Brevet FR2265113A1 — publié le 19751017

L'invention est relative aux dispositifs pour engendrer à partir d'un faisceau lumineux polarisé, dit faisceau primaire, deux faisceaux également polarises, dits faisceaux secondaires, et pour régler leurs intensités. Les dispositifs de l'invention sont avantageusement utilisables notamment en holographie pour créer les faisceaux cohérents d'éclairage de l'objet et de référence; Il existe évidemment déjà des dispositifs réalisés à cette fin; Comme on le verra par la suite, ils présentent chacun au moins l'un des inconvénients suivants : faible étendue des faisceaux, bande de longueurs d'onde passante restreinte, défaut de planéité des surfaces d'ondes, réglage d'intensité difficile ou peu précis, pertes importantes de lumière, etc... qui sont gênants en holographie et en particulier en holographie en temps réel, c'est-à-dire lorsque lton procède à ltexamen direct d'un objet au moyen d'un hologramme déjà réalisé en utilisant le meme montage. On sait que cette technique exige, lors de la prise de lthologrammeS un faisceau indiciel intense et un faisceau de référence peu lumineux et, lors de la restitution, un faisceau de référence très lumineux. En outre, les dispositifs de l'art antérieur qui conviennent le mieux sont très coûteux. L'objet de l'invention est de fournir un dispositif du genre précité qui soit economique, facile à manipuler et à régler qui admette et produise sans perte sensible de lumière des faisceaux détendue relativement grande et qui donne des faisceaux secondaires aux surfaces d'ondes très planes D'une manière générale, le dispositif de l'invention comporte des moyens pour engendrer à partir d'un faisceau de lumière à polarisation rectiligne, dit faisceau primaire, deux composantes défi- nissant des plans de polarisation orthogonaux entre eux, des moyens pour commander la valeur du rapport de ltintensité de ces deux composantes et des moyens pour engendrer à partir desdites composantes deux faisceaux polarisés dits faisceaux secondaires. Dans un premier mode de réalisation, la génération des composantes et la génération des faisceaux sont assurées au moyen dtun séparateur à au moins un prisme biréfringent et la commende du rapport de l'intensité des deux composantes est réalisée par rotation du plan de polarisation du faisceau primaire relativement aux plans principaux du séparateu#. Dans un deuxième mode de réalisation, la génération des composdntes est assurée par un dispositif déphaseur, du genre dit souvent compensateur, transformant la lumière polarisée rectiligne à polarisation du faisceau primaire en lumiere/elliptique; le réglage du rapport de l'intensité des composantes est réalisé en vagissant sur le déphaseur et la séparation est faite par un séparateur à au moins un prisme biréfringent. Pour expliquer le fonctionnement de ces modes de réalisation de l'invention et mettre en évidence leurs avantages, on aborde maintenant la description des dispositifs de l'art antérieur et de dispositifs réalisés conformément à l'invention en se référant aux figures annexées dont - les Figs. 1 et 2 sont des schémas de dispositifs de l'art antérieur;; - les Figs. 3 et 4 sont des schémas rappelant les propriétés de lames ou dispositifs demi-onde du genre connu pouvant être utilisés comme composants de l'invention - la Fig. 5 est un schéma illustrant les propriétés d'un dispositif déphaseur (compensateur) pouvant être avantageusement utilisé comme composant de l'invention - la Fig. 6 est un groupe de schémas rappelant les propriétés de séparateurs du genre connu pouvant être utilisés comme composants de l'invention - la Fig. 7 est un schéma d'exemple relatif au premier mode de réalisation de l'invention - la Fig. 8 est un schéma d'exemple relatif au deuxième mode de réalisation de l'invention. On se réfère d'abord à la Fig. 1, relative, comme on l'a dit, à un dispositif de séparation et de réglage d'intensité de faisceaux de l'art antérieur. Le faisceau a issu de la source s, qui peut être aussi bien une source de-lumière polarisée qu'une source de lumière naturelle, est divisé en deux composantes b et c par une lame semi-réfléchissante 12. L'intensité de la composante transmise b est réglée par un coin optique 13 dont on peut commander la translation dans la direction du gradient des densités. L'intensité de la composante réfléchie c, réfléchie si besoin est par un réflecteur 14, est réglée de façon analogue par un coin optique 15. Les pertes de lumière sont importantes. En raison des gradients de densité des coins, la section des faisceaux qu'ils transmettent est affectée d'un gradient de luminance fort gênant, à moins d'utiliser des coins compensateurs qui augmentent encore les pertes de lumière. Le dispositif 21 de l'art antérieur selon la Fig. 2 ne présente pas ces inconvénients. Le faisceau a de la source s, qui peut être constitué de lumière naturelle, frappe obliquement une lame semi-réfléchissante circulaire 22 pouvant pivoter autour de son axe. La lame semi-réfléchissanteest constitue par une suite de secteurs 23 ayant chacun un coefficient de réflexion de valeur déterminée progressant en échelons d'un secteur au suivant et dont le coefficient de transmission varie évidemment en sens inverse. La somme des luminosités du faisceau transmis b et du faisceau réfléchi c est égale, aux pertes par absorption et réflexion pros, à la luminosité du faisceau incident a. Le rendement lumineux est donc très bon. Mais la direction du faisceau c est très sensible aux erreurs de perpendicularité de la lame 22 par rapport à son axe de rotation.En outre, le réglage de~luminosité ne peut s'effectuer que par valeurs discrWtes. La lame est fragile ; elle est coûteuse surtout si on lui donne le grand diamètre nécessaire pour lui permettre de traiter des faisceaux de section notable. Avant d'aborder la description de dispositifs réalisés selon l'invention, on va rappeler maintenant les propriétés de certains éléments optiques biréfringents bien connus des spécialistes et dont l'usage est courant dans les techniques utilisant la lumière polarisée (polarimétrie, photo-élasticimétrie, etc...) mais dans des buts très différents de ceux de l'invention. La Fig. 3 représente une lame demi-onde 31. Une source P de lumière polarisée donne un faisceau à polarisation rectiligne dans le plan symbolisé par la flèche p1 qui frappe normalement la lame 31. On sait que si l'axe optique de celle-ci fait un angle A/2 avec le plan de polarisation p1 la lame transmet, pour une valeur de longueur d'onde déterminée, un faisceau également à polarisation rectiligne dont le plan p2 de polarisation fait un angle A avec le plan pi,I1 en résulte que, pour ladite longueur d'onde, une rotation de valeur A/2 de la lame demi-onde provoque une rotation de valeur A du plan de polarisation. Les Figs. 4a et 4b représentent respectivement en coupe longitudinale et en perspective un biprisme de Fresnel 41. On sait que les dimensions et les angles d'un tel biprisme sont détérminés, on fonction de l'indice du matériau, pour imposer à un faisceau lumineux qui le traverse quatre réflexions totales provoquant chacune un retard d'un huitième d'onde.Si le-faisceau incident a est polarisé rectilinéairement dans un plan pl et si le plan moyen du biprisme fait un angle A/2 avec p1, le plan de polarisation p2 du faisceau b transmis fait un angle A avec Le biprisme de Fresnel peut donc jouer le rôle d'une lame demi-onde, mais ce roule n'est valable que pour le domaine des longueurs d1ondes pour lequel l'indice du matériau demeure sensiblement constant;; La Fig. 5 représente schématiquement un dispositif de déphasage ou compensateur, du genre déjà décrit dans la demande d'addition NO 72 46023 du 22 décembre 1972 au brevet français K 2.048.153 et qui remplace avantageusement les compensateurs classiques de Babinet, de Bravais, etc... en raison de on coût modique et de ses bonnes qualités optiques. Le compensateur 51- comporte, dans une cuve transparente 54, deux iambes biréfringentes 52 et 53. Ces lames ont été découpées dans une résine polymère photo élastique (résine époxyde du type Araldite B par exemple) dans laquelle des contraintes ont été figées par la technique connue de traitement thermique sous sollicitation.Les conditions de sollicitation (flexion circulaire) et les directions de découpage sont telles que les deux lames 52. et 53 sont le siège de gradients de contraintes figées orientés selon leur longueur. Les deux lames sont orientées de telle sorte que leurs gradients soient en sens contraires. Un dispositif de translation précis, par exemple une vis micrométrique 55, permet de faire glisser d'une longueur déterminée la lame. 53 par rapport à la lame 52.La-cuve 54 contient avantageusement un liquide d'indice convenable, par exemple du-monobromonaphtalène, pour éliminer les pertes par réflexion et annuler l'influence des défauts de polissage On voit sur la Fig. 5 que ce compensateur, comme ceux des types classiques précités, transforme la lumière polarisée rectiligne d'un faisceau incident dont le plan de polarisation est orienté à 45* des plans principaux des lames en lumière à polarisation elliptique dont l'ellipse représentative est inscrite dans un carré à côtés parallèles auxdits plans principaux. Ltellipticité varie en fonction du retard -imposé par le compensateur et donc en fonction du réglage de la vis 55. Le mdme rôle peut aussi titre joué par le dispositif du brevet français N 2"%048'0153 dans lequel les lames photoélastiques à contraintes figées sont remplacées par des lames en matériau isotrope transparent fixées dans des châssis qui leur imposent une flexion circulaire: Ce dispositif est sensiblement plus compliqué, encombrant et coûteux que celui de la Fig. 5, mais il peut titre avantageusement utilisé lorsque l'on désire faire varier la sensibilité du compensateur, ce qu'il est facile de réaliser en agissant sur l'intensité des sollicitations de flexion circulaire. Les schémas 6a à 6d de la Fig. 6 rappellent des propriétés des biprismes réfringents utilisés couramment comme polariseurs, analyseurs, etc... et que l'invention met en oeuvre comme séparateurs de faisceaux. C'est volontairement, en raison des nombreuses variantes possibles, que les directions des axes optiques des prismes composants n'ont pas été indiquées. Les schémas 6a et 6b sont relatifs aux biprismes (Wollaston, Rochon, Sénarmont, etc...) dans lesquels le faisceau extraordinaire e et le faisceau ordinaire o sortent tous deux par la face opposée à la face d'entrée du faisceau incident a. Les schémas 6c et 6d concernent les biprismes (Nicol, Glazebrook, etc...) dans lesquels le faisceau extraordinaire e sort parla face opposée à la face d'entrée du faisceau suicident a et le faisceau ordinaire o sert par une face latérale.On voit par les schémas 6a et 6c que, quelle que soit leur catégorie, ces biprismes donnent, à partir d'un faisceau incident a polarisé rectilineairement dans un plan faisant un angle A avec le plan optique principal du biprisme, des faisceaux de sortie de valeurs non nulles également polarisés rectilinéairement mais dans des plans perpendiculaires entre eux. L'intensité du faisceau e est proportionnelle à sinua et celle du faisceau o à-cos2A. Les schémas 6b et 6d rappellent que ces biprismes transforment un faisceau a à polarisation elliptique en deux faisceaux qet o polarisés rectilinéairement dans des plans perpendiculaires et dont les- intensités sont respectivement proportionnelles aux carrés des axes de l'ellipse qui leur sont parallèles. On remarquera que, dans la plupart des applications de cers biprismes, en s'ingénie d'habitude à éliminer le rayon ordinaire par exemple au moyen d1 écrans ou de revêtements absorbants, pour ne considérer que le seul rayon extraordinaire. On verra que, dans les deux modes de réalisation de l'invention, ces biprismes sont utilisés comme séparateurs de faisceaux, chacun de ces modes exploitant l'une des propriétés précitées. Ce rôle de séparateur peut d'ailleurs être joué, dans certains cas, par un prisme simple triangulaire biréfringent (en quartz, par exemple) à génératrices parallèles à 1' axe optique, mais un tel élément ne peut séparer que des pinceaux de faible section, l'angle de divergence étant- très petit. La Fig. 7 est relative à un exemple du premier mode de réalisation de 1 'invention. Un laser à gaz 71 engendre un faisceau al polarisé dans le plan p1. Le faisceau al traverse un biprisme de Fresnel muni de moyens non représentés qui permettent de le faire pivoter autour de l'axe optique commun à ses faces d'entrée et de sortie. L'angle de pivotement, par.rapport au plan p1 est mesuré à liaide de moyens représentés sur la figure par une aiguille 73 se déplaçant contre une échelle graduée. On a vu que le plan de polarisation.p2 du faisceau de sortie a2 tourne d'un angle A.Le faisceau a2 tombe sur un biprisme réfringent, par exemple un prisme de Rochon 74, dont la figure montre que le plan moyen est dans le plan p1. Du fait que le faisceau a2 est incliné par rapport à ce plan moyen d'un angle A, le biprisme 74 donne en sortie un faisceau extraordinaire e et un faisceau ordinaire o dont les intensités sont respectivement preoportionnelles à sin A et cosȂ. Ce premier mode de réalisation permet donc effectivement de séparer sans perte sensible de lumière le faisceau al en deux composantes e et o d'intensités réglables et ceci d'une façon parfaitement continue et dans un large domaine de longueurs d'ondes. Les sections du faisceau admis et des faisceaux de sortie ne dépendent que des sections des biprismes 72 et 74. On peut ajouter quelques remarques. Dans le cas où l'on n'exploite qu'une seule longueur d'onde du laser 71, on peut remplacer le biprisme de Fresnel 72 par une lame demi-onde. On peut avoir intérêt, lorsque lton désire augmenter l'angle de divergence des faisceaux a et o, par exemple pour diminuer l'encombrement d'une installation holographique exploitant le dispositif de l'invention, à utiliser à la place du prisme de Rochon 74 un prisme du type Glazebrook ou, mieux encore, un séparateur de faisceauxà plusieurs prismes biréfringents donnant deux faisceaux perpendiculaires. Mais les biprismes de Fresnel sont des éléments coûteux, surtout lorsqu'ils sont de grande dimension et réalisés avec soin, pour donner des surfaces d'ondes très planes, condition souvent indispensable en holographie. On pourrait-, à la rigueur, supprimer tout dispositif intermédiaire de rotation du plan de polarisation et disposer la source de lumière polarisée, par exemple le laser, dans un montage permettant son pivotement autour de son axe optique, mais cette solution présente des inconvénients aux points de vue de la réalisation mécanique, de l'encombrement, du poids et de l'alimentation électrique. La Fig. 8 illustre un exemple du deuxième mode de réalisation de l'invention. On y retrouve le laser 71 fournissant un faisceau a polarisé dans un plan p1. Ce-faisceau tombe sur un déphaseur 81 du type décrit en référence à la Fig 5 et dont on n'a représenté que la lame fixe et la lame mobile. Le déplacement de la lame mobile est repéré par une échelle graduée 82.Le séparateur 81~est disposé de telle sorte que son axe optique longitudinal est orienté à 45 par rapport au plan p1 On a vu, en se référant à-la Fig. 5, que le faisceau transmis a3 est, dans ces conditions, à polarisation elliptique, l'ellipse de représentation étant inscrité dans un carré à côtés parallèles aux axes optiques du déphaseur, l'un des axes d'ellipse étant donc parallèle au plan p1 . Ainsi qu'on l'a rappelé en se référant à la Fig. 6, le prisme de Rochon 74 disposé comme dans la Fig. 7 séparé ce faisceau elliptique en deux faisceaux e et o à polarisation rectiligne et d'intensités respectivement proportionnelles aux carrés des axes de l'ellipse.Les plans depolarisa- tion des faisceaux e et o sont orthogonaux. Si nécessaire, leur parallélisme peut être rétabli en disposant sur le trajet de l'un des faisceaux une lame demi-onde 83. A titre dtexemple, on donne ici les caractéristiques d'un matériel effectivement réalisé - laser : hélium-néon ( en fait, tous les lasers rayonnants dans le domaine visible sur une ou plusieurs longueurs d'ondes eonviennent) - lames du déphaseur -: Araldite B, longueur 50 mm, largeur 12 mn, épaisseur 4 mm. Indice: environ 1,6 pour la raie verte du mercure - cuve : en verre, distance entre parois : 8,5 niai - liquide indiciel : monobromonaphtalène d. L'erreur de planéité des surfaces d'ondes des faisceaux secondaires est au plus du centième de longueur d'onde. Le coefficient de transmission varie de moins de dix pour cent entre 4.500 et 6.000 Angstroms. On peut remplacer le déphaseur du type précité par un déphaseur ou compensateur classique (Babinet, Bravais, etc...) mais ces éléments sont plus fragiles et plus croûteux et leur emploi ne connu re aucun avantage supplémentaire. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Dispositif pour engendrer à partir d'un faisceau lumineux polarisé dit faisceau primaire deux faisceaux divergents également polarisés, dits faisceaux secondaires, et pour commander le rapport de ltintensité desdits faisceaux, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour engendrer à partir du faisceau primaire deux composantes dé-finissant des plans de polarisation orthogonaux entre eux, des moyens pour agir sur le rapport de l'amplitude desdites composantes et des moyens pour engendrer à partir de chacune desdites composantes l'un des faisceaux secondaires. 2 - Dispositif pour engendrer à partir d'un faisceau lumineux de lumière naturelle deux faisceaux divergents polarisés et pour commander le rapport de- ltintensité desdits faisceaux, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif selonfareveadicatinn 1 et en outre un polariseur traversé par le faisceau de lumière naturelle pour engendrer un faisceau polarisé primaire. 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2,-caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif optique demi-onde traversé par l'un des faisceaux secondaires pour modifier l'orientation du plan de polarisation dudit faisceau. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 å 3, caractérisé en ce qU'il comporte, pour engendrer les composantes-à partir du faisceau primaire et le faisceau secondaire à partir desdites composantes, un séparateur à au moins un prisme biréfringent et, pour-régler l'intensité des faisceaux secondaires, des moyens pour faire pivoter le plan de polarisation du faisceau primaire relativement au séparateur. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens pour faire pivoter le plan de polarisation du faisceau primaire sont constitués par un élément optique demi-onde muni de moyens de pivotement autour de son axe optique. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que 11 élément optique demi-onde est un biprisme de Fresnel. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications là 3, caractérisé en ce qu' il comporte, pour engendrer les composantes, un dispositif optique de déphasage réglable transformant le faisceau primaire à polarisation rectiligne en faisceau de lumière elliptique, pour engendrer les faisceaux secondaires, un séparateur-à au moins un prisme biréfringent recevant le faisceau de lumière elliptique et, pour régler le rapport dtintensité des faisceaux secondaires, des moyens de réglage du déphasage 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif optique de déphasage est du type compensateur à lames biréfringentes à gradient de biréfringence. 9 - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé encre que les lames biréfringentes sont des lames à gradient de biréfringence accidentelle. 10 - Dispositif selon la revendication 9, carac*érisé en ce que les lames biréfringentes sont des lames en résine polymère à contraintes-figées.