Brevet FR2229986A1 — publié le 19741213

La présente invention a pour objet un analyseur de polarisation ou un polariseur et plus particulièrement un analyseur de polarisation pour ondes hyperfréquences. On sait que pour obtenir une onde réfléchie polarisée rectilignement, on utilise un dioptre de milieux non absorbants sur lequel on fait tomber une onde incidente sous l'angle de Brewster, c'est-à-dire que l'onde incidente produit une onde réfléchie qui est perpendiculaire à l'onde réfractée dans le dioptre. L'angle de Brewster i B est tel que tg i3 B où N2 et NI sont les indices absolus des milieux séparés par le dioptre. Les polariseurs ou analyseurs utilisant la loi de Brewster comportent généralement un dioptre constitué par une lame à faces parallèles unique ou par une pile de lames à faces parallèles séparées par une distance 4. - Toutefois ces polari- seurs ou analyseurs présentent de nombreux inconvénients. En effet, l'on-de incidente élliptique comprend deux composantes perpendiculaires. Or, lorsque cette onde incidente tombe sur un dioptre non absorbant sous l'angle de Brewster il y a une onde réfléchie qui ne comprend pratiquement qu'une composante rectiligne perpendiculaire au plan d'incidence c'està-dire parallèle au dioptre, et une onde réfractée élliptique qui comprend les deux composantes de l'onde incidente. Mais quand cette onde réfractée arrive sur la deuxième face du dioptre elle joue le rible d'onde incidente pour la deuxième face du dioptre et il se produit alors une onde réfléchie et une onde réfractée qui sort du dioptre.De ce fait, il se produit des réflexions multiples sur les deux faces à l'intérieur du dioptre et des ondes réfractées qui interfèrent entre elles et qui sont susceptibles de diminuer la luminosité de l'onde réfléchie produite par l'onde incidente initiale. A cela, il faut ajouter les phénomènes de résonances dans la lame ou les lames suivant que le dioptre est constitué par une ou plusieurs lames à faces parallèles. Enfin, il faut préciser que tous ces polariseurs ou analyseurs sont à bande étroite c'est-à-dire ne sont utilisés que pour des gammes de fréquences très étroites puisque l'épais- seur de la lame ou l'intervalle entre les lames sont liés directement à la longueur d'onde utilisée. Pour remédier à ces inconvénients, on a proposé, en hyperfréquences, d'utiliser des analyseurs à grille ou des dispositifs connus sous les dénominations " Diplexers fin-line" ou "TURNSTILES". Mais ou pour des raisons mécaniques ils ne sont pas réalisables dans les domaines millimétriques et submillimétriques ou ils présentent des résonances dimensionnelles variables avec la puissance, ce qui limite la précision. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients précités et de proposer un analyseur ou polariseur à un seul dioptre et qui permettent d'analyser les deux composantes d'une onde incidente, par exemple élliptique, par l'obtention d'une vibration réfléchie, polarisée rectilignement, ayant la plus grande intensïté possible et d'une vibration réfractée la moins élliptique possible. A cet effet, l'analyseur qui est du type comportant un corps non absorbant sur lequel tombe une onde élliptique produite par une source extérieure et sous un angle d'incidence tel que l'onde réfléchie soit perpendiculaire à l'onde réfractée par ledit corps, est caractérisé en ce qu'au moins un des dioptres est recouvert par une couche antiréfléchissante. Du fait de l'adaptation du dioptre par la couche antiréfléchissante, on évite les réflexions multiples et les phénomènes d'interférences-de l'onde réfractée par le dioptre utile. Selon une autre caractéristique, la couche antiréfléchissante est disposée sur le dioptre non utile de façon que l'onde réfractée soit transmise dans sa presque totalité et que l'onde réfléchie ne comporte qu'une partie proportion nelle de l'énergie de la composante rectiligne parallèle au dioptre de l'onde incidente. Selon une autre caractéristique, le dioptre non utile est disposé perpendiculairement à irone réfractée par le dioptre utile, ce qui permet d'avoir une onde réfractée élliptique qui sort sous une incidence normale et donc sans déformation, d'où la possibilité de la traiter par un autre analyseur dans le but d'en extraire une des composantes que l'on veut, par exemple la composante perpendiculaire à la direction rectiligne analysée par le premier analyseur. Selon une autre caractéristique, la couche antiréfléchissante est disposée sur le dioptre d'entrée qui joue dans ce cas le roule dioptre non utile ; de préférence on utilise un prisme présentant une face d'entrée normale à l'onde incidente en vue d'éviter la déformation de cette onde à l'entrée, l'éventuelle perte d'énergie étant évitée par la couche anti-réfléchissante. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront à la lecture de la description donnée ci-dessous à titre indicatif mais non limitatif des modes de réalisation de l'invention ainsi que du dessin annexé sur lequel La fig I est une représentation schématique d'un analyseur selon un mode de réalisation de l'invention. La fig 2 est une représentation schématique selon un autre mode de réalisation de l'invention. Les fig 3 et 4 sont des représentations schématiques selon d'autres modes de réalisation. La fig 6 est une vue schématique de l'analyseur suivant la fig 2 incorporé dans des guides d'ondes surdimensionnés. L'analyseur représenté à la fig I comprend un corps constitué par une seule lame à faces parallèles I dont le dioptre utile 2 reçoit une onde élliptique incidente 3 qui peut se décomposer en deux vibrations perpendiculaires dont l'une est parallèle au dioptre utile 2. Cette onde incidente 3 tombant sur le dioptre utile 2 sous l'angle de Brewster iB I produit une onde réfléchie 4 et une onde réfractée 5. Le dioptre non utile 6 de la lame I est adapté c'est-à-dire qu'il présente une couche anti-réfléchissante de façon que l'onde réfractée 5 donne naissance à une onde de sortie 7 de même nature et dont les composantes sont très légèrement déphasées. Cette adaptation du dioptre non utile 6 permet alors d'annuler en majorité les réflexions multiples. Selon un autre mode de réalisation représenté à la fig 2, l'analyseur comprend un prisme 8 d'incidence N2 I,9573 et de coéfficient de réflexion 0,35 conforme à la formule dont la face de sortie IO constituant le dioptre non utile est adaptée et disposée de préférence normale à l'onde réfractée 13. Considérons une onde incidente élliptique 11, polarisée à 45 du plan d'incidence, se propageant suivant la direction RI et faisant avec la normale en I à la face d'entrée 9 l'angle de Brewster i3 soit 620N56' dans l'exemple choisi. Compte tenu du fait que, dans ce cas -- > I, l'angle du prisme est # - iB soit 27 04' NI 2 L'onde incidente II comprend des composantes E2I, parallèle au dioptre utile 9 et EII perpendiculaire à E2I. L'onde réfléchie en I fait également un angle de 62056' avec la normale en I à la face d'entrée et présente une seule composante E23 dont l'énergie est égale à environ I/3 de E2I , laquelle composante E23 est rectiligne et perpendiculaire au plan d'incidence, la composante E13 étant nulle. L'onde réfractée 13 se propage suivant la direction R2 perpendiculaire à la direction R3 de l'onde réfléchie 12. Cette onde réfractée I3 comprend deux composantes E22 et EI2 2 12 dont les énergies sont respectivement égales à environ 3 E21 et 3 EII. Lorsque la face de sortie IO, normale à la direction R2 est parfaitement adaptée, l'onde réfractée sort intégralement du prisme. Lorsque cette face est mal adaptée, on peut constater que ni la polarisation ni l'intensité de l'onde réfléchie I2 ne sont modifiées. En effet, slil y a réflexion partielle de l'onde réfractée 13 sur la face de sortie IO, une partie de l'énergie revient et arrive en I sur la face d'entrée 9 sous incidence Brewstérienne. L'onde réfractée élliptique due à cette réflexion partielle revient vers la source et l'onde réfléchie polarisée suivant E24 poursuit sa propagation dans la direction R4, ladite composante E24 étant facilement éliminable. A l'aide d'un prisme d'angle au sommet égal à 270O4i de hauteur 25mm, d'indice N= I, 9573, et réalisé dans un matériau présentant un facteur de réflexion brewstérienne de l'ordre de 0,35, plusieurs mesures ont été réalisées. C'est ainsi que pour la radiation 5.46I A du mercure, on a trouvé b = E13 que le rapport a E23 de la vibration se propageant suivant R3 a E23 est inférieur à 1/1000. Pour les radiations 4.358 A et 4.047 A, les indices étant respectivement 2,ou00 et 2.0377, on a mesuré que la composante réfléchie E23 est toujours polarisée rectilignement 23b et présente un rapport - toujours inférieur à I/IOOO. a De même, toujours avec le prisme défini ci-dessus, les expériences réalisées dans l'infra-rouge avec les longueurs d'ondes I,I29 et I,530 pour lesquelles les indices sont respectivement I,8995 et I,8896 ont confirmé que la composante E23 réfléchie suivant la direction R3 est rectiligne. On constate alors que l'analyseur est à large bande qui est fonction du-matériau utilisé et de l'adaptation réalisée ; en pratique, on choisit un matériau de fort indice relatif et une adaptation pour la bande de fréquences prévue de façon à avoir le maximum d'énergie transmise et le maximum d'énergie réfléchie. Suivant d'autres modes de réalisation représentés aux fig 3 et 4, utilisés dans le cas où N2 NI non utile d'entrée I4a qui est adapté lorsque l'analyseur est constitué par une seule lame à face parallèle I4, l'onde incidente I4b dans la lame tombant sous l'incidence brewstérienne i'B et donnant naissance à une onde réfléchie I4c ne comprenant que l'énergie de la composante parallèle au dioptre et une onde réfractée I4d élliptique comprenant les deux composantes et constituant tonde de sortie. Dans le cas où N2 I5a et I5b sont adaptées, l'incidence brewstérienne se faisant sur la base I5c. Des mesures effectuées au moyen d'un tel prisme d'angle au sommet I24 I4' et pour la radiation I,53 + 1,8896), ont montré que la composante réfléchie est rectiligne avec un rapport des axes - Les analyseurs décrits ci-dessus montrent qu'il est possible d'extraire d'une onde élliptique une composante rectiligne, l'onde réfractée étant élliptique. Pour obtenir une onde rectiligne suivant une direction orthogonale à la précédente, ce qui permet de faire l'analyse complète de l'onde incidente élliptique, on associe par exemple à la lame prismatique de la fig 2, une seconde lame prismatique ayant sa face de sortie adaptée mais dont l'arête est orthogonale à l'arête de la première lame prismatique.De préférence à l'utilisation d'un dispositif constitué par l'association de deux lames prismatiques analogues à celle de la fig 2, on utilise le dispositif représenté à la fig 5, qui est constitué par deux prismesI6 et 17 d'angles au sommet égaux respectivement à 270O4i et 1250 52', une face de chacun desdits prismes étant accolée de sorte que leurs arènes 18 et 19 soient perpendiculaires. Il va de soi qu'un tel analyseur est avantageusement constitué par un bloc taillé convenablement. Dans le cas d'un collage, on choisit bien évidemment une colle de meme indice. Dans les deux cas, on constate qu'une seule face est à adapter. En effet, à une onde incidente 20 polarisée à 450 du plan d'incidence correspondent deux ondes réfléchies se propageant suivant les directions RI et R2, l'onde réfléchie suivant R2 étant due à l'onde réfractée 21 jouant le rle d'onde incidente pour le prisme I7 tandis que l'onde réfractée 22 par la base dudit prisme I7 sort du bloc suivant la direction R. Pour la radiation 5.46I A, on a observé que les composantes suivant les directions RI et R sont polarisées 2 rectilignement suivant deux directions orthogonales et présentant chacune un rapport Ainsi donc il est possible de faire l'analyse complète d'une onde incidente élliptique aussi bien en infrarouge, en visible, qu'en ultra-violet, puisqu'on peut déterminer expérimentalement la relation de phase et le coéfficient de proportionnalite entre l'énergie transmise suivant la direction RI ou R2 et l'énergie incidente dans l'azimut correspondant. Dans le domaine des hyperfréquences, on vérifie de façon analogue, que suivant l'indice du matériau ou de sa constante diélectrique 8 , le facteur de réflexion varie et sous incidence brewstérienne, la vibration réfléchie est polarisée rectilignement. Comme le choix des matériaux à fort indice ou à forte constante diélectrique est grand, on peut avoir des facteurs de réflexion très importants ce qui augmente la luminosité de l'analyseur. Dans un matériau diffusé sous la dénomi nation "L.T.T." dont la constante diélectrique = 9, d 'indice absolu N=3 et tg= 2.IO (g=angle de perte), on a réalisé un prisme analogue à celui de la fig 2 et présentant un facteur de réflexion brewstérienne 0,64, l'angle au sommet étant de I80.Le dioptre a été adapté par une lame quart d'onde de constante diélectrique 8 = 3 pour une fréquence de 70 GHz. Une mesure faite à l'air libre avec un tel prisme a permis d'obtenir pour une onde incidente polarisée à 450, une onde réfléchie telle que b I -et une onde réfractée élliptique, ce qui est très supéa Ï6 rieur à ce qu'on avait obtenu avec les analyseurs de l'art antérieur. Pour éviter les difficultés de la propagation à l'air libre, il est souhaitable, notamment dans le domaine millimétrique, d'utiliser des guides d'ondes surdimensionnés connus en soi. On a représenté en coupe, à la fig 6 un analyseur complet comprenant les guides d'ondes surdimensionnés associés à l'organe de l'analyseur proprement dit et constitué par un prisme du type de celui de la fig 2 où > I, étant entendu qu'un montage analogue peut Btre réaAiséIpar exemple pour le 2 prisme de la fig 4 qui correspond à N L'analyseur comprend trois bras 23 à 25 servant de guides respectivement à l'onde incidente, l'onde réfléchie et l'onde réfractée, les guides d'ondes étant rectangulaires ou carrés avec éventuellement des passages circulaires, la nature de ces guides étant représentée sur la fig 6 par des rectangles des carrés ou des cercles. Dans le bras 23, on a prévu une transition de guides rectangulairestandard-rectangulairesurdimensionné; dans la bande considérée, le guide rectangulairestandard ne permet de propager que l'onde polarisée perpendiculairement au grand cté du guide.Entre le guide rectangulairesurdimensionné et le guide carré 23a on interpose un guide circulaire 23b muni d'un joint tournant 26 et dans lequel sont disposés une lame de polarisation constituée par une lame de mica revêtue d'une couche conductrice déposée sous vide, et un filtre de mode, la lame de polarisation et le filtre de mode ayant pour but respectivement d'absorber la composante indésirable d'une onde élliptique éventuelle et d'éviter la création de modes parasites. Toute cette partie du bras 23 disposée avant le guide carré n'est pas indispensable et elle n'a été réalisée qu'en vue de l'obtention d'une vibration polarisée rectilignement afin de tester l'analyseur proprement dit. Les bras 24 et 25 sont constitués par des guides carrés et rectangulaires avec insertions de lames de polarisation et de filtre de mode analogue à ceux du bras 23 et comportent chacun à leur extrémité de sortie un détecteur 27 constitué par un détecteur à diode ou bolomètre. Le bras 24 comporte un guide de transition 24a dans lequel est disposé un prisme muni de sa face adaptée. Les bras 23 à 25 sont disposés de façon que tonde incidente tombe en I sous l'angle de Brewster et sont munis de brides 28 permettant leur démontage pour la mise en place du prisme de mesure. Il va de soi que tous les guides d'ondes peuvent être constitués par des guides circulaires ou une juxtaposition de guides circulaires, carrés et rectangulaires judicieusement choisis. Dans l'hypothèse où les guides surdimensionnés sont carrés, le corps non absorbant tel que le prisme représenté à la fig 2, est placé dans une transition rectangulaire-carré. Dans l'hypothèse où les guides surdimensionnés sont circulaires, le corps non absorbant est disposé dans une transition élliptique-circulaire. L'analyseur décrit à l'appui de la fig.6 est destiné à recevoir un corps non absorbant tel que la lame prismatique de la fig.2. En ce qui concerne la lame prismatique représentée à la fig.4, on place ladite lame prismatique dans une fonction de guide carré ou circulaire, les angles étant judicieu sement choisis. On voit donc que, grace à l'invention, on peut réaliser des analyseurs de polarisation utilisables en hyperfréquences soit à l'air libre soit en guides surdimensionnés, lesquels analyseurs ne comportant qu'un seul dioptre utile. Dans tout ce qui précède, l'adaptation a été réalisée au moyen d'une couche antiréfléchissante ou par adjonction d'une lame quart d'onde ou par un autre moyen approprié tel qu'une variation progressive de la constante diélectrique ou un empilement de lames quart d'onde et ce, en fonction de la bande de fréquence considérée et de la nature du matériau du dioptre. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus mais en couvre au contraire toutes les variantes. De même, les applications dans les domaines millimétriques, submillimétriques et infra-rouge peuvent être étendues aux analyses polarimétriques dans les plasmas qui nécessitent des analyseurs précis et sensibles en infra-rouge et en submillimétrique. REVENDICATIONS I. Analyseur de polarisation du type comportant un corps non absorbant ou faiblement absorbant comprenant deux dioptres dont l'un reçoit une onde incidente produite par une source extérieure et sous un angle d'incidence tel que l'onde réfléchie soit perpendiculaire à l'onde réfractée, caractérisé en ce qu'au moins un des dioptres est revêtu d'une couche antiréfléchissante. 2. Analyseur de polarisation selon la revendication I, caractérisé en ce que la couche antiréfléchissante est disposée sur le dioptre recevant l'onde réfractée. 3. Analyseur de polarisation selon la revendication I, caractérisé en ce que la couche antiréfléchissante est disposée sur le dioptre recevant l'onde incidente. 4. Analyseur de polarisation selon la revendication I, caractérisé en ce que le corps non absorbant est constitué par une lame prismatique dont l'angle au sommet est fonction de l'angle d'incidence de l'onde incidente et dont la face de sortie est munie de la couche antiréfléchissante, et en ce que ladite face de sortie est disposée perpendiculairement à l'onde réfractée. 5. Analyseur de polarisation selon la revendication I, du type dans lequel l'onde incidente se propage d'un milieu de fort indice absolu vers un milieu de plus faible indice absolu, caractérisé en ce que le corps non absorbant est constitué par une lame prismatique dont les faces recevant ladite onde incidente et l'onde réfléchie sont revêtues d'une couche antiréfléchissante. 6. Analyseur de polarisation selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le corps non absorbant est constitué par deux prismes solidaires l'un de l'autre par une de leurs faces et dont les arêtes sont perpendiculaires. 7. Analyseur de polarisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'onde incidente se propage dans un guide surdimensionné. 8. Analyseur de polarisation selon l'une des revendications I à 6, caractérisé en ce que l'onde réfléchie se propage dans un guide d'une part comportant des transitions de guides dans au moins un desquels sont disposés au moins une lame de polarisation et un filtre de mode et, d'autre part, se terminant par un guide rectangulaire standard et un détecteur. 9. Analyseur de polarisation selon l'une des revendications I à 6 caractérisé en ce que l'onde réfractée se propage dans un guide d'une part, comportant des transitions de guides dans au moins un desquels sont disposés une lame de polarisation et un filtre de mode et, d'autre part, se terminant par un guide rectangulaire standard et un détecteur, et en ce que le corps non absorbant est disposé dans une transition rectangulaire-carré ou élliptique-circulaire.