Brevet FR2483640A1 — publié le 19811204

L'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un réseau optique annulaire à traits radiaux à contraste de phase transmise, destiné à former par rotation deux faisceaux diffractés décalés en fréquence à partir d'un faisceau incident cohérent, par insolation au contact d'une émulsion photographique à partir d'un réseau maître. Pour de nombreuses applications de métrologie en lumiè re cohérente issue d'un laser, où un phénomène à mesurer introduit un décalage de fréquence (par exemple par effet "Doppler") sur un faisceau lumineux cohérent soumis à ce phénomène, il est de pratique courante de faire battre le faisceau à fréquence décalée avec un faisceau de référence dérivé du faisceau incident, qui n'a pas été soumis au phénomène à mesurer ou qui a été soumis à ce phénomène de fa çon telle que le décalage introduit soit en sens inverse de celui qui a été introduit sur le premier faisceau, et de déterminer la fréquence de battement. Le sens du décalage introduit est souvent une information intéressante, qui est perdue quand on détermine la fréquence de battement sans précaution particulière.Il est classique alors de décaler dans un sens et d'une quantité connus la fréquence d'un des faisceaux avant le battement, de façon que le décalage introduit par le phénomène à mesurer vienne s'ajouter ou se retrancher au décalage connu. On peut créer ce décalage en séparant deux raies de laser par effet "Zeeman" (action d'un champ magnétique). On obtient des décalages typiques de l'ordre de 1 MHz, mais la technologie actuelle ne permet pas de travailler à des puissances supérieures à 100 P W. Les dispositions les plus courantes génératrices de décalage font appel à la diffraction par réseaux mobiles perpendiculairement à la direction de propagation du fais ceau. On peut créer un réseau de phase à l'aide d'un modulateur opto-acoustique, où un faisceau ultrasonore induit dans un milieu transparent des variations à périodicité spatiale d'indice. Un faisceau lumineux incident donne naissance à deux faisceaux diffractés respectivement d'ordre zéro et un, et divergeant l'un de l'autre d'un angle de l'ordre du degré. Le décalage de fréquence du faisceau diffracté de premier ordre est de l'ordre de 50 à 100 EHz. Pour éviter l'emploi de circuits électroniques d'exploita- tion à largeur de bande correspondante, on peut utiliser deux modulateurs opto-acoustiques induisant deux décalages différents, et travailler avec le décalage aifféretiel, On utilise souvent des réseaux annulaires tournants, avec des traits radiaux opaques. Les faisceaux diffractés se forment par composition en amplitude de la lumière passant à travers les intervalles entre traits.L'ordre F des faisceaux diffractés se définit par le nombre (entier) de longueurs d'onde dont sont décalés les rayonnements issus des intervalles consécutifs du réseau, et l'angle a de divergence par rapport à la normale au réseau d'un faisceau d'ordre K est donné, p étant le pas du faisceau et x la longueur d'onde, par ; sin a = K p (i) p Bien entendu, l'étendue de la plage d'utilisation du réseau est faible devant le rayon de l'anneau où est diapo sé ce réseau, de sorte que les traits rediaux sont assimilables à des traits parallèle s. La rotation du réseau induit un effet proportionnel à la projection de la vitesse de déplacement du réseau sur la direction du faisceau diffracté. En négligeant l'effet relativiste, Si N est le nombre de traits du roseau et sa vitesse se angulaire, le décalage est donné par s Af = m Q K. (2) Avec un réseau tournant à 50 tours/secondes, soit 314 radians/seco#de, et possédant environ 3000 traits, le decalage pour l'ordre 1 est voisin de 1 MHz par rapport à la fréquence du faisceau incident. En outre Si les ordres sont comptés en sens inverse de la rotation, la formule 2 donne le même signe à Af et K. La fabrication de tels réseaux fait intervenir la reproduction photographique ou par photogravure d'un réseau maître mécaniquement gravé. En raison de la fidélité recherchée dans la reproduction, selon la pratique courante dans la reproduction photographique, on travaille avec des maté riaux photosensibles à fort contraste, en sorte que la résolution soit maximale. En outre, en compromis entre la résolution et la transparence du réseau, on recherche une largeur de trait sensiblement égale à l'intervalle entre traits. Il en résulte que la puissance lumineuse transmise par le réseau n'est que la moitié de la puissance environ du faisceau incident, et de plus cette puissance transmise se répartit entre les faisceaux diffractés des différents ordres. La répartition spatiale, perpendiculairement aux traits du réseau, de l'intensité lumineuse, est celle d'un signal carré, avec des transitions brusques d'un niveau zéro à un niveau 1 aux bords des traits. le développement en série de Fourrier de la répartition spatiale fait appa raire l'équivalence de cette répartition avec la superpom sition de répartitions sinusoidales à périodicité P chaou- ne responsable de la puissance des faisceaux d'ordre + K. Plus la répartition spatiale est riche en harmoniques dean- plitude non négligeable, et plus la puissance des faisceaux diffractés d'ordre 1 sera faible. L'invention a pour objet un procédé de fabrication de réseaux optiques tournants pour lesquels la périodicité de densité optique est remplacée par une périodicité de trajet optique, le réseau étant entièrement transparent. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de réseaux optiques tournants à périodicité spatiale à faible taux d'harmoniques. L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication de réseaux optiques tournants où la profondeur de modulation de phase en périodicité spatiale est ajustable en sorte d'ajuster la répartition de puissance entre les faisceaux diffractés d'ordre pair ou impair. A ces effets l'invention propose un procédé de fabri- cation d'un réseau optique annulaire à traits radiaux à contraste de phase transmise, destiné à former par rotation deux faisceaux diffractés décalés en fréquence à partir d'un faisceau incident cohérent, procédé où l'on effectue par insolation au contact une copie sur une émulsion photo graphique à l'halogénure d'argent d'un réseau martre gravé avec des transitions brusques de densité optique transversalement aux traits, on développe et on fixe l'émulsion, caractérisé en ce que l'on règle l'insolation en sorte que la copie développée comporte des transitions de densité optique dégradées transversalement aux traits, et on immerge la copie fixée dans un bain de blanchiment apte à transformer l'argent réduit en sel d'argent transparent, en sorte que la marche optique à travers le réseau soit fonction de la densité optique avant blanchiment. Il est bien connu en technique photographique que l'insolation avec des flux lumineux tels que l'exposition corresponde à une zone de gamme faible, combinée avec des conditions de développement telles que le contraste entre zones de noir et blanc-extrêmes soit sensiblement le même que pour une émulsion exposée et développée en conditions normales, conduit à une perte de résolution telle que les transitions brusques de densité optique du réseau mattre soient reproduites en zones de densité dégradée. Les bords de traits sont estompés. le blanchiment ultérieur transforme les grains d'argent en sel d'argent transparent, dont l'indice est supérieur à l'indice du corps d'émulsion, de sorte que le chemin optique dans l'émulsion croit avec la quantité de sel d'argent traversé, proportionnelle à la densité optique du cliché avant blanchiment.Ainsi pratiquement toute la puissance transportée par le faisceau incident se retrouvera dans les faisceaux émergents, tandis que la distribution à périodicité spatiale des chemins optiques dans l'émulsion blanchie se traduit par une variation à même périodicité de la phase du rayonnement émergeant. les directions des faisceaux diffractés seront inchangées par rapport à celles des faisceaux diffractés et la réduction du taux d'harmoniques de la distribution périodique conduit à une première réduction de la puissance emportée par les faisceaux diffractés d'ordre élevé.Mais par ailleurs chaque faisceau diffracté résulte de la composition en phase des rayons issus de la surface du réseau et émis dans la direction du faisceau diffracté, de sorte qu'au décalage de phase à variation pro gressive dans le sens transversal aux traits, due à l'obliquité, s'ajoute la variation périodique due à la marche optique dans l'émulsion0 Cette variation périodique, selon la profondeur de modulation de phase de la distribution périodique spatiale, privilégie des directions déterminées, Ainsi, lorsque la différence de marche maximale atteint un nombre entier pair de demi-longueur d'onde, le faisce#au diffracté d'ordre zéro est annulé. De préférence le bain de blanchiment est constitué par le mélange extemporané en parts égales de deux solutions aqueuses, l'une contenant environ 25 g d'acide sulfurique et 30 g de bichromate de potassium, et l'autre environ 45 g de chlorure de sodium, par litre. Ce mélange connu en tech- nique photographique dissout l'argent pour donner un sulfate d'argent0 De préférence également on insole l'émulsion en lumière re blanche, pour éviter la formation de réseaux de diffrac= tion sur les bords de traits du réseau maître ; la lumière blanche est entendu dans le sens de lumière à spectre largement étalé, analogue au rayonnement du corps noire De préférence, on établit expérimentalement une loi reliant l'intensité d'insolation et la profondeur de modulation de phase résultante, appréciée par la distribution de puissance dans les faisceaux diffractés d'ordres successifs, puis on choisit l'intensité d'insolation en fonction de la distribution de puissance désirée0 Les caractéristiques et avantages de l'invention res sortiront d'ailleurs de la description qui va suivre illustrés d'exemples, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une représentation schématique d'un réseau annulaire tournant ;; la figure 2 est un schéma de la distribution périodique spatiale de densité optique d'un réseau classique la figure 3 est un schéma de la distribution périodique spatiale de densité optique d'un réseau selon l'invention après la première phase de fabrication la figure 4 est un schéma de la distribution périodique spatiale de phase d'un réseau selon l'invention terminé. Comme représenté figure 1 un réseau annulaire tournant est constitué d'un disque 1 entrainé en rotation autour de son axe 2 avec une vitesse angulaire Q . Ce disque comporte une plage annulaire 3, centrée sur l'axe et transparente, portant des traits radiaux opaques, angulairement équidistants et de largeur sensiblement égale à l'intervalle qui les sépare. Un faisceau cohérent de longueur d'onde x tombe normalement sur une zone 4a de la plage 3, où il est divisé en un système 5 de faisceaux diffractés d'ordre .. +2, +1, O, -1, -2, ... situés dans un plan perpendiculaire aux traits du réseau. Comme on le voit mieux sur la figure 2, où le réseau 13 est schématisé en coupe, présentant une succession de zones transparentes 13a et opaques 13b, avec une périodicité spatiale E, l'intensité de lumière transmise, schématisée ligne 14, est distribuée en fonction créneaux, ou carrée. On a schématisé en 15 les fronts d'onde écartés de A , qui sont parallèles à la face de sortie du réseau 13, au moins à une distance grande devant la longueur d'onde A . Les lignes 10, 11 et 12 représentent les coupes de plans où les contributions des créneaux successifs sont décalées respectivement de 0,1 et 2 x . Dans ces plans les contributions des points, des créneaux successifs, espacés de 2 sont en phase et s'additionnent.On comprend ainsi 1a formation des faisceaux diffractés d'ordre K, s'écartant de la direction du faisceau incident d'un angle a défini par : sin aK = K p (1) En outre, la rotation du disque 1 avec la vitesse Q induit, au point d'impact du faisceau sur le réseau, une vitesse v = 2 s R Q s Les faisceaux diffractés seront affectés d'un décalage de fréquence proportionnel à la projection de la vitesse v sur leur direction de propagation. Si N est le nombre de traits du réseau Np = 2 s R, le décalage en fréquence A f est donné par Af = NK 2 (2) Comme on l'a déjà signalé, la distribution en créneaux 14 à périodicité spatiale p est équivalente à une somme de distributions sinusoïdales à périodicité p/K ... d'amplitude lentement décroissante lorsque K croit.Il existe une cor rélation entre l'amplitude des distributions de périodicité p/K et la puissance relative des faisceaux d'ordre Ko En ménageant, comme schématisé à la figure 3 des dégradés de densité optique aux bords des traits du réseau 23, en sorte que le centre des traits 23b soit entièrement opaque, et le centre des intervalles 23a soit pratiquement transparent, et que la distribution spatiale d'intensité lumineuse le long du réseau ait l'allure de la courbe 24,on diminue l'amplitude des harmoniques de rang élevé, et la puissance emportée par les faisceaux d'ordre élevé correspondants.Ce dégradé est obtenu, comme on le précisera plus loin dans les exemples, en effectuant une copie par contact sur une émulsion photographique, à partir d'un réseau martre à distribution de densité optique analogue à celle de la figure 2 avec une exposition d'insolation réduite par rapport à l'exposition qui engendre une haute résolution.Le réseau maître est gravé à la machine à diviser sur un substrat recouvert sous vide d'une couche mince de métal9 l'ou- til de gravure ayant une largeur convenable, par un proues sus classique0 Toutefois le réseau de la figure 3 présente une transparence globale de 0,5 environ, de sorte que la moitié de la puissance du faisceau incident est perdue, par absorption dans les traits opaques ou réflexion sur ceux-ci. En premiè- re approximation, si la distribution de densité optique arrivait à supprimer tous les ordres supérieurs à 1, on lqe- trouverait 25% de la puissance du faisceau incident dans le faisceau diffracté d'ordre zéro, et 12,5su dans chacun des faisceaux d'ordre +1.Aussi la réalisation d'un tel réseau n'est qu'une phase intermédiaire dans la fabrication d'un réseau selon l'invention. En effet, après la réalisation du réseau à traits opaques constitués de grains d'argent réduits au cours du développement à partir de germes (atomes) d'argent réduits photochimiquement, et fixage de l'émulsion pour éliminer l'halogénure argent non réduit, on réoxyde l'argent réduit sous forme de sulfate d'argent. Les cristaux de sulfate d'argent ont un indice supérieur à l'indice du liant d'émulsion (gélatine ou analogue), de telle sorte que les rayons qui traversent ces cristaux subissent un retard optique, finalement proportionnel à la quantité de sulfate d'argent traversée, et donc à la densité optique du réseau à traits opaques.Ia figure 4 représente schématiquement la forme des fronts d'onde 35 au-delà de la face de sortie du réseau à contraste de phase 33. La combinaison des ondes émergentes décalées en phase selon une distribution à périodicité spatiale donne lieu à la formation de faisceaux diffractés orientés angulairement comme les faisceaux issus d'un réseau classique. Toutefois la répartition de puissance dans les faisceaux diffractés est différente. Tout d'abord le réseau ne réfléchit ou n'absorbe qu'une faible fraction de la puissance du faisceau incident. En outre la fraction de la puissance incidente qu'emportent 19s faisceaux diffractés dépend de deux termes, le taux d'harmonique de la distribution spatiale de phase, et la profondeur de modulation de phase de cette distribution.Si le premier terme répartit la puissance entre les faisceaux d diffractés dans des conditions analogues à ce qui a été évoqué à propos de la figure 3, le second terme a une action sélective pour deffl faisceaux diffractés à orientation déterminée. Ainsi, Si dans la direction d'un faisceau diffracté, la composition des rayonnements élémentaires issus de la face de sortie fait apparaître une compensation exacte de rayonnements en opposition de phase, la puissance emportée par ce faisceau sera pratiquement nulle. Théoriquement on pourrait obtenir des répartitions de type 50% sur l'ordre zéro et 25% sur les ordres +1 et -1, ou bien 50% sur chacun des ordres +1 et -1 avec une puissance négligeable sur l'ordre zéro.Dans la pratique, comme on le précisera plus loin, on a obtenu 60% pour l'ordre zéro et 13 à 15% pour les ordres +1, ainsi que 10% sur l'ordre zéro et 25 à 30% sur les ordres +1. On va maintenant définir des modes d'exécution pratiques de l'invention. On utilise comme émulsion des plaques Holotest 1C E 75 de Agfa Gevaert. Le révélateur et le fixateur utilisés sont fournis par Agfa Gevaert sous les désignations respectives G3P et G 334. On prépare un bain de blanchiment en deux solutions A) dans un litre d'eau distillée on ajoute 14 ml d'acide sulfurique concentré (25 g environ) et 30 g de bichromate de potassium; B) dans un litre d'eau distillée on dissout 45 g de chlorure de sodium le bain de blanchiment étant constitué, au moment de l'emploi, d'un mélange extemporané de quantités égales des solutions A et B, Pour l'insolation de l'émulsion, au contact d'un réseau maître on utilise en projecteur un agrandisseur (AHEL 12P), équipé d'une lampe à incandescence opale, d'un condenseur de diamètre 102 mm et d'un objectif de 50 mm de focale ouvert à F/5,6. l'appareil est réglé soigneusement pour que le flux lumineux dans le plan de travail soit bien uniforme et égal à 125 lux.En outre l'agrandisseur est équipé d'un temporisateur d'exposition précis à 0,1 s au moins. Il est à noter que les caractéristiques du réseau dépendant de l'exposition, il convient de travailler dans des conditions d'exposition, et de traitements consécutifs de l'émulsion, bien reproductibles, EXEMPLE I Fabrication d'un réseau de vélocimètre pour liquides. On expose l'émulsion pendant 4,0 secondes. - Développement (AGFA G 3 P) 3 mn 30 s - Rinçage 5 mn - Fixage (AGFA G 334) 3 mn 30 s - Rinçage 5 mn - Immersion dans de l'eau contenant 0,1% de mouillant AGEPAN (Agfa Gevaert) 1 mn - Séchage 7 mn On projette sur le réseau le faisceau issu d'un laser Spectra-Physics de 2,9 mW de puissance. On relève à l'aide d'une cellule photoélectrique la puissance relative des faisceaux des différents ordres, en faisant tourner le réseau autour de son axe pour évaluer les fluctuationsO On obtient sur l'ordre 0 60% sur les ordres +1 et -1 13-15S EXEMPLE Il Fabrication d'un réseau de vélocimètre pour soldes, On opère comme pour l'exemple I, sauf que le temps d'exposition est porté à 4,5 secondes. On obtient sur l'ordre O 10% sur les ordres +1 et -1 25-50* Pour le montage du réseau sur l'axe d'un moteur, la plaque est découpée en disque avec un trou central, à l'outil diamanté, en protégeant l'émulsion, puis on ouste un simbleau adapté à l'axe du moteur dans le trou centrale On a donné ici deux exemples particulièrement représentatifs, mais il est clair qu'antérieurement on a exécuté une série de réseaux d'essais, en faisant varier par échelons le temps d'exposition, et en procédant au controle de# la repartition des puissances dans les faisceaux d'ordres successifs, de façon à déterminer expérimentalement les lois qui relient la répartition des puissances et le temps d'exposition, et pouvoir sélectionner le temps d'exposition conduisant à une répartition des puissances voisines de la répartition désirée. En technique photographique, il est de pratique courante pour un homme du métier d'exécuter des essais en temps de pose échelonnée pour sélectionner le temps de pose le mieux adapté au but poursuivi On ajoutera qu'il sera souvent prudent d'étalonner des lots d'émulsion par un processus analogue, afin de pouvoir procéder à des corrections0 Il est par ailleurs évident que l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits, notamment aux conditions expérimentales, type d'émulsion et produits de traitement présentés, mais en embrasse toutes les variantes dsexéca- tion. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un réseau optique annulaire à traits radiaux à contraste de phase transmise, destiné à former par rotation deux faisceaux diffractés décalés en fréquence à partir d'un faisceau incident cohérent, procédé où l'on effectue par insolation au contact une copie sur une émulsion photographique à lthalogénure d'argent d'un réseau maître gravé avec des transitions brusques de densité optique transversalement aux traits, on développe et on fixe l'émulsion, caractérisé en ce que l'on règle l'insolaS tion en sorte que la copie développée comporte des transi~ tions de densité optique dégradées transversalement aux traits, et on immerge la copie fixée dans un bain de blanc chiment apte à transformer l'argent réduit en sel d'argent transparent, en sorte que la marche optique à travers le réseau soit fonction de la densité optique avant blanchi ment0 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on constitue le bain de blanchiment par mélange extemporané en parts égales de deux solutions aqueuses, l'une contenant environ 25 g d'acide sulfurique et 30 g de bichromate de potassium, et l'autre environ 45 g de chlorure de sodium par litre. 3. Procédé suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on insole l'émulsion en lumière blan- che. 4. Procédé suivant une quelconque des revendioations 1 à 3, caractérisé en ce qu'on règle l'insolation en ajustant la durée d'exposition suivant une loi prédéterminée expéri mentalement, en sorte que la différence de marche optique maximale ait une valeur choisie0