Brevet FR2126238A1 — publié le 19721006

i 2126238 La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour l'étude du degré de cohérence d'un rayonnement lumineux. Pour l'étude du degré de cohérence d'un rayonnement lumineux, en particulier de la lumière d'un laser, c'est-à-dire la 5 détermination du temps de cohérence 'V ou de la largeur de la bande de fréquence à \ = \/*^ , ou de la longueur de cohérence i, - c. T (c » vitesse de la lumière) du rayonnement, on uti-lise jusqu'à présent 1'interféromètre de Fabry-Pérot. Celui-ci est constitué habituellement par deux miroirs de haute qualité, 10 dont on fait varier la distance. On transforme la lumière qui 1 passe en un signal électrique, et on l'observe sur un oscilloscope. Ce dispositif d'étude est très dispendieux. D'un autre côté cependant, l'étude du degré de cohérence, d'un laser par exemple, a une grande importance, car, dans de nombreuses utili-15 sations du laser, par exemple en interférométrie, en hologra- i phie etc., on ne doit utiliser que de la lumière d'une seule fréquence. Le laser utilisé ne doit alors émettre que sur un mode longitudinal unique. L'objet de la présente invention est de fournir un procédé 20 simple et un appareillage bon marché, permettant d'étudier rapidement et sans dépenses particulières, le degré de contrôler la structure de l'émission d'une source de lumière laser, selon les modes, pour vérifier si les vibrations sont émises principalement selon tin mode longitudinal. 25 Selon la présente invention, ce problème est résolu en ce que l'on superpose, sur un corps diffusant, des faisceaux de rayon du rayonnement lumineux qu'il s'agit d'étudier, et qu'entre les rayons qui frappent le corps diffusant en un même point, on introduit des différences de cheminement ^ £, dont la valeur 30 est comprise entre 0 et c/2 A "£) , c étant la vitesse de la lumière et A la largeur de la bande de fréquences du rayonnement à l'intérieur de laquelle on doit effectuer l'étude. Il est particulièrement intéressant de faire varier localement, sur le corps diffusant, les différences de cheminement 35 A t h l'intérieur du domaine étudié précité, ce qui peut être réalisé, par exenqple, en projetant au moyen de miroirs et de lentilles, sur le corps diffusant, deux faisceaux partiels du rayonnement à étudier, inclinés l'un par rapport à l'autre. 72 05717 2 2126238 Lorsque l'on, procède de la manière décrite ci-dessus, on obtient une figure d'interférence qui ne peut être analysée à l'oeil nu, car les largeurs des bandes sont tout au plus de quelques longueurs d'onde de la lumière, et l'observateur voit 5 cette figtire sous la forme d'une granulation uniforme ou sous la forme de taches (voir Journal Opt. Soc. Am. (1965), page 247 et suivantes, si le rayonnement qu'il s'agit d'étudier est rigoureusement cohérent. Si, cependant, le rayonnement n'est pas rigoureusement cohérent, il apparaît, dans la figure formée par 10 les taches, des bandes dans lesquelles le contraste des taches est fortement atténué. La largeur "b" d'une bande à contraste élevé est liée à la longueur de cohérence 1„ du rayonnement à étudier par la relation b » Ic/ (sinQ^ + sin 2) » 15 où ^ i 2 est resPec'ti'v'enien't' l'angle d'incidence du premier et du deuxième faisceau partiel, par rapport au corps diffusant. Gomme on peut le voir, grâce à la présente invention on peut, rapidement et d'une manière simple, non seulement constater si le rayonnement d'un laser est cohérent, mais en outre on 20 peut aussi déterminer sa longueur de cohérence, ou sa fonction de cohérence. D'autres détails de l'invention ressortiront des exemples de réalisation expliqués à l'aide des dessins, qui représentent: la Fig. 1, un dispositif, dans lequel deux faisceaux de 25 rayons, du rayonnement qu'il s'agit d'étudier et inclinés l'un par rapport à l'autre, sont superposés sur un corps réflecteur diffusant plan. la Fig. 2, les bandes de contraste prononcé et atténué, qui apparaissent dans la figure composée, de taches obtenue par 50 réflexion diffuse d'un rayonnement lumineux cohérent, à la surface du corps réflecteur diffusant, lorsque ce rayonnement n'est pas rigoureusement cohérent, la Fig. 5» un dispositif analogue à celui de la Figure 1, mais dans lequel la différence A L des cheminements entre les 55 rayons superposés peut de plus être modifiée au moyen d'un prisme triple mobile; et la Fig. 4, un dispositif analogue à celui de la Figure 1, avec cependant la différence que les miroirs et les lentilles, 72 05717 5 2126238 pour 11éclairement du corps réflecteur diffusant, sont remplacés par deux autres corps réflecteurs diffusants. Sur la figure 1» on a représenté un laser 1, qui émet un faisceau lumineux 2, dont on veut étudier le degré de cohérence. 5 Au moyen d'un diviseur de rayon 3, le faisceau lumineux 2 est scindé en deux faisceaux partiels 4, 5, de préférence d'égale intensité. Les faisceaux partiels 4-, 5» sont déviés par les miroirs 6, 7, et épanouis en faisceaux divergents 10, 11 au moyen des lentilles 8, 9, de manière qu'un corps réflecteur dif-10 fusant 12, par exemple un disque métallique peint en blanc mat, sablé ou traité de manière analogue, soit éclairé sur sa surface. Les faisceaux divergents 10, 11 arrivent sur le corps 12 avec les angles d'incidence moyenset ^ ^ . Le corps 12 est 15 examiné par un observateur 18 soit visuellement, soit aussi au moyen d'un système photo-optique. Le corps réflecteur diffusant 12 peut aussi être constitué tout simplement par du papier blanc rigide. Au lieu d'un corps réflecteur diffusant, on peut aussi prévoir un corps 20 transparent diffusant, par exemple un disque ou une plaque en verre dépoli. La plaque de verre dépoli peut être observée par réflexion ou par transparence. Dans ce dernier cas, il faudrait donc imaginer l'observateur 18 de la figure 1, placé quelque part entre le laser 1 et le corps 12. 25 Les rayons des deux faisceaux divergents 10, 11, inclinés l'un par rapport à l'autre, qui arrivent en un même point du corps 12, présentent des différences de cheminement ùt variables selon la position du point considéré sur le corps 12. Il se forme ainsi, de la manière connue, une figure d'interférence 30 qui ne peut être analysée à l'oeil nu, dans laquelle les bandes ont une largeur J- c/^ . (sin X x + sin X ^ 1 r avec = fréquence du rayonnement laser. Sur la figure 2, on a représenté la sui-face du corps 12, 35 telle qu'elle apparaît à l'observateur 18. Tant que le rayonnement laser est rigoureusement cohérent et que par conséquent A = 0, le corps 12 apparaît à l'observateur 18 comme une surface régulièrement granulée ou tachetée, comme représenté dans 72 05717 4 2126238 le champ 17 de la figure. Si par contre aV^ 0, si donc le laser 1 émet par exemple deux fréquences V ^ et V2> sorte que àY= IV^ - "V2I , il se forme en 13, 14, 15 des bandes de fort contraste et, entre celles-ci des bandes de contraste plus fai-5 ble, comme on l'a représenté dans le champ 160 Le contraste maximal apparaît aux endroits où la différence de cheminement A ^ entre les rayons qui arrivent en un même point satisfait à la relation A t - n. c/ V , avec n entier. Sur la fig. 1 et sur la fig. 2, on a désigné par 13 le 10 maximum de contraste correspondant à A ~)) =0. Les maxima 14, 15 de la fig. 2 correspondent = c/AYet 2 c/AV . Les mi nimums de contraste qui se trouvent entre ces points sont obtenus pour des valeurs de A t données par la relation Al = 2 n * 1 . c/AV p 2 On peut voir une explication de la variation du contraste en fonction de la cohérence en ce que les largeurs des bandes (f de la figure d'interférence dépendent de la fréquence V du rayonnement produit. Du fait des faisceaux de rayons incli-20 nés 10, 11 qui se superposent sur le corps réflecteur diffusant 12, il se forme, pour la fréquence une figure d'interférence avec des bandes de largeur , et, pour la fréquence V 2 ^e figure d'interférence avec des bandes de largeur 2» Pour les points où A (/ = n.c/ aV5 les maxima des deux images 25 coïncident, et c'est ainsi qu'il se forme des taches avec un maximum de contraste. Aux points où A £ « 2n + 1 ^ c/ A V , 2 les figures sont décalées entre elles de la moitié de la largeur d'une bande, de sorte que, pour chaque longueur d'onde, on a des figures tachetées différentes, ce qui se traduit par 30 un empiétement entre les figures et par une atténuation du contraste. Lorsque le nombre des fréquences pour une même ligne de laser est plus grand que deux, il se produit de même une superposition de plusieurs figures tachetées différentes. Le contraste est donc prononcé pour des différences de cheminement 35 4V v C Le dispositif représenté sur la figure 1 peut servir par exemple pour l'étude d'un laser à ions d'argon, dans lequel la largeur de la bande de fréquence A Vse situe vers àV^ 3.10^ Hz. 72 05717 5 2126238 La différence de cheminement pour laquelle apparaît le premier minimum de contraste est alors A-t ^£cm. Avec des angles d'incidence moyens ^ 2 = Pour ^es faisceaux divergents 10, 11, inclinés l'un par rapport à l'autre, on prendra avantageusement, 5 pour le corps réflecteur diffusant 12, une dimension linéaire maximale L (Fig. 2), supérieure à quelque 20 cm. La divergence des faisceaux peut être, par exemple, de quelque 45°, la distance entre les lentilles 8, 9 et le corps 12, par exemple, de quelque 20 cm. Si le laser émet sur deux lentilles discrètes, 10 et qu'ainsi les "bandes se répartissent périodiquement sur la surface du corps 12, avec la valeur indiquée pour L, on peut alors distinguer au moins deux maximums de contraste (13, 14, 15). Pour améliorer la visibilité du contraste des taches, 15 outre le champ 16 (Fig. 2) qui est éclairé avec deux faisceaux lumineux divergents 10, 11 inclinés l'un par rapport à l'autre, de la manière représentée sur la fig. 1, on a prévu à la surface du corps 12 encore un autre champ 17, qui ne reçoit sa lumière que d'une seule source. Il est commode, pour obtenir le 20 champ 17, d'occulter à l'aide d'un masque convenable, la partie supérieure de l'un des faisceaux 10, 11, de manière que seul le faisceau 10 ou le faisceau 11 éclaire le champ 17. Comme il ne peut alors se produire dans le champ 17 aucune variation de contraste du type décrit ci-dessus, on peut facilement apprécier 25 la qualité de la cohérence de la lumière laser en examinant si le contraste des figures formées par des taches est, sur toute la surface du corps 12, le même que dans le champ 17, ou bien si l'on observe des minimums de contraste. Dans le premier cas, le rayonnement laser a une fréquence pure, c'est-à-dire qu'il 30 est rigoureusement cohérent, dans le deuxième cas il ne l'est pas. Il faut mentionner encore que les minima de contraste n'apparaissent avec une répartition régulière que si le laser émet sur deux ou plusieurs lignes discrètes. Si, par contre, le 35 spectre des fréquences est continu, à partir d'un maximum pour 4 i = 0, le contraste décroît d'une manière continue jusqu'à un minimum. Là aussi, cependant, la largeur b des bandes de fort contraste reste liée à la longueur de cohérence 1 par la for-40 mule mentionnée ci-dessus. Pour la détermination directe de la 72 05717 6 2126238 longueur de cohérence 1 = c/ A V , en mesurant la largeur b de la bande de fort contraste, on a prévu sur le corps diffusant 12 une échelle 24, que 1*observateur 18 peut voir en même temps que la surface éclairée du corps 12. 5 Sur la figure 3, on a représenté un dispositif qui est avantageusement utilisé lorsque les écarts escomptés entre les fréquences sont de l'ordre de à = 10® à 10^ Hz. Ceci est le cas, par exemple, pour le laser à l'héliu* et au néon. Pour qu'une bande de fort contraste apparaisse toute entière sur le 10 corps 12, il faudrait que sa dimension maximale L, dans le sens de la longueur, soit de l'ordre de 1 m. Pour éviter cela, on a prévu Tin prisme triple 19, qui peut être déplacé par exemple dans la position 19'. On modifie ainsi le cheminement des rayons du faisceau 4-10; on fait alors varier de même les différences 15 entre les cheminements A £ des rayons qui arrivent sur un même point du corps 12, de sorte que les bandes de contraste maximal ou de contraste minimal se déplacent à la surface du corps 12 lorsque l'on déplace le prisme triple 19. Comme on peut le voir, un déplacement du triple prisme 19 sur une distance s, de la ma-20 nière indiquée, entraîne une modification de la longueur du cheminement A.£= 2s. En repliant plusieurs fois le cheminement optique sur lui-même, ainsi par exemple en disposant plusieurs réflecteurs, avec un même déplacement mécanique s on peut obtenir une modification de cheminement optique A V plusieurs fois plus 25 grande. Au lieu du miroir unique 6 de la figure 1, dans la forme de réalisation de la figure 3 on a prévu deux miroirs 6a et 6b. Pour la mesure du déplacement s du triple prisme 19» ou d'autres réflecteurs éventuels, afin de déterminer la différence de cheminement À b et, ainsi, la longueur de cohérence 1 , on a prévu 30 ici une échelle 25. Sur la figure 4, les faisceaux partiels 4, 5» qui peuvent être engendrés de la même manière que sur la figure 1 ou 3» sont épanouis sur deux autres corps réflecteurs diffusants 20, 21, par exemple des surfaces métalliques peintes en blanc mat ou 35 des papiers blancs, qui les renvoient sur le corps 12. Avec cette disposition, on fait l'économie des éléments optiques clairs 6, 6a, 6b, 7, 8 et 9» Le corps 12 est éclairé par les faisceaux 22, 23. L'effet à observer est le même qu'avec les dispositifs selon les figures 1 et 3. 72 05717 7 2126238 Il résulte aussi du dernier exemple cité que, pour le résultat cherché selon l'invention, dans les limites des précisions recherchées, il est sans importance que le corps réflecteur diffusant soit éclairé avec des faisceaux de lumière parallèles ou divergents. 72 05717 8 2126238 REVENDICATIONS 1. Procédé pour l'étude d'un rayonnement lumineux quant à sa cohérence, caractérisée en ce que des faisceaux lumineux (10, 11; 22, 23 du rayonnement lumineux qu'il s'agit d'étudier sont superposés sur un corps réflecteur diffusant (12), et qu'entre 5 les rayons qui aboutissent sur un même point (13) par exemple du corps réflecteur diffusant (12), on introduit des différences de cheminement Ab , dont les valeurs sont comprises dans un domaine allant au moins de 0 à c/2 àY , c étant la vitesse de la lumière et à nT la largeur de la bande de fréquences 10 du rayonnement à l'intérieur de laquelle on veut effectuer 1'étude. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisée en ce que, sur le corps réflecteur diffusant (12), on engendre des différences de cheminement variant selon le point considéré de 15 la surface de ce corps, dans un domaine allant au moins de zéro à c/2 à . 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisée en ce que, sur le corps réflecteur diffusant (12), on engendre des différences de cheminement variables en fonction du temps dans 20 un domaine allant au moins de zéro à c/2 4. Procédé selon la revendication 3 caractérisée en ce que les différences de cheminement, variables en fonction du temps à la surface du corps réflecteur diffusant (12) sont aussi rendues variables en fonction du point considéré à la 25 surface de ce corps. 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 2 ou 4, dans lequel le rayonnement lumineux qu'il s'agit d'étudier est le faisceau lumineux d'un laser, caractérisé en ce que des moyens (6, 6a, 6b, 7» 20, 21) sont 30 prévus, à l'aide desquels on projette sur le corps réflecteur diffusant (12), deux faisceaux partiels (10, 11; 22, 23) du faisceau de lumière laser (2), inclinés l'un par rapport à l'autre, et qu'un système optique d'observation (18) est asso-^ cié au corps (12) ainsi éclairé. 35 6. Dispositif selon la revendication 5» caractérisé en ce que, pour la formation et le guidage des faisceaux partiels (10, 11), on prévoit des éléments optiques clairs (3, 6, 6a, 7, 8, 9). 72 05717 9 2126238 7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que le faisceau lumineux laser (l) est scindé au moyen d'un diviseur de rayon optique (3) en deux faisceaux partiels (4-, 5) d'intensités égales de préférence, et en ce que les deux fais- 5 ceaux partiels (4, 5) sont projetés sur le corps réflecteur diffusant (12) au moyen de miroirs déflecteurs (6, 6a, 6"b, 7) et de lentilles (8, 9); 8. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que les deux faisceaux partiels (22, 23) sont projetés sur le 10 corps réflecteur diffusant (12) au moyen de deux autres corps réflecteurs diffusants (20, 21). 9. Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que les faisceaux partiels (10, 11) sont inclinés l'un par rapport à l'autre et épanouis de telle manière que la surface 15 de préférence plane du corps réflecteur diffusant, dont l'étendue maximale (L) dans le sens de la longueur est au' moins égale à c/24Y\ mais est de préférence supérieure à 2c/.d , soit entièrement éclairée par les deux faisceaux partiels (10, 11). 10. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en 20 ce que, pour engendrer les différences de cheminement nécessaires dans le trajet de l'un des faisceaux partiels (4), il est prévu au moins tin réflecteur, de préférence un triple prisme (19)» dont le déplacement permet de faire varier la distance parcourue par le faisceau partiel (4, 10) pour arriver jusqu'au corps 25 réflecteur diffusant (12). 11. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce qu'en plus du premier champ (16) éclairé avec les deux rayons partiels superposés (10, 11; 22, 23)» on prévoit, sur le corps réflecteur diffusant (12) un deuxième champ (17)» 30 de préférence adjacent au premier, qui n'est éclairé que par un seul faisceau lumineux. 12. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 11, caractérisé en ce que la surface éclairée du corps réflecteur diffusant (12) est équipée d'une échelle (24) visible par le 35 système d'observation (18) en même temps que cette surface, et mesurant les dimensions de celle-ci. 13. Dispositif selon l'une des revendications 10, 11 ou 12, caractérisé en ce qu'une échelle de mesure (25) est associée au réflecteur mobile (19) pour mesurer les déplacements de celui-ci.