1, comprenant un substrat transparent 19, l'hologramme 11, les contours 12 de longueur du trajet optique maximale (ou minimale) 5 orientés sensiblement perpendiculairement à la surface 215 et la couche réfléchissante 21 soutenue par le substrat 220. Si on le désire, ce sandwich peut être scellé pour protéger de l'ambiance l'hologramme et la couche réfléchissante. Cette combinaison d'hologramme à transmission et de 10 moyens réfléchissants peut être utilisée comme filtre passe- bande étroit du type à réflexion. Le fonctionnement de ce filtre à hologramme et une appréciation de certaines des variables de sa conception sont compréhensibles à l'aide de la figure 3 qui décrit les effets du filtre,montré schématiquement comme 15 élément 311, sur un faisceau 310 de lumière incidente. Une partie du rayonnement incident tombant sur le filtre à hologramme sous l'angle de Brewster est diffractée pour former une onde diffractée D tandis qu'une autre partie est transmise pour former une onde transmise T. Après réflexion par la couche 20 réfléchissante, le processus de diffraction se poursuit. A partir de D et de T sont formées des ondes diffractées DD et TD et des ondes transmises DT et TT après le second transit. En conséquence, il sort du réseau de transmission deux ondes DT et TD progressant dans une direction anti-parallèle au 25 rayonnement incident et deux ondes DD et TT se propageant suivant un angle. On peut montrer cependant qu'à chaque diffraction, les ondes diffractées souffrent d'un retard de phase de ^ par rapport aux ondes transmises. Par conséquent, les ondes DD et TT sont déphasées de 180 degrés et s'annulent l'une 30 l'autre tandis que les ondes DT et TD sont en phase. De préférence, l'hologramme a un rendement de diffraction qui est. le pourcentage de puissance incidente qui est diffractée , c'est-à-dire approximativement le même que le rendement de transmission qui est le pourcentage de puissance 35 incidente qui est transmis. Par conséquent, les amplitudes de l'onde diffractée et de l'onde transmise sont approximativement les mêmes,et les ondes à déphasage DD et TT s'annulent 71 21733 7 2095291 complètement. Lorsqu'il n'y a que peu d'absorption ou pas d'absorption dans l'hologramme,comme c'est le cas pour des hologrammes de phase , cette annulation totale est obtenue lorsque les rendements de diffraction e+ de transmission sont chacun 5 d'environ 50$. Par conséquent, sensiblement tout le rayonnement qui tombe sur l'hologramme sous l'angle de Bragg est renvoyé sous forme d'ondes DT et TD se propageant dans une direction anti-parallèle à ce rayonnement incident. Cependant, le rayonnement qui ne tombe pas suivant l'angle de Bragg,par 10 exemple le rayonnement dont la longueur d'onde est différente de la longueur d'onde qui satisferait à l'angle de Bragg, est pour la plus grande partie non pas diffracté par le réseau de l'hologramme , mais réfléchi par la couche réfléchissante- et écarté de la direction du faisceau incident. Par conséquent, 15 la combinaison de l'hologramme et de la couche réfléchissante fonctionne comme un réflecteur sélectif en longueur d'onde. On peut également mettre l'invention en pratique lorsque les rendements en diffraction et en transmission ne sont pas égaux et que l'amplitude de l'onde diffractée n'est pas 20 égale à l'amplitude de l'onde transmise. En pareil cas, l'annulation ne sera pas totale et une partie du rayonnement incident suivant l'angle de Bragg sera perdue sous forme d'ondes DD et TT.Cependant, dans la mesure où cette perte peut être tolérée, on peut utiliser l'invention. A vrai dire, si l'on peut suppor-25 ter de très grandes pertes de rayonnement ,1'invention peut même être mise en pratique avec des hologrammes d'absorption en dépit de leur faible rendement en diffraction. Des détails de la formation d'hologrammes du rendement voulu pour une grande gamme de longueurs d'ondes peuvent se 30 trouver dans l'article de H. Kogelnik "Coupled Wave Theory for Thick Hologram Gratings " «Bell System Technical Journal, vol. 48, No.9» page 2909 (novembre 1969) où l'équation (45) résume les paramètres intéressants. Comme indiqué, les ondes DD et TT doivent également être 39 dirigées sensiblement suivant le même angle. Ceci exige une structure qui réfléchisse l'onde T transmise dans une direction parallèle à celle de l'onde DD deux fois diffractée. Une cons 71 21733 8 2095291 truction de ce genre est naturellement une construction dans laquelle les cpntours du trajet optique de longueur maximale ou minimale sont sensiblement perpendiculaires à la couche réfléchissante. Cette construction renvoie aussi les ondes DT 5 et TD diffractées une fois dans une direction anti-parallèle à celle du faisceau incident. La séparation entre les ondes DT et TD est liée à la distance comprise entre la surface frontale de l'hologramme et la couche réfléchissante située à l'arrière de sa face posté-10 rieure. Dans la pratique de 1'invention,cette distance était d'environ 12 microns mais il est évident que d'autres distances pourraient être utilisées lorsqu'on peut tolérer d'autres séparations entre les ondes. Si on le désire, l'hologramme et les moyens réfléchissants peuvent également consti-15 tuer des ensembles séparés. Cet agencement est plus compliqué mais les moyens réfléchissants doivent être assez proches de l'hologramme pour qu'ils renvoient vers l'hologramme des parties sensibles aussi bien du rayonnement transmis que du rayonnement diffracté pour former des ondes dont la séparation 20 soit acceptable. La combinaison d'un hologramme et de moyens réfléchissants est intéressante dans de nombreux cas lorsqu'on désire un sélecteur de longueurs d'ondes. Par exemple,la combinaison peut être utilisée comme sélecteur de longueurs'd'ondes dans 25 un spectromètre ou dans un monochromateur suivant la forme de Littrow. On a trouvé que l'invention était particulièrement intéressante comme sélecteur de longueurs d'ondes dans un laser à matières colorantes. Un tel appareil est montré à la figure 4 et comprend une cavité délimitée par un miroir sphé-30 rique 457 et par la combinaison 411 d'un hologramme de transmission épais et de moyens réfléchissants ,des moyens 441 pour faire tourner la combinaison 411 pour changer l'angle sous lé-quel le rayonnement tombe sur les contours de l'hologramme ,une cellule 455 à travers laquelle s'écoule le colorant qui est 35 l'agent actif du laser et tin faisceau de rayonnement 451 ainsi qu'une lentille cylindrique 453 pour pomper optiquement l'agent actif. Pour faire fonctionner le laser à matière colorante , 71 21733 9 2095291 on pompe la matière colorante à travers la cellule 455 et on dirige un faisceau intense 451 obtenu par exemple d'un second laser (non montré)sur une partie de la cellule à matière colorante. Dans cette région, l'action de laser a lieu et un 5 faisceau de rayonnement 410 se trouve engendré suivant l'axe de la cavité. Ce rayonnement tombe sur la combinaison 411 de l'hologramme et des moyens réfléchissants. Comme indiqué ci-dessus, l'hologramme est sélectif en longueurs d'ondes et il renvoie dans la direction anti-parallèle au rayonnement inci-10 dent , le seul rayonnement tombant suivant l'angle de Bragg. Par conséquent, la sortie de la cavité du laser, à matière colorante se limite à une étroite bande de longueurs d'onde . En pratique, on a observé que cette bande était d'environ 0,5 . 10-7 mm. 15 La sortie particulière de la cavité peut être accordée simplement en faisant tourner l'hologramme par le dispositif 441 de façon à changer l'angle sous lequel le rayonnement tombe sur les contours de longueur de trajet optique maximale (ou minimale)dans l'hologramme» En changeant ainsi l'angle, 20 on modifie la longueur d'onde qui satisfait à la condition de Bragg,Par conséquent, on change également la longueur d'onde du rayonnement qui sort de la cavité . Comme les spécialistes le comprendront, on peut apporter de nombreuses modifications à ce qui a été décrit sans 25 sortir du cadre de l'invention. Par exemple, on peut utiliser bien d'autres matières d'enregistrement d'hologrammes et les détails du processus d'enregistrement dé l'hologramme peuvent être modifiéso L'angle a et la longueur d'onde particulière pour laquelle le réseau de l'hologramme est formé ne sofat 30 limités que par la capacité de l'agent d'enregistrement d'enregistrer les franges d'interférence qui sont formées et par le fait que l'espacement entre les franges enregistrées affecte le rendement de difiraction de l'hologramme. De même, si on le désire, l'enregistrement de l'hologramme peut être constitué 35 d'un ensemble de surfaces non planes de longueur de trajet optique maximale (ou minimale).En utilisant les techniques holographiques bien connues, on peut constituer des hologrammes 71 21733 10 2095291 de ce genre pour concentrer le rayonnement réfléchi,. Il est également possible de conformer la combinaison de l'hologramme et des moyens réfléchissants d'autre façon que celle qui a été décrite ci-dessus. Par exemple, l'agent d'en-5 registrement peut être une couche placée au-dessus d'une couche très fortement réfléchissante sur un substrat. Si la couche réfléchissante transmet le rayonnement de la longueur d'onde utilisée pour la formation de l'hologramme, il n'y aura pas de réflexion par cette couche ,qui viendra interférer 10 avec l'enregistrement de l'hologramme dans le support d'enregistrement. En variante, si l'agent d'enregistrement est relativement opaque au rayonnement ayant la longueur d'onde utilisée pour la formation de l'hologramme, un faible rayonnement incident atteindra la couche réfléchissante ou sera 15 renvoyé dans l'agent d'enregistrement. Dans la gélatine bi-chromatée,cela peut être obtenu en augmentant le pourcentage de bichromate dans la gélati-ne ,dans une mesure suffisante pour que peu de rayonnement atteigne la couche réfléchissante. Comme il apparaîtra aux spécialistes, l'invention peut 20 être utilisée dans une gamme extrêmement étendue de longueurs d'ondes et elle n'est limitée en aucune façon par la bande de rayonnement envisagée, qu'il s'agisse d'infrarouge , de lumière visible ou de lumière ultraviolette. Manifestement, cependant, l'agent d'enregistrement particulier et les moyens réflé-25 chissants particuliers que l'on utilise peuvent être modifiés si l'invention doit être mise en oeuvre pour des longueurs d'ondes très largement séparées. On peut également introduire de nombreuses variations dans l'appareil de la figure 4 .Par exemple, pour réduire en-30 core les pertes de radiation ,l'hologramme et les moyens réfléchissants peuvent être introduits dans la cellule 455 ,et pour faire varier l'angle sous lequel le rayonnement tombe sur l'hologramme,on peut utiliser des déflecteurs acousto-optiques ou électro-optiques à la place des moyens à rotation 441. 71 21733 n 2095291 REVENDICATIQMS 1.- Filtre à "bande étroite, caractérisé en ce qu'il est constitué par un hologramme de transmission épais (11) et par des moyens réfléchissants (21)placés de façon à renvoyer 5 vers l'hologramme aussi bien le rayonnement transmis par l'hologramme que le rayonnement diffracté par celui-ci . 2.- Filtre à bande étroite suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'hologramme (I1)est constitué de variations de transmittance ou de variations de la longueur du tra- 10 jet optique et de contours (12) de transmittance maximale ou minimale ou de longueur de trajet optique maximale ou minimale orientés par rapport aux moyens réfléchissants (21) de telle façon que lorsqdun faisceau de rayonnement tombe sur l'hologramme,le rayonnement transmis par l'hologramme soit 15 réfléchi vers l'hologramme suivant une direction,dans l'hologramme, qui est parallèle à la direction, dans l'hologramme, du rayonnement qui est diffracté par l'hologramme ,une fois avant l'incidence sur les moyens réfléchissants et une fois après cette incidence. 2) 3.- Filtre à bande étroite suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens réfléchissants (21) sont constitués par une surface placée derrière l'hologramme ,en ce que l'hologramme (11) est constitué par Aes variations de transmittance ou de longueur de 25 trajet optique, et en ce que les contours (12) de transmittance maximale ou minimale ou de longueur de trajet optique maximale ou minimale sont orientés de telle façon par rapport aux moyens réfléchissants (21), qu'ils soient sensiblement perpendiculaires à la surface réfléchissante. 30 4.- Filtre à bande étroite suivant l'une quelconque des revendications 1,2 et 3, caractérisé l'hologramme de transmission épais est un hologramme de phase. 5.- Filtre à bande étroite suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'hologramme de phase a un rendement en 35 diffraction d'environ 50$ ,et en ce que les moyens réfléchissants (21) sont placés de façon à réfléchir vers l'hologramme des parties sensibles du rayonnement aussi bien transmis que 71 21733 12 2095291 diffracté ,reçu par l'hologramme. 6.- Filtre à bande étroite suivant l'une quelconque des revendications 2,3,4,5, caractérisé en ce que les contours (12) de longuetir (de trajet optique maximale ou minimale sont des plans.