Brevet FR2474694A1 — publié le 19810731

La présente invention concerne un interféromètre du type Fabry-Pérot utilisable notamment en spectro- graphie ou pour le filtrage optique. Un interféromètre du type Fabry-Pérot classique comprend deux lames semitransparentes à fort coeffi- cient de réflexion, parallèles, entre lesquelles se forme une lame d'air d'épaisseur rigoureusement contrôlée. Un rayon lumineux incident fournit une série de rayons émergents qui interfèrent à l'infini ou dans le plan focal d'un objectif. Les franges d'in- terférence sont des anneaux brillants sur fond sombre. En particulier, le centre est brillant pour une série de valeursdu rapport entre l'épaisseur de la lame et la longueur d'onde. En faisant varier l'épaisseur, par exemple par l'intermédiaire de ressorts sur lesquels on agit par des vis, on peut modifier à volonté les conditions d'interférence. Ce type d'interféromètre nécessite des réglages très fins, notamment quant au parallélisme des lames semi-transparentes et à l'ajustage de l'épaisseur. Des considérations technologiques dues aux moyens de réglage mécaniques qui sont utilisés habituellement et des problèmes d'encombrement limitent l'épaisseur de la lame d'air, donc la résolution en longueur d'onde. Par ailleurs, les variations de l'épaisseur ne peuvent pas être très rapides. L'invention vise un interféromètre de type Fabry- Pérot de mise en oeuvre plus simple et ne nécessitant pas de réglages. Selon l'invention, la lumière, au lieu de se propager dans l'air, est guidée dans une fibre optique monomode. La technologie actuelle per- mettant de réaliser des fibres optiques monomodes ayant des pertes linéiques très faibles, on peut disposer si nécessaire d'une grande longueur (pouvant aller jus- qu'à plusieurs kilomètres) sans que les pertes intro- duites ne réduisent la finesse de raie de l'interférô- mètre. Différents moyens sont prévus pour remplacer les lames semitransparentes d'un interféromètre classique dépôt de couches réflectrices aux extrémités de la fi- bre, création de discontinuités au voisinage des extré- mités. Il n'y a pas de problème d'alignement. Pour ob- tenir le balayage, on modifie le chemin optique parcou- ru par la lumière dans la fibre en utilisant un paramè- tre physique tel que: contrainte mécanique, variation d'indice par effet élasto-optique, magnéto-optique, électro-optique..., dilatation thermique. L'accord..DTD: de la cavité peut être très rapide. Selon l'un des mo- des de réalisation de l'invention, la fibre est enroulée autour d'un mandrin cylindrique, si bien que l'encombre- ment peut être très réduit. Selon l'invention, un interféromètre à cavité opti- que accordable comprenant deux éléments réflecteurs dé- limitant cette cavité optique et des moyens permettant de faire varier le chemin optique entre ces deux élé- ments, est caractérisé en ce que la cavité est consti- tuée par une fibre optique monomode. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront clairement au moyen de la description ci-après fournissant de façon non limitative des exem- ples de modes de réalisation de l'invention en référen- ce aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 est un schéma général d'interféro- mètre selon l'invention; - les figures 2 et 3 sont des diagrammes explica- tifs du fonctionnement de l'invention'; - la figure 4 représente un mode de réalisation préféré de l'invention; - la figure 5 représente un autre mode de réalisa- tion de l'invention. La figure 1 est un schéma général d'interféromètre selon l'invention. Un rayonnement optique E issu d'une source 2 est introduit dans une fibre optique monomode 1. Des éléments réflecteurs 4 et 5 sont créés, soit aux extrémités de la fibre, comme ils ont été schématique- ment représentés, soit au voisinage des extrémités. Le rayonnement optique se propageant dans la fibre subit donc des réflexions multiples entre les deux réflec- teurs. La superposition des ondes transmises par le réflecteur 5 forme un rayonnement S éventuellement foca- lisé par des moyens de focalisation 10 et recueilli par un photodétecteur 3 centré sur les axes des moyens 10 et de la fibre 1, ces axes étant confondus. Les extré- mités de la fibre 1 étant polies pour former des sur- faces planes perpendiculaires à l'axe de la fibre et celle-ci étant monomode, la fraction du rayonnement ré- fléchi par chaque réflecteur respecte nécessairement les conditions de guidage'dans la fibre et peut donc se pro- pager vers l'autre extrémité. Chaque réflecteur peut être caractérisé par son coefficient de réflexion R et son coefficient d'absorption A, si bien que le coeffi- cient de transmission T est égal à 1 - R - A. De façon analogue à un interféromètre Fabry-Pérot classique, le rayonnement S résulte de la superposition d'ondes qui interfèrent entre elles; le déphasage entre deux ondes successives de même sens, c'est à dire après un aller et retour dans la fibre entre les deux réflecteurs étant égal à 2 PZ o est la constante de propagation et t la longueur de la fibre entre les deux réflecteurs. Celle-ci dépend de la longueur d'onde, si bien que, k étant la constante de propagation dans le vide, pour chaque longueur d'onde ô, on peut définir l'indice ef- fectif de la fibre:n = n, qui est voisin de son in- dice de réfraction et le chemin optique L = n XI?. Le photodétecteur 3 détecte des pics d'intensité lorsque 2 L l'ordre d'interférence au centre p = -K--est un nom- bre entier, ce qui signifie que les interférences sont constructives, c'est à dire qjie le déphasage 2 t Q est un multiple de 2. Les principaux résultats donnés ci-après sont communs à tous les interféromètres de type Fabry- Pérot. La figure 2 représente les variations d'inten- sité lumineuse I en fonction de l'ordre d'interférence p. On voit apparaître sur la figure trois pics d'inten- sité Pk-1' Pk' Pk+ au centre desquels l'intensité est maximale Io, correspondant aux valeurs entières successives k-1, k, k+1, de p. La largeur de chaque pic, dp, correspondant à une diminution d'intensité Io dépend du coefficient de réflexion R: dp - 1-R Le contraste du système d'interférence: Io Io dépend également de Im Io 4 R de R: im = (i'+R) Ainsi, pour R = 50 %, on a dp * 0,25 et Io 9; pour R = 90%, dp_ 1/30 et I e 400; pour R 98 %, dp 1/150 et Im est pratiquement négligeable devant Io. A partir de la figure 2, on peut obtenir les cour- bes de variations d'intensité lumineuse I en fonction de la longueur d'onde l pour différentes valeurs de chemin optique L. Sur la figure 3, sont représentées: en traits pleins, la courbe C1 correspondant l. une valeur donnée de L et en pointillés,la courbe C2 correspondant à une valeur L + A L. L'intervalle spectral libre DI égal à l'écart en longueur d'onde entre deux pics successifs est égal à p L'ordre d'interférence p P croit avec le chemin optique L, tandis que l'intervalle spectral décroît. L'invention permet d'une part d'uti- liser des valeurs de L très grandes, d'autre part d'ob- tenir des variations relatives AL importantes, par des L imp moyens qui seront décrits dans la suite de la descrip- tion. Ces variations relatives déterminent les varia- tions relatives de longueur d'onde des pics AR -= à L pour chaque ordre. L A titre indicatif, avec une fibre optique d'indice n = 1,5, autour d'une longueur d'onde moyenne X= 1/um, pour = 10 cm, on a p = 3.105 et DX = 1,8.10 3 nm; pour 100 m, D = 3.108 et D\ = 1,8.10 6 nm. La lar- geur de pic dp, donc la résolution LAX diminuent égale- ment lorsque la longueur de fibre augmente. Pour un coefficient de réflexion R = 95 %, LX = 3.10 5 nm pour t = 10 cm; AR = 3.10 nm pour -= 100 m. Bien que la sélectivité de l'interféromètre parais- se d'autant meilleure que la fibre utilisée est plus longue, un autre facteur intervient pour limiter les valeurs possibles de longueur. Il s'agit des pertes d'absorption, proportionnelles à la longueur de la fi- bre. Une fibre optique est en effet caractérisée par son coefficient linéique d'absorption, qui varie avec la longueur d'onde du rayonnement propagée. Les tech- niques connues de fabrication des fibres permettent d'atteindre des valeurs très faibles de coefficient linéique pour une longueur d'onde donnée. Ce coeffi- cient augmente lorsqu'on s'éloigne de ladite longueur d'onde. Typiquement, on peut admettre que l'on peut tolérer une perte d'absorption pour un aller et retour dans la fibre allant jusqu'à 0,5 dB. Au-delà de cette valeur, on constate une diminution importante du con- traste. A titre d'exemple, une fibre ayant une perte égale à 2 dB/km pour une longueur d'onde de 850 nm peut avoir une perte de l'ordre de 30 à 50 dB/km pour une longueur d'onde de 500 nm et de l'ordre de 100 dB/km vers 450 nm. Si cette fibre est destinée à être utili- sée dans toute une gamme typique 450-900 nm, pour une application de spectrographie par exemple, sa longueur ne devrait pas excéder 1 m, ce qui donne une perte de 0,5 dB pour un aller et retour et pour 450 nm. Si par contre, cette fibre est destinée à être utilisée dans une gamme étroite autour des minima d'absorption dès fibres optiques (par exemple 850 nm, 1,3 um, 1,55 um pour une fibre en silice), pour une application de filtrage par exemple, on peut utiliser une valeur de longueur beaucoup plus grande. Les longueurs d'onde correspondant aux minima d'absorption dépendent de la composition de la fibre. Pour chaque application, un compromis est à déterminer entre la gamme de longueurs d'onde de fonctionnement, l'absorption tolérée qui définit le contraste minimum, la résolution et l'in- tervalle spectral. Différents moyens peuvent être utilisés pour ré- fléchir les ondes lumineuses à chaque extrémité de la fibre. Un premier moyen est le dépôt de couches appro- priées sur les extrémités préalablement polies de façon à former des faces planes perpendiculaires à l'axe de la fibre. Parmi les matériaux connus pour ce genre d'application, on peut citer des matériaux diélectri- ques: MgF2, TiO2, SiO2. Le dépôt peut être fait d'une seule couche mais le plus souvent, il est formé d'une -superposition de couches dont l'épaisseur et l'indice de réfraction sont calculés en fonction des longueurs d'ondes destinées à être propagées et de l'indice de réfraction de la fibre. On peut alors déterminer les coefficients de réflexion R et d'absorption A en fonc- tion de la longueur d'onde. Pour obtenir un rendement énergétique maximal, il est préférable que l'absorption soit la plus faible possible. Dans le cas d'applications pour lesquelles le spectre de longueurs d'onde du rayon- nement E est étroit, on peut déterminer les compositions de couches optimisant le rendement énergétique entre les rayonnements E et S. Par contre, lorsque le spectre des longueurs d'onde du rayonnementest large, il peut être préférable d'utiliser des couches à large bande, c'est à dire pour lesquelles les coefficients de réflexion et d'absorption varient peu en fonction de la longueur d'onde. L'absorption des couches diélectriques s'ajoute à l'absorption dans la fibre et est à prendre en compte dans le compromis entre la largeur de bande et le coef- ficient d'absorption. Une correction-peut être rendue nécessaire pour compenser les variations de rendement énergétique avec la longueur d'onde. Cette correction peut être effectuée par des moyens électroniques reliés à la sortie du photodétecteur 3. Une variante de ce type de réflecteur est constituée par des couches métal- liques, très simples à déposer mais ayant une absorption plus forte que les couches diélectriques et non optimi- sable. Un autre type de-réflecteur peut être constitué par une discontinuité aux extrémités de la fibre. Une façon simple de l'obtenir consiste à accoler directement sur les deux extrémités polies respectivement la source lu- mineuse 2 constituée par exemple par un laser AsGa et le photodétecteur 3 constitué par exemple par une photodio- de en silicium. La différence de nature entre le maté- riau constituant la fibre, du verre par exemple, et l'arséniure de gallium ou le silicium provoque une ré- flexion d'une partie de l'énergie lumineuse. Le coef- ficient de réflexion n'est pas optimisé mais peut être suffisant pour certaines applications et il n'y a pas d'absorption. La discontinuité peut aussi résider dans les dimensions de la fibre: un amincissement brutal de la fibre au voisinage de ses extrémités peut créer des réflexions importantes. On peut aussi créer des réseaux d'indice aux extrémités, ou même un réseau réparti sur toute la longueur de la fibre, créant un résonateur distribué. Un tel réseau peut être obtenu en enroulant la fibre sur un mandrin cannelé. Lorsque l'enroulement est effectué de telle façon qup la fibre soit tendue, 2-474694 des cannelures périodiques s'étendant sur toute la lon- gueur du mandrin cylindrique créent des contraintes variant périodiquement sur toute la longueur de la fi- bre. Le pas du réseau et sa longueur déterminent la longueur d'onde du pic de réflexion et sa largeur. Parmi les phénomènes physiques capables de faire varier le chemin optique, on peut utiliser l'effet élasto- optique. Un mode de réalisation de l'invention illustrant cette utilisation est représenté sur la figure 4. La fibre 1 est enroulée autour d'un mandrin 7 en forme de cylindre constitué d'une céramique piézo- électrique. Des contraintes peuvent être créées dans la céramique au moyen d'une tension V fournie par une sour- ce de tension 8 reliée à deux électrodes déposées res- pectivement sur les faces interne et externe du cylin- dre. On peut faire en sorte que seul le diamètre exté- rieur du mandrin varie en remplissant l'intérieur 9 d'un matériau plastique non compressible. La dilatation de la céramique provoque des variations de longueur et d'in- dice de la fibre enroulée, ayant pour effet une varia- tion du chemin optique L. Avec une tension V de quel- ques volts, on peut balayer plusieurs ordres de l'inter- féromètre, c'est à dire obtenir une variation de L de plusieurs fois la longueur d'onde. Le rayonnement E issu d'une source lumineuse 2 (par exemple un laser semi- conducteur) est focalisé dans la fibre par des moyens classiques tels qu'une lentille 6, visant à introduire le maximum d'énergie dans la fibre. La photodiode 3 qui recueille le rayonnement S après focalisation par la lentille 10 délivre un signal électrique Vs constitué d'impulsions correspondant aux pics de résonance. Pour réaliser un balayage,' on utilise une tension V alterna- tive. Il peut être nécessaire, pour obtenir une répon- se linéaire, de réaliser une précontrainte de la fibre par un enroulement tendu de celle-ci, bu bien de su- perposer à la tension de commande alternative une ten- sion continue. La fréquence de balayage peut être beau- coup plus élevée que celle d'un Fabry-Pérot classique. On peut avantageusement choisir une valeur de fréquence voisine de la fréquence de résonance de la céramique, qui peut être typiquement de l'ordre de 200 KHz. Toute- fois, une limitation de la fréquence doit être prise en compte dans le cas de fibres de grande longueur, en raison du temps de propagation des rayonnements dans la fibre. Pour avoir un régime "stable" dans la fibre, il est préférable que la période du balayage soit nettement supérieure à la durée d'une dizaine d'allers et retours dans la fibre. Typiquement, la durée d'un aller et re- tour d'un rayonnement de longueur d'onde 1 um est de 0,5 us pour une fibre de 50 m. Il est donc préférable que la période de balayage soit nettement supérieure à us, ce qui correspond à la fréquence 200 KHz. Si la fibre utilisée est plus longue, la fréquence devra être encore plus faible. Par contre, pour une fibre de quelques dizaines de centimètres de longueur, une fré- quence de 200 KHz ou même plus peut être envisagée sans inconvénient. L'enroulement de la fibre permet de disposer d'une grande longueur avec un encombrement réduit. Le diamè- tre du mandrin-doit cependant être suffisant pour éviter des pertes d'énergie lumineuse par radiation et augmen- ter les pertes apparentes de la fibre. Typiquement, il peut être de quelques centimètres. Avec certains types de fibres, il est possible de descendre jusqu'à un dia- mètre de 2 mm, sans pertes sensibles. Pour obtenir un dispositif compact et garantir le positionnement rela- tif des différents éléments, les extrémités de la fi- bre peuvent être placées dans des embouts solides 11 et 12. Ceux-ci sont encastrés dans une plaque rigide 13, en verre par exemple. Le positionnement des élé- ments optiques 2, 3, 6, 10 s'effectue par rapport à la plaque 13. Le dispositif représenté sur la figure 4 admet de nombreuses variantes de réalisation, notamment quant à la façon dont sont créées les contraintes. En enroulant la fibre sur un mandrin cylindrique réalisé dans un matériau compressible, on peut créer des con- traintes en faisant circuler un fluide sous pression à l'intérieur du mandrin. On peut aussi utiliser comme moyen de commande un champ magnétique, agissant sur un mandrin en matériau magnétostrictif. Des contraintes peuvent également être obtenues par l'e biais d'une for- ce de traction exercée sur le mandrin. On obtient éga- lement des variations de chemin optique en enroulant la fibre sur une bobine plate et en la plongeant dans une cuve à ultrasons, de façon que toutes les spires forment un même angle prédéterminé avec la direction de propagation des ondes ultra-sonores; la fréquence de ces ondes doit être choisie de façon que la période soit nettement supérieure au temps du parcours dans la fibre. D'autres effets physiques que l'effet élasto-opti- que sont capables de provoquer des variations de chemin optique. Un effet particulièrement intéressant est l'ef- fet magnéto-optique, dont l'utilisation est illustrée par la figure 5. Le dispositif représenté sur cette figure est très proche de celui représenté sur la fi- gure 4. La fibre 1 est enroulée sur un mandrin cylin- drique 7 réalisé dans un matériau non compressible, par exemple de la silice.'Un champ magnétique rotationel est créé au moyen d'un conducteur 14 parcouru par un courant i provenant d'une source de courant 15. te champ magnétique H se trouve en tout point de la fibre parallèle à la direction de propagation de la lumière et induit donc des variations. d'indice de réfraction par effet Faraday. Ces variations sont de même signe pour les deux sens de propagation. Les applications de l'invention sont celles des interféromètres à cavité de Fabry-Pérot classique, no- tamment la spectrométrie. L'interféromètre peut aussi être utilisé comme monochromateur, en association avec source lumineuse de spectre étendu. Pour améliorer ses propriétés de filtrage, on peut associer deux interféromètres en série. Un moyen simole de réaliser cette association consiste à utiliser une seule fibre enrou- lée, munie de moyens réflecteurs à ses deux extrémités et en une troisième zone intermédiaire, sous la forme, par exemple, d'un amincissement de la fibre. En choi- sissant convenablement les longueurs des deux tronçons de fibre ainsi constitués, on peut faire en sorte qu'ils aient des intervalles spectraux différents. Des pics d'interférence sont obtenus uniquement à la coin- cidence d'un pic de chaque tronçon. On augmente ainsi l'intervalle spectral résultant, tout en conservant une sélectivité de même ordre que celle de chacun des tronçons pris séparément. La très grande sensibilité de l'interféromètre selon l'invention, mnme pour des excitations faibles conduit par ailleurs à envisager son application à la mesure d'un paramètre physique capable de modifier le chemin optique. Ainsi,on peut utiliser un tel interfé- romètre pour mesurer les pressions s'exerçant sur le mandrin autour duquel est enroulée la fibre, par exem- ple la pression d'un fluide circulant à l'intérieur du mandrin. Cette mesure nécessite un étalonnage appro- prié. D'autre part,il ne faut pas que d'autrescauses de variations du chemin optique se superposent à l'effet S mesurer. Le dispositif est notamment sensible aux variations de température. Pour éviter cet inconvénient, on peut le placer dans une enceinte thermostatée, ou bien lui associer un capteur de température que l'on insère dans une boucle de façon à superposer à la con- trainte due à la pression à mesurer une contrainte compensant les variations de température, obtenu par 12 - exemple par une tension électrique, le mandrin étant piézoélectrique. REVENDICATIONS 1. Interféromètre à cavité optique accordable com- prenant deux éléments réflecteurs délimitant cette ca- vité optique et des moyens permettant de faire varier le chemin optique entre ces deux éléments, caractéri- sé en ce que la cavité est constituée par une fibre optique monomode. 2. Interféromètre selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les deux extrémités de la fibre sont polies et recouvertes d'un dépôt réflecteur de façon à constituer les deux éléments réflecteurs. 3. Interféromètre selon la revendication 2, carac- térisé en ce que chaque dépôt réflecteur est formé d'au moins une couche diélectrique. 4. Interféromètre selon la revendication 2, carac- térisé en ce que chaque dépôt réflecteur est formé d'une couche métallique recouvrant au moins une partie de la surface de l'extrêmité de la fibre. 5. Interféromètre selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les éléments réflecteurs sont formés par des réseaux de pas prédéterminés formés respecti- vement au voisinage des deux extrémités de la fibre. 6. Interféromètre selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les éléments réflecteurs sont formés par des discontinuités créées respectivement au voisi- nage des deux extrémités de la fibre. 7. Interféromètre selon la revendication 1, carac- térisé en ce que, les rayonnements étant issus d'un laser semiconducteur et recueillis par un photodétec- teur, la jonction émissive du laser et la face d;entrée du photodétecteur sont respectivement accolés aux deux extrémités de la fibre, formant une discontinuité du milieu de propagation provoquant une réflexion par- tielle des rayonnements. 8. Interféromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la fibre est enroulée autour d'un mandrin cylindrique réalisé dans un matériau compressible dans lequel sont créées des contraintes. 9. Interféromètre selon la revendication 8, carac- térisé en ce que le mandrin est constitué d'une céramique piézoélectrique munie d'électrodes reliées à une source de tension électrique. 10. Interféromètre selon fa revendication 8, carac- térisé en ce que le mandrin est soumis à des forces de pression. 11. Interféromètre selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 7, caractérisé en ce que la fibre est enroulée sur une bobine plate et plongée dans une cuve à ultra-sons. 12. Interféromètre selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 7, caractérisé en ce que la fibre est en- roulée autour d'un mandrin cylindrique non compressible à l'intérieur duquel est placé un conducteur relié à une source de courant. 13. Dispositif optique monochromateur, caractérisé en ce qu'il comprend un interféromètre selon l'une quel- conque des revendications 1 à 12. 25. 14. Dispositif optique de spectrographie, caracté- risé en ce qu'il comprend un interféromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 12. 15. Dispositif de mesure de pression, caractérisé en ce qu'il comprend un interféromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.