Brevet FR2177475A1 — publié le 19731109

L'invention est relative aux dispositifs dits " séparateurs de faisceaux " au moyen desquels on obtient, par division du flux transporté par un faisceau lumineux, deux faisceaux ou composantes destinés en général à interférer après avoir suivi des chemins optiques différents. Elle concerne aussi les appareils interférométriques équipés de tels séparateurs de faisceaux et particulièrement les vélocimètres interférentiels, c'est-à-dire les appareils qui mesurent la valeur d'au moins une composante de vitesse d'éléments de paroi solide ou d'éléments de veine fluide transportant des particules diffusantes en utilisant l'analyse de fréquence de la lumière diffusée ou rétrodiffusée par lesdits éléments sur ou dans lesquels on forme des franges d'interférence. I1 est parfois souhaitable de former dans un meme plan de mesure des réseaux de franges d'orientation différente, par exemple en faisant pivoter le plan déterminé par les faisceaux interférents. C'est le cas en vélocimétrie interférentielle, lorsque l'on désire connattre deux composantes du vecteur vitesse. Avec les dispositifs séparateurs de l'art antérieur, on ne peut obtenir le pivotement du plan de faisceaux qu'en imposant une rotation à l'ensemble des éléments optiques constitutifs. Or, s'agissant d'une méthode interférométrique, les positions relatives desdits éléments optiques doivent demeurer rigoureusement constantes malgré le pivotement. Pour éviter les déformations nuisibles, et les reprises de réglages, on est obligé de conférer aux éléments dé support, et en particulier aux bâtis, des dimensions et des masses élevées qui rendent les dispositifs de l'art antérieur lourds, encombrants,coûteux et peu maniables.En outre, la dur zée de l'opération de pivotement n'est pas négligeable et la précision des mesures en est affectée si les vitesses à mesurer sont rapidement variables. L'invention a pour objet de fournir un dispositif séparateur de faisceaux en deux composantes parallèles ou convergentes qui permet d'obtenir le changement d'orientation du réseau de franges par le déplacement d'un seul élément optique, tous les autres éléments demeurant immobiles et solidaires d'un bâti fixe et relativement léger. L'opération de rotation est rapide et ntentraine aucun déréglage. Le dispositif de l'invention s'applique à tous les cas où l'on désire faire converger deux faisceaux dans des plans successifs différents mais convient particulièrement bien aux appareils de vélocimétrie interférentielle avec lesquels il devient ainsi possible de déterminer simplement et rapidement le module et la direction de deux composantes de vitesse. Un autre objet de l'invention est donc de fournir un appareil de vélocimétrie interférentielle qui permette, par la manoeuvre d'un seul élément optique, de mesurer successivement deux composantes de vitesse. Le dispositif de division de faisceau lumineux selon l'invention, destiné à Séparer en deux composantes coplanaires le flux du faisceau émis par une source lumineuse, et notamment le flux d'un faisceau laser, comprend - un dispositif diviseur de flux du genre connu qui décompose le faisceau en deux composantes divergentes dénommées respectivement ci-après première et deuxième composantes, - un premier miroir fixe disposé sur le trajet de la première composante et qui la réfléchit dans une direction déterminée, - un réflecteur mobile capable d'occuper deux positions sur le trajet de la deuxième composante, positions dans lesquelles il réfléchit une première fois la deuxième composante dans l'une ou l'autre de deux directions déterminées, - un deuxième et un troisième miroirs fixes respectivement disposés sur les trajets des susdites directions déterminées et respectivement orientés de telle sorte qu'ils réfléchissent une deuxième fois la deuxième composante dans l'une ou l'autre de deux autres directions déterminées qui sont coplanaires c'est-à-dire parallèles ou concourantes avec la direction de la première composante réfléchie par le premier miroir fixe. On va maintenant décrire deux exemples de réalisation du dispositif séparateur de faisceaux de l'invention en se référant aux figures suivantes - la figure 1, qui est un schéma optique d'une forme de réalisation d'un séparateur de faisceaux de l'invention, - la figure 2, qui est un schéma optique d'un vélocimètre à rétrodiffusion axiale capable de mesurer deux composantes de vitesse et équipé d'une variante du séparateur de faisceaux de l'invention. Dans le dispositif de la figure 1, le laser I émet un faisceau lumineux f dont une lame semi-réfléchissante fixe 2 donne deux composantes, par exemple une composante réfléchie a et une composante transmise b. La composante a est réfléchie vers le point P par le miroir fixe 3. Le miroir pivotant 4, dont la rotation est limitée par des butées non représentées, réfléchit la composante b soit vers un miroir fixe 51 lorsqu'il occupe la position de figure 41, soit vers un miroir fixe 52 lorsqu'il occupe la position 42, les deux directions de réflexion possible de la composante b étant alors repérées par les symboles de figure bi et b2. Lesdits miroirs 51 et 52 réfléchissent ladite composante bl ou b2 dans la direction du point P. Il suffit donc d'une unique manoeuvre d'un seul élément optique, ici le miroir 4, pour faire interférer la composante fixe a avec deux directions différentes de la composante b, c'est-à-dire pour créer des plans d'interférences différents. La figure 2 représente un vélocimètre interférentiel de conception voisine de celui à rétrodiffusion axiale décrit dans la demande de brevet fran çais enregistrée le 2 décembre 1971 sous le numéro 71 43 216., mais qui en diffère du fait qu'il est équipé d'un dispositif séparateur de faisceaux selon l'invention qui permet la mesure des composantes de vitesse dans deux directions perpendiculaires. Le séparateur de faisceaux de la figure 2 diffère de celui de la figure 1 par les dispositions suivantes - le miroir rotatif 4 est remplacé par un prisme 6 à faces réfléchissantes 7 et 8, mobile en translation et pouvant occuper en butée, soit une position 61 dans laquelle la composante b est réfléchie vers le miroir 51 par la face 7, soit une position 62 dans laquelle la composante b est réfléchie vers le miroir 52 par la face 8, - les divers dispositifs réflecteurs sont tous orientés de telle sorte que les directions de réflexion soient respectivement perpendiculaires aux directions d'incidences, - les distances d'axes Eb, bbl, bb bl et b2 étant tels que réfléchis par les miroirs 51 et 52, sont rigoureusement égales. Les chemins optiques des composantes a et b, quel que soit le trajet de la composante b, sont donc rigoureusement égaux ce qui permet d'obtenir un contraste maximal des franges. Dans un miroir oblique 7 sont ménagés des orifices 8 pour le passage des composantes qu'un objectif 9 fait converger au point P, qui symbolise l'élément de paroi solide ou de veine fluide diffusante qui est le siège de la mesure. La lumière rétrodiffusée par l'élément, représentée sur la figure 2 par des flèches empennées est reprise par l'objectif 9 puis réfléchie par le miroir 7 vers l'objectif 11 qui la concentre sur le photomultiplicateur 12. L'appareil de la figure 2 permet, par la seule manoeuvre du prisme 6, de faire interférer la composante a et la composante b dans deux plans successifs orthogonaux et de mesurer par conséquent deux çomposantes perpendiculaires de la projection dans le plan d'interférence du vecteur vitesse de l'élément P. On notera que, lorsque le dispositif de l'invention est utilisé en interférométrie, le contraste maximal des franges est obtenu lorsque les trois conditions suivantes sont réalisées simultanément - le laser 1 donne un faisceau de lumière à polarisation linéaire, - le laser 1 est orienté de telle sorte que le plan de polarisation soit paral lèle ou orthogonal au plan d'incidence de la lame semi-réfléchissante 2, - le coefficient de réflexion de ladite lame 2 est, pour l'une de ces directions de polarisation, de 50 %. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour diviser un faisceau lumineux en deux composantes coplanaires et comportant un diviseur de flux du genre connu pour décomposer le faisceau en deux composantes divergentes dénommées ci-après première et deuxième composante ainsi qu'un premier miroir fixe disposé sur le trajet de la première composantè pour la réfléchir dans une direction déterminée, caractérisée en ce qu'il comporte en outre - un dispositif réflecteur mobile disposé sur le trajet de la deuxième composante et capable d'occuper deux positions dans lesquelles il réfléchit une première fois la deuxième composante dans l'une ou l'autre de deux directions déterminées, - un deuxième et un troisième miroirs fixes respectivement disposés sur les trajets des susdites directions et respectivement orientés de telle sorte qu'ils réfléchissent une deuxième fois la deuxième composante dans l'une ou l'autre de deux directions déterminées coplanaires avec la direction de réflexion de la première composante. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif réflecteur mobile est un miroir pivotant. 3 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif réflecteur mobile est un prisme à deux faces réfléchissantes mobile en translation. 4 - Vélocimètre interférentiel caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif diviseur de faisceaux selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.