Brevet FR2620224A1 — publié le 19890310

La présente invention concerne des dispositifs pour la caractérisation spectrale et, plus particulièrement,des dis- positifs pour la caractérisation spectrale d'une émission laser. *Le dispositif pour la caractérisation spectrale d'une émission laser est prévu notamment pour le contrôle automa- tisé de la longueur d'onde et de la largeur d'une émission laser pulsée et continue, et peut être soit intégré à des systèmes laser automatisés à vocation industrielle ou scien- tifique, soit utilisé comme un appareil de contrôle et de mesure autonome. I1 existe un dispositif pour la caractérisation spectra- le d'une émission laser comportant un interféromètre de Fizeau (coin optique) constitué par deux plaques planes de verre, un collimateur formant le front d'onde plan de l'émis- sion à mesurer ayant une ouverture déterminée par le photoré- cepteur linéaire utilisé pour enregistrer la distribution spatiale de l'intensité du champ d'interférence produit par l'interféromètre en réflexion et un système servant au trai- tement de l'information optique fournie par le photorécepteur linéaire et au calcul assisté par un ordinateur de la longueur d'onde émise (US A, 4173442). La mesure de la longueur d'onde émise par ce dispositif s'effectue en deux étapes: par période spatiale de l'image d'interférence et par position des maxima d'interférence fixés par la photorécepteur. Le dispositif existant, en plus d'avoir une précision de mesure limitée par l'emploi d'un interféromètre unique, est incapable de déterminer la structure spectrale de l'émis- sion, car la résolution de l'interféromètre dédoubleur utilisé est réduite. Un désavantage encore à noter est que ledit dispositif est très exigeant sur la qualité des éléments optiques et du photorécepteur, étant donné que l'inhomogénéité, aussi petite soit-elle, du front d'onde incident, les distorsions introduites par la voie d'enregis- trement optique, tout comme la non-linéairité de l'interféro- mètre lui-même, sont prohibitives. Un seuil relativement élevé de sensibilité énergétique du dispositif est imposé par la petitesse de la réflecti- vité des surfaces sans couches appliquées par vaporisation des plaques de verre faisant fonction de miroirs dans les interféromètres de Fizeau ainsi que par un filtrage spatial soigneux de l'émission entrante, nécessaire pour avoir un front incident de haute qualité. Il existe également un dispositif pour la caractérisation spectrale d'une émission laser dont le trajet optique comporte une suite d'un télescope formateur, d'un séparateur servant à diviser le faisceau formé par le télescope en faisceaux individuels, et d'une rangée d'interféromètres (par exemple de Fizeau), dont le nombre est celui de faisceaux individuels, chacun étant placé dans le chemin du faisceau individuel respectif. Ces interféromètres ont des bases différentes et adaptées entre elles de façon à permettre une égalité approximative entre le domaine de dispersion d'un interféromètre à plus grande base et l'inter- valle de confiance de détermination de la longueur d'onde sur un interféromètre précédent de base moindre. Le dispo- sitif existant contient également une rangée de photoré- cepteurs dont le nombre est celui des interféromètres, cha- cun étant placé après l'interféromètre respectif sur le trajet optique, et un bloc de traitement de l'information qui a ses entrées raccordées aux sorties des photorécepteurs (cf. Appl. Physics, 25, 1981, N. Konishi et autres,"High precision wavelength meter with Fabry-Perot optic"). Comme précédemment, la mesure s'opère par l'analyse des images d'interférence fixées par les photorécepteurs. Le dispositif existant est conçu autour de quatre inter- féromètres, dont chacun est réalisé et monté séparément des autres, possède son système individuel de fixation et d'alignement, ce qui augmente beaucoup la taille du dispositif et peut entraîner son désalignement en utilisa- tion et, par le fait même, la perte de précision et de stabilité de la mesure (par stabilité de la mesure, on entend la probabilité d'absence de défaut dans l'algorithme de calcul de la longueur d'onde émise par affinements succes- sifs à partir de l'information provenant d'interféromètres à bases croissantes). Un inconvénient encore à noter est que le vidage et la thermostatisation des interféromètres (et, autant que possible, de l'ensemble du bloc optique du dis- positif) posent des problèmes difficiles dans le dispositif existant. L'invention vise à créer un dispositif pour la caracté- risation spectrale d'une émission laser, dont le bloc optique soit conçu de manière à éviter le désalignement mutuel des interféromètres en utilisation, ce qui permet- trait d'améliorer la précision et la stabilité de mesure, de réduire dimensionnellement le dispositif et de faciliter le vidage et la thermostatisation des interféromètres. Le but posé est atteint par le fait que, dans un dispo- sitif pdur la caractérisation spectrale d'une émission laser comportant, placés l'un après l'autre dans le chemin optique, un télescope formateur, un séparateur pour diviser le faisceau formé par le télescope en faisceaux individuels, une rangée d'interféromètres de Fizeau, dont le nombre est celui desfaisceaux individuels, placés chacun sur le trajet du faisceau individuel respectif et ayant des bases diffé- rentes et adaptées entre elles de façon à assurer une égali- té approximative entre le domaine de dispersion d'une interféromètre à plus grande base et l'intervalle de confian- ce de détermination de la longueur d'onde sur un interféro- mètre précédent de base moindre, une rangée de photorécepteurs, dont le nombre est égal à celui des interféromètres de Fizeau, chacun étant placé après l'interféromètre respectif dans le chemin optique, et un bloc de traitement de l'information qui a ses entrées raccordées aux sorties des photorécepteurs, selon l'invention, tous les interféromètres de Fizeau sont réalisés sous la forme d'un monobloc en matière transparente, dont les éléments sont reliés entre eux par contact optique et qui comprend deux plaques parallèles, assemblées de manière à former un interstice entre elles et dont l'une sert de base au monobloc, l'autre étant dotée, sur sa surface tournée vers l'interstice, d'un dépôt à réflexion qui fait fonction de miroir commun à tous les interféromètres de Fizeau d'une rangée, et une rangée de plaques en coin, dont le nombre est celui des interféro- mètres de Fizeau, d'épaisseur différente, chacune desdites plaques possédant sur l'une de ses faces formant le coin optique un dépôt à réflexion, lesdites plaques étant placées sur la base du monobloc, dans l'interstice, de façon que les arêtes des coins optiques des plaques en coin soient parallè- les l'une à l'autre, que les surfaces munies du dépôt à réflexion sont tournées vers le miroir commun et fassent fonction d'autres miroirs des interféromètres, les épaisseurs moyennes des plaques en coin étant choisies de manière à permettre l'accord des bases des interféromètres. Il est bon que, dans un dispositif utilisant, comme télescope formateur, un télescope à miroirs cylindriques selon l'invention, le séparateur comporte autant de miroirs pivotants de réflexion qu'il y a d'interféromètres de Fizeau, que lesdits miroirs soient installés parallèlement l'un à l'autre et décalés, le suivant par rapport au précédent, dans un sens perpendiculaire à l'axe du faisceau, d'une partie du diamètre du faisceau inversement proportionnelle au nombre d'interféromètres de Fizeau, de façon à assurer une division du faisceau dans le champ, les bords de travail des miroirs pivotants résultant de leur décalage relatif devant être perpendiculaire aux génératrices des surfaces cylindriques des miroirs du télescope et aux arêtes des coins optiques des plaques en coin. Le dispositif pour la caractérisation spectrale d'une émission laser selon l'invention permet, grâce à la réali- sation du bloc optique d'interféromètres de Fizeau sous la forme d'un monobloc compact doté d'un support commun, la base,et d'un support servant de miroir commun, d'améliorer la stabilité à l.ong terme de performances des interféromètres tellesque la longueur optique à un point donné de l'inter- féromètre, l'angle du coin optique de l'interféromètre et- l'anQle d'incidence de l'émission sur l'interféromètre, et par le fait même de réduire l'erreur à long terme de mesure de la longueur d'onde émise et de contribuer à la stabilité de fonctionnement de l'appareil ou, autrement dit, d'augmenter la probabilité de mesures sans défaut de la longueur d'onde en utilisant un algorithme de calcul consistant à évaluer de proche en proche la longueur d'onde à partir de l'information en provenance des interféromètres de Fizeau ayant des bases croissant d'un interféromètre à l'autre. L'association,dans une forme de réalisation particulière du dispositif selon l'inven- tion, d'un télescope à miroirs cylindriques et d'un séparateur à division du faisceau dans le champ confère au dispositif un seuil beaucoup plus élevé de sensibilité en puissance de l'émission continue ou en énergie de l'émission pulsée. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels: - la figure 1 schématise un dispositif pour la caracté- risation spectrale d'une émission selon l'invention; - la figure 2 représente une vue suivant la flèche A de la figure 1 du monobloc; - la figure 3 montre une coupe suivant la ligne III-III de la figure 1. Le dispositif pour la caractérisation spectrale d'une émission laser selon l'invention, représenté aux figures 1, 2, 3 comporte, placés l'un après l'autre dans le chemin optique, un diaphragme d'entrée 1, un télescope formateur 2 à miroirscylindriques 3 et 4, un séparateur 5 servant à diviser le faisceau 6 formé par le télescope 2 en faisceaux individuels 7 de moindre section transversale, une rangée d'interféromètres de Fizeau, dont le nombre est celuides faisceaux individuels 7, chacun étant sur le trajet du faisceau respectif 7 et réalisés sous la forme d'un monobloc 8, une rangée de photorécepteurs 9 dont le nombre est celui des interféromètres, chacun étant placé après l'interféromètre respectif, et un bloc 10 de traite- ment de l'information qui a ses entrées raccordées aux sorties des photorécepteurs 9. Dans la forme considérée de réalisation particulière du dispositif, une rangée comporte quatre éléments, par exemple quatre photorécepteurs 9, quatre interféromètres de Fizeau et ainsi de suite. Les miroirs cylindriques 3 et 4 (figure 1 et 3) font fonction d'objectif et de collimateur du télescope 2. Le séparateur 5 comporte quatre miroirs pivotants à réflexion totale 11, parallèles les uns aux autres et disposés à 45 par rapport à l'axe optique 12 qui s'entend comme une ligne passant par le centre de l'ouverture du diaphragme 1 et les focales conjuguées (confondues) des miroirs cylindriques 3 et 4, perpendiculairement aux génératrices desdits miroirs. Les bords de travail 13 des miroirs ll d'une largeur k sont limités par des arêtes 14; les miroirs 11 sont disposés de façon que leurs arêtes 14 soient perpendiculaires aux génératrices des miroirs cylindriques 3 et 4 et décalées, la suivante par rapport à la précédente, sur le trajet optique, dans un sens perpendiculaire à l'axe 12 du faisceau 6, d'une partie de diamètre D du faisceau entrant 15 qui est inversement proportionnelle au nombre de miroirs diviseurs 11, en l'occurence de D/4, pour permettre la division dans le champ du faisceau 6 après le télescope 2. Le monobloc 8 (figuresl et 2) d'interféromètres de Fizeau se compose de deux plaques parallèles optiquement planes 16 et 17, dont la première fait fonction de support du monobloc 8 et la seconde est le miroir commun des interféromètres et pour cette raison, la partie centrale de la surface intérieure de la plaque 17 reçoit un dépôt formant le miroir à transmission partielle 18. Les plaques 16 et 17 sont fixées à l'aide de montants 19 de façon qu'il existe entre elles un interstice a et que les faces des plaques 16 et 17 tournées vers l'interstice soient strictement parallèles. Le support du monobloc 8, la plaque 16, porte quatre plaques en coin 20 à deux faces, optique- ment planes et espacées entre elles de distances moyennes différentes: ai, a2, a3, a4 (voir figure 2). L'une des faces de chacune des plaques 20 sert à la fixation au support du monobloc 8, la face qui lui est opposée, côté dépôt à réflexion 18, ayant un dépôt formant le miroir à transmission partielle 21 qui, avec le dépôt à réflexion 18, constitue un interféromètre du type à coin optique (interféromètre de Fizeau). Les arêtes 22 des coins des interféromètres de Fizeau qui représentent des lignes conventionnelles de croisement des plans des dépôts à réflexion 18 et 21 doivent être à peu près parallèles les unes aux autres. La dimension des montants 19 et les dimensions moyennes ai, a2... des plaques en coin 20 sont choisies de façon à permettre l'accord des bases moyennes hl, h2, h3, h4 des interféromètres de Fizeau. Les montants 19 et les plaques en coin 20 sont couplés aux plaques 16 et 17 à l'aide d'un contact optique poussé. Toutes les pièces du monobloc 8 sont réalisées en un maté- riau transparent (quartz fondu). Le monobloc 8 est fixé par rapport au séparateur 5 de façon que l'axe optique 12 du faisceau 6, après sa réflexion par les miroirs pivotants 11, soit perpendiculaire au plan du dépôt à réflexion 18, les arêtes 22 des coins des interféromètres étant perpendiculaires aux arêtes 14 desdits miroirs pivotants 11. Les quatre photorécepteurs 9 (autant qu'il y a d'interféromètres de Fizeau) représentent des photorécep- teurslinéaires à couplage de charge au silicium. Pour des raisons d'efficacité du photoenregistrement, les photoré- cepteurs 9 sont précédés de lentilles focalisatrices cylindriques 23, éliminables dans le cas de photorécepteurs à domaine photosensible suffisant. En vue de combattre l'effet qu'a la dispersion de l'indice de refraction, de la pression et de la composition du milieu gazeux o se trouve le dispositif sur la préci- sion de mesure, le monobloc 8 est placé dans une chambre étanche 24 qui peut être vidée. L'émission pénètre dans la chambre 24 par la fenêtre 25. L'influence thermique sur la précision et la stabilité de la mesure peut être évitée par la thermostatisation de la chambre 24. En variante, on peut neutraliser les effets thermiques par le calorifugeage de la chambre 24, et la mesure de la température du monobloc 8 en vue d'apporter une correction de température aux résultats de mesure de la longueur d'onde émise. Le facteur du télescope 2, la dimension "t" des miroirs ll le long de l'arête 14, et la longueur des plaques en coin 20, égale à "'e", sont choisis de façon à adapter les dimensions des images d'interférence dans le sens de la dispersion des interféromètres à coin à la longueur du domaine photosensible des photorécepteurs 9. Les anglesOL- des coins des interféromètres sont adaptés de manière à permettre l'enregistrement d'un nombre prédéterminé de franges. Le bloc 10 de traitement de l'information optique possè- de plusieurs voies (autant qu'il y a de photorécepteur 9). Chaque voie comporte un contrôleur 26 de photorécepteur ayant pour fonction la gestion du photorécepteur à coupla- ge de charge 9, la formation du signal vidéo, la conver- sion analogique-numérique et le prétraitement de l'interférogramme en temps réel à l'aide d'un microproces- seur incorporé. Le bloc 10 contientégalement un processeur central incorporé 27 connecté aux contrôleurs 26 et doté d'un clavier de commande et d'un affichage 28. Ainsi configuré, le bloc 10 de traitement de l'information opti- que permet d'utiliser le dispositif au maximum de sa rapidité de fonctionnement. Le principe de fonctionnement du dispositif pour la caractérisation spectrale d'une émission laser selon l'invention, représenté aux figures 1, 2 et 3, consiste en ce qui suit. Le flux lumineux d'entrée à étudier, transmis par le diaphragme d'entrée 1 et le télescope à miroirs cylindri- ques 2, arrive sur le séparateur 5 o il se divise en quatre faisceaux 7, autant qu'il y a d'interféromètres de Fizeau. La division du faisceau 6 dans le champ est de préférence dans le dispositif considéré, car elle permet d'augmenter la sensibilité énergétique du dispositif par l'adaptation optimale de la configuration spatiale du faisceau 7 à la taille du domaine photosensible du photorécepteur 9. L'emploi d'un télescope à miroirscylindriques 2, de lentilles focalisatrices cylindriques 23, placées devant les photorécepteurs 9, et d'un séparateur 5 servant à diviser dans le champ le faisceau 6, offre au dispositif un seuil essentiellement plus bas de sensibilité en puissance de l'émission continue ou en énergie de l'émission pulsée. Le front plan d'émission sous la forme d'une frange étroite (faisceaux 7), plus large dans le sens de la disper- sion des interféromètres de Fizeau, tombe sur la plaque 17 normalement au dépôt formant le miroir commun 18, pour produire, derrière la plaque 17, une image d'interférence sous la forme de franges étroites, dites d'égale épaisseur, qui est fixée par les photorécepteurs linéaires 9. Les signaux fournis par les photorécepteurs 9 portent une information caractéristique de l'image d'interférence spatiale de l'émission à analyser; cette information subit un traitement dans le contrôleur 26, dont le but est de déterminer la position des franges et leur largeur inter- venant dans le calcul par le processeur 27 de la longueur d'onde de l'émission laser, affichable sur l'affichage 28. Les algorithmes de caractérisation spectrale de l'émis- sion utilisent les résultats d'étalonnage des interféromètres de Fizeau consistant à définir les paramètres des inter- féromètres à partir de l'analyse des images d'interférence propres à une émission à caractéristiques spectrales connues (raies de repère). La précision de mesure de la longueur d'onde laser par le dispositif selon l'invention tient notamment à la taille de la base h4 du dernier interféromètre (ayant la plus grande base). Les bases hi, h2, h3 des autres interféromètres de Fizeau sont choisies pour établir une égalité approximative entre le domaine de dispersion de l'interféromètre à plus grande base et l'intervalle de confiance de détermination de la longueur d'onde (suivant un niveau de confiance donné) sur une interféromètre précédent de base moindre, à l'étape d'affinement de la longueur d'onde d'après l'interféromètre de base minimale hl, la préestimation de la longueur d'onde étant effectuée par la période des images d'interférence. Il est dès lors clair que la multiplication des interféromètres de Fizeau sans perte de la haute précision de mesure peut être associée à une bien moindre rigueur d'affinement de la longueur d'onde à chaque étape de calcul. Il s'ensuit que l'on peut être moins exigeant sur la précision de l'analyse des images d'interférence et la qualité de fabrication des éléments optiques. Dans l'utilisation du dispositif, les performances des interféromètres, telles que la longueur optique en un point donné, l'angle eLdu coin et l'angle d'incidence de l'émission sur l'interféromètre, ainsi que d'autrescarac- téristiques, peuvent subir une dérive temporelle apportant des risques d'erreur de mesure de la longueur d'onde et de diminution de la probalité que la mesure ne soit sujette à un défaut (l'absence de défaut signifie que les ordres des maxima d'interférence sur tous les interféromètres sont déterminés correctement). En vue de réduire l'erreur de mesure et d'améliorer sa validité par la prise en considé- ration de ladite dépréciation des interféromètres, les dispositifs similaires de l'art antérieur sont générale- ment soumis à un réétalonnage d'après les raies de repère de l'émission laser. Le dispositif pour la caractérisation spectrale d'une émission laser selon l'invention, dont tous les interféro- mètres sont réalisés de façon à former un seul monobloc compact, offre une meilleure stabilité des performances à long terme, ce qui permet au dispositif de s'affranchir du réétalonnage pendant une longue durée. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Dispositif pour la caractérisation spectrale d'une émission laser du type comportant,l'un après l'autre dans le chemin optique, un télescope formateur, un séparateur pour diviser le faisceau formé par le télescope en faisceaux individuels, une rangée d'interféromètres de Fizeau, dont le nombre est celuides faisceaux individuels, chacun étant placé sur le trajet du faisceau individuel respectif et ayant des bases différentes et adaptées entre elles de façon à assurer une égalité approximative entre le domaine de dispersion d'un interféromètre à plus grande base et l'intervalle de confiance de détermination de la longueur d'onde sur un interféromètre précédent de base moindre, une rangée de photorécepteurs dont le nombre est celui des interféromètres de Fizeau, chacun étant placé après l'inter- féromètre respectif dans le chemin optique, et un bloc de traitement de l'information qui a ses entrées raccordées aux sorties des photorécepteurs, caractérisé en ce que tous les interféromètres de Fizeau sont réalisés de façon à former un monobloc (8) en matière transparente, dont les éléments sont reliés entre eux par contact optique et qui comprend deux plaques parallèles (16) et (17) assemblées de manière à former un interstice (a) entre elles et dont l'une sert de support au monobloc (8), l'autre étant dotée de sa surface tournée vers l'interstice d'un dépôt à réflexion (18), qui fait fonction de miroir commun à tous les interféromètres de Fizeau d'une rangée, et une rangée de plaques en coin (20), dont le nombre est celui des interféromètres de Fizeau, d'épaisseur différente, en ce que chacune desdites plaques possède, sur l'une de ses faces formant le coin optique, un dépôt à réflexion (21), en ce que lesdites plaques sont placées sur le support du monobloc (8), dans l'interstice, de façon que les arêtes (22) des coins optiques des plaques en coin (20) soient parallèles, en ce que les surfaces munies de dépôt à réflexion (21) sont tournées vers le miroir commun et font fonction de seconds miroirs des interféromètres de Fizeau, les épaisseurs moyennes (al, a2, a3 a4) des plaques en coin (20) étant choisies de manière à permettre l'adaptation des bases (hl, h2,h3,h4) des interféromètres. 2. Dispositif selon la revendication 1,du type utilisant comme télescope formateur un télescope à miroirs cylindri- ques, caractérisé en ce que le séparateur (5) comporte autant de miroirs pivotants de réflexion (11) qu'il y a d'interféromètres de Fizeau, en ce que lesdits miroirs sont installés parallèlement les uns aux autres et décalés, le suivant par rapport au précédent, dans un sens perpendi- culaire à l'axe (12) du faisceau (6) d'une partie du diamètre du faisceau (15) inversement proportionnelle au nombre d'interféromètres de Fizeau, de façon à diviser le faisceau (6) dans le champ, les bords de travail (13) des miroirs pivotants (11) résultant de leur décalage relatif étant perpendiculaires aux génératrices des surfaces cylindriques des miroirs (3 et 4) du télescope (2) et aux arêtes (22) des coins optiquesdes plaques en coin (20).