Brevet FR2639433A1 — publié le 19900525

L'invention a pour objet un procédé pour la mesure de la puissance d'un rayonnement, en particulier à gamme étroite de longueurs d'ondes, utilisant un dispositif de détection du rayonnement qui, exposé à ce rayonnement, émet au-moins un signal électrique proportionnel à la puissance. La mesure la plus simple de la puissance d'un rayonnement se fait au moyen d'un transducteur. d'un transducteur électro-optique dans le cas d'un rayonnement optique, qui délivre un signal initial, proportionnel à la puissance du rayonnement incident. Toutefois, les procédés habi- tuels consistent à mesurer séparément la longueur d'onde et la puissance d'un rayonnement. Les procédés classiques pour la mesure de la longueur d'onde d'un rayonnement sont fondés sur l'apparition d'effets de diffraction ou d'interférence. La figure la présente un montage pour appliquer un tel procédé suivant un principe connu. Ce montage utilise un prisme 2 qui, du fait de son indice de réfraction plus élevé que celui du milieu dans lequel se propage le rayonnement 1 sous forme d'un faisceau parallèle. réfracte ce rayonnement. La partie du rayonnement à plus faible longueur d'onde est plus fortement réfractée que celle à plus grande longueur d'onde. De ce fait, on peut, dans le plan 4, détecter la partie à plus faible longueur d'onde (par exemple lumière bleue dans le cas d'un rayonnement optique) suivant la direction 5, alors que la partie de plus grande longueur d'onde (lumière rouge) peut être détectée suivant la direction 6. La figure lb montre un autre procédé connu qui consiste à utiliser un réseau de diffraction 3 qui, dans le cas le plus simple, peut être constitué par une fente. Par ce réseau, un faisceau incident 1 est diffracté de sorte que, dans un plan 4, la partie du rayonnement ayant la plus grande longueur d'onde peut être détectée suivant la direction 6 et la partie ayant la plus faible longueur d'onde suivant la direction 5. Dans ces deux procédés les différentes longueurs d'ondes d'un rayonnement sont étalées linéairement. A l'aide de la figure 2 on évoque également brièvement le procédé connu qui consiste à déterminer la longueur d'onde par l'intermédiaire du phénomène d'interférence en utilisant l'interféromètre dit de Michelson. Au moyen d'une lame séparatrice ou d'un cube diviseur 2 un faisceau de lumière parallèle 1 est divisé en au-moins deux faisceaux partiels. Ces faisceaux partiels sont réfléchis suivant leur direction d'incidence par deux miroirs 3 et 4 et renvoyés sur la surface séparatrice de 2. Une partie du rayonnement résultant se propage suivant le faisceau incident 1 mais en sens opposé, alors que l'autre partie du rayonnement peut être décelée par le détecteur 5. Lorsqu'un des miroirs, par exe'mple le miroir 4, se déplace parallèlement à la direction de propagation du faisceau, des franges d'interférence, alternativement claires et sombres, apparaîtront sur le détecteur 5, à condition que le rayonnement soit cohérent. La longueur d'onde est alors proportionnelle au déplacement du miroir et inversement proportionnelle au nombre de périodes de franges claires et sombres apparaissant sur le détecteur. Ce procédé ne s'applique qu'à l'analyse d'un rayonnement monochromatique et ne peut donc pas être utilisé pour un rayonnement constitué par un mélange de différentes longueurs d'ondes. Le but poursuivi par l'objet de l'invention consiste à définir un procédé pour la mesure de la longueur d'onde et de la puissance d'un rayonnement du type indiqué et à concevoir un montage permettant d'appliquer ce procédé et de réaliser, avec des moyens techniques relativement simples, une mesure simultanée de la puissance d'un rayonnement et de sa longueur d'onde prépondérante, grandeurs qui sont par exemple nécessaires pour le réglage précis d'une diode laser. Partant du procédé tel qu'il est exposé ci-dessus, le but recherché par lI'invention est atteint par l'utilisation d'au moins deux dispositifs de détection du rayonnement, présentant des caractéristiques de sensibilité spectrale différentes, qui reçoivent le rayonnement à mesurer et délivrent des signaux électriques initiaux qui sont comparés entre eux pour obtenir un signal électrique proportionnel à la puissance et un signal électrique fonction de la longueur d'onde. Le procédé, conforme à l'invention, permet une mesure simultanée de la puissance d'un rayonne- ment et de sa longueur d'onde prépondérante avec des moyens particulière- ment simples. L'exploitation des signaux initiaux, délivrés par les dispositifs de détection du rayonnement se fait de préférence par la formation de la différence entre les deux signaux initiaux, le signal résultant pouvant être utilisé pour une rétro-action sur un circuit d'asservissement assurant la stabilisation de la longueur d'onde, en particulier pour une diode laser. Le signal traité, proportionnel à la longueur d'onde peut être obtenu en divisant la différence entre les deux signaux initiaux délivrés par les détecteurs par un de ces signaux. Le signal électrique proportionnel à Ja puissance comme celui proportion- nel à la longueur d'onde peuvent être utilisés comme signaux de rétro- action dans un circuit d'asservissement assurant la stabilisation de la longueur d'onde. Pour toute une série d'applications, telle que par exemple la régulation d'une diode laser, il suffit de déterminer le centrage de la gamme de longueurs d'ondes qui. de toute manière, est une gamme à bande étroite. Le signal de rétro-action peut utilement servir à mettre en oeuvre un actionneur, le signal initial du détecteur étant amplifié ou atténué sous l'effet de cet aclionneur de sorte que le signal de rétro-action devienne nul. L'invention englobe également un montage conçcu pour l'application du procédé, objet de l'invention. Ce montage comporte essentiellement deux dispositifs de détection du rayonnement, présentant des caractéristiques de sensibilité spectrale différentes. Ces dispositifs de détection du rayonnement sont disposés de manière à recevoir le rayonnement émis par une même source; un circuit de traitement, branché aux sorties des dispositifs de détection du rayonnement, transforme les signaux initiaux. délivrés par ces dispositifs, en un signal électrique proportionnel à la puissance et un signal électrique proportionnel à la longueur d'onde. Les deux dispositifs de détection peuvent être constitués par des photo- diodes, l'une d'elles étant précédée d'un filtre optique qui élimine certaines gammes de longueurs d'ondes du rayonnement à mesurer. Le filtre optique utilisé est conçu ou choisi de sorte que la gamme de longueurs d'ondes qu'il laisse passer (gamme de mesure) corresponde au flanc montant ou au flanc descendant de la caractéristique du filtre. De ce fait, la caractéristique de sensibilité de l'un des dispositifs de détection présente, pour la gamme de mesure considérée, une décroissance ou une croissance d'allure pratiquement linéaire. Le filtre optique utili- sé peut également être un filtre qui bloque la lumière du jour. Pour mieux cerner le centre de la gamme de longueurs d'ondes à mesurer, on a finalement aussi la possibilité de prévoir au moins un dispositif supplémentaire de détection du rayonnement, présentant une caractéristi- que de sensibilité de pente différente et une décroissance ou une croissance pratiquement linéaire pour la gamme de mesure considérée. La division du rayonnement émis par la source en plusieurs parties peut se faire utilement au moyen d'un diffuseur. Le montage conforme à l'invention est en particulier conçu pour servir de système d'asservissement d'une diode laser. Toutefois, l'invention n'est pas limitée au domaine optique, le procéde et le montage, objets de l'invention, pouvant être utilisés dans une large gamme de rayonnements électromagnétiques, à condition de prévoir des éléments adaptés à la gamme de longueur d'onde que. l'on cherche à traiter. Les schémas joints en annexe illustrent plus en détail, à titre d'exemple, lI'objet de l'invention; ces figures montrent: Fig. la, lb et 2: des montages connus pour la mesure de la longueur d'onde et de la puissance d'un rayonnement; Fig. 3: un diagramme des caractéristiques de sensibilité des deux dispositifs de détection du rayonnement; Fig. 4: un montage pour l'application du procédé conforme à l'invention; Fig. 5: un autre exemple de montage pour l'application du procédé conforme à l'invention. Les deux montages présentés sur les figures 4 et 5 permettent d'obtenir, avec des moyens techniques très restreints, un signal électrique proportionnel à la puissance et un signal électrique proportionnel à la longueur d'onde d'un rayonnement. De tels signaux sont nécessaires par exemple pour l'asservissement de diodes lasers ou pour la correction de mesures effectuées à l'aide de diodes lasers. Les montages présentés permettent aussi d'effectuer, de manière simple, une comparaison des longueurs d'ondes de différentes diodes lasers. Au moyen d'un dispositif d'étalonnage simple, on peut aussi faire une mesure en valeur absolue de la longueur d'onde. Le montage présenté sur la figure 4 comporte essen- tiellement deux dispositifs de détection du rayonnement 4, 4', constitués par des photodiodes ordinaires qui servent normalement uniquement pour la mesure de la puissance d'un rayonnement. Toutefois, dans le montage présenté, une des photodiodes 4' est précédée d'un filtre optique 5 qui élimine une certaine gamme de longueur d'onde, n'intéressant par exemple pas le processus d'asservissement. Le filtre optique est choisi de sorte que la gamme de longueurs d'ondes qu'il laisse passer (gamme de mesure) corresponde au flanc montant ou au flanc descendant de la caractéristique du filtre. De ce fait, les caractéristiques de sensibilité spectrale des dispositifs de détection deviennent différentes pour la gamme de mesure considérée. Ceci est illustré par la figure 3 qui donne une présentation idéalisée de deux courbes de sensibilité. En ordonnée 1 on a la sensibili- té spectrale et en abscisse 2 la longueur d'onde. Pour la gamme de longueurs d'ondes considérée 5 - 6, la sensibilité du premier détecteur 4 reste pratiquement constante, alors que celle du second détecteur 4' décroît, dans l'exemple montré, de manière linéaire pour les longueurs d'ondes croissantes. Le rapport des signaux délivrés par les deux détecteurs, rapporté à une puissance de rayonnement donnée qui peut par exemple être directement fournie par le premier détecteur 4, est directement proportionnel à la longueur d'onde. Pour un signal de rétroaction destiné à l'asservissement de la longueur d'onde de diodes lasers, par exemple, il suffit de faire la différence entre les deux signaux délivrés par les détecteurs. Le montage présenté et le procédé, objets de l'invention, fournissent ainsi une information sur le centrage d'une gamme de longueurs d'ondes, étant entendu qu'un ensemble de longueurs d'ondes étalées sur une large bande ne sera pas disjoint, comme ceci se produit dans le procédé bien connu fondé sur la diffraction. Dans l'exemple d'application présenté, spécialement destiné à l'asservissement de diodes lasers, on ne s'intéresse qu'à la partie centrale prépondérante de la gamme de longueurs d'ondes qui de toute manière est étroite. Dans le montage présenté par la figure 4, le rayonnement 1 qu'il s'agit de mesurer, passe d'abord dans un diviseur de faisceau, par exemple par un diffuseur 2, pour l'obtention de deux faisceaux partiels 3 et 3'. Dans le cas d'un rayonnement fortement divergent ou lors de la présence de lumière diffuse, la division du faisceau existe déjà au préalable. Il faut simplement s'assurer que les faisceaux partiels 3 et 3' ont la même longueur d'onde et que le rapport de leurs puissances reste constant pendant la durée de la mesure. Le faisceau partiel 3 est envoyé directe- ment sur le détecteur 4, alors que le faisceau partiel 3' passe par un filtre 5 avant d'arriver sur le détecteur 4'. Les signaux initiaux 7 et 8, délivrés à la sortis des détecteurs 4 et 4', sont exploités ou traités dans un circuit 9. L'exploitation de ces signaux peut se faire de diffé- rentes manières, par exemple comme indiqué ci-dessus par formation de la différence entre les deux signaux, suivie d'une division par la puissance, pour obtenir à la sortie du circuit d'exploitation 9 en 10 un signal électrique proportionnel à la puissance et en 11 un signal électrique proportionnel à la longueur d'onde. Ces signaux peuvent soit être affichés, soit subir un autre traitement pour servir par exemple à l'asservissement de diodes lasers. 7 2639433 La figure 5 présente un autre exemple de montage, dans lequel tous les éléments qui figurent déjà dans le schéma de là figure 4, sont désignés par les mêmes références. Dans la version de la figure 5 le dispositif de détection du rayonnement 4" constitue une unité comportant une photodiode et un filtre, par exemple un filtre éliminant la lumière du jour. Le flanc de la caractéristique du filtre se situe dans la gamme de longueurs d'ondes considéré. La référence 4 désigne une photodiode ordinaire. Dans la version présentée, le filtre 5 remplit la fonction suivante: Il faut que dans la gamme de longueurs d'ondes à considérer, la variation du rapport des sensibilités spectrales des deux détecteurs soit monotone, pour éviter toute ambiguïté dans l'affectation de la longueur d'onde. Le circuit d'exploitation 9 peut être conçu de manière très simple. Dans la version présentée, par exemple, le signal proportionnel à la puissance peut être directement le signal délivré à la sortie du détecteur 4, alors que le signal 11 proportionnel à la longueur d'onde est obtenu au moyen d'un composant simple, assurant la soustraction entre les signaux 7 et 8 délivrés à la sortie des dispositifs de détection. Les signaux ainsi obtenus suffisent amplement pour assurer un asservissement. En divi- sant en outre le résultat de la soustraction des deux signaux par le signal 7, proportionnel à la puissance, on obtient le signal 11 qui lui dépend uniquement de la longueur d'onde. La présente invention propose donc un procédé et un monlage qui permettent, avec des moyens techniques restreints, de résoudre des problèmes de manière intéressante pour des applications spécifiques, telles que par exemple des opérations d'asservissement ou de commande. Sans sortir du cadre de la présente invention, le spécialiste saura y apporter des modifications et des compléments. Ainsi, il est par exemple possible, pour mieux cerner le centre de la gamme de longueurs d'ondes à mesurer, de prévoir au moins un dispositif supplémentaire de détection du 8 2639433 rayonnement, présentant une caractéristique de sensibilit..de pente différente et une décroissance ou une croissance pratiquement linéaire pour la gamme de mesure considérée. En combinant le signal délivré à la sortie de ce détecteur supplémentaire avec les signaux fournis par les autres détecteurs, on peut résoudre différents problèmes relatifs à des opérations d'asservissement ou de commande et on peut aussi procéder à des mesures plus précises des longueurs d'ondes. Par ailleurs, la présen- te invention n'est pas limitée à l'utilisation de deux ou de trois dispositifs de détection du rayonnement. Revendications 1. Procédé pour la mesure de la puissance d'un rayonnement, en particulier à gammne étroite de longueurs d'ondes, utilisant un dispositif de détection du rayonnement qui, exposé à ce rayonnement, émet au-moins un signal électrique proportionnel à la puissance, caractérisé par le fait qu'au moins deux dispositifs de détection du rayonnement (4, 4'et 5; 4, 4"), présentant des caractéristiques de sensibilité spectrale différentes, reçoivent le même rayonnement à mesurer (1) et que les signaux électriques initiaux, (7, 8), délivrés par au-moins les deux dispositifs de détection de la puissance du rayonnement (4, 4' et 5; 4, 4"), sont compares entre eux pour obtenir le signal électrique proportionnel à la puissance et un signal électrique fonction de la longueur d'onde. 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on forme la différence entre les signaux initiaux, délivrés par les dispo- sitifs de détection du rayonnement. 3. Procédé conforme à la revendication 2, caractérisé par le fait que le signal résultant de la différence entre les signaux initiaux est utilisé pour obtenir un effet de rétro-action dans un circuit d'asservissement, assurant la stabilisation de la longueur d'onde, en particulier d'une diode laser. 4. Procédé conforme à l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait qu'après la formation de la différence entre les signaux initiaux des détecteurs, le signal différentiel ainsi obtenu est divisé par le signal initial d'un des détecteurs (7 ou 8). 5. Procédé conforme à l'une des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que le signal électrique proportionnel à la puissance et le signal électrique proportionnel à la longueur d'onde sont utilisés pour obtenir un effet de rétro-action dans un circuit d'asservissement, assurant la stabilisation de la longueur d'onde. 6. Procédé conforme à la revendication 3 ou 5, caractérisé par le fait que le signal de rétro-action met en oeuvre un actionneur. 7. Procédé conforme à la revendication 6, caractérisé par le fait que, par l'intermédiaire de l'actionneur, les signaux initiaux des détecteurs sont soit amplifiés, soit atténués, de manière telle que le signal de rétro-action soit ramené à zéro. 8. Montage pour l'application du procédé conforme à l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'au moins deux dispositifs de détection du rayonnement (4, 4' et 5; 4, 4"), présentant des caractéristiques de sensibilité spectrale différentes, sont disposés de manière à recevoir le rayonnement (1), émis par une même source, et qu'un circuit de traitement (9), branché aux sorties des dispositifs de détection du rayonnement, transforme les signaux initiaux; délivrés par ces dispositifs (4, 4' et 4, 4"), en un signal électrique proportionnel à la puissance et un signal électrique proportionnel à la longueur d'onde. 9. Montage conforme à la revendication 8, caractérisé par le fait que l'un des dispositifs de détection du rayonnement (4) est constitué par une photodiode normale, alors que l'autre (4' et 5; 4") est constituée par une photodiode comportant un filtre optique (5) qui élimine certaines gammes de longueurs d'ondes. 10. Montage conforme à la revendication 9, caractérisé par le fait que le filtre optique (5) est conçu de sorte que la gamme de longueurs d'ondes qu'il laisse passer (gamme de mesure) corresponde au flanc montant ou au flanc descendant de la caractéristique du filtre. 11. Montage conforme à l'une des revendications 8 à 10, caractérisé par le fait que la sensibilité de l'un des dispositifs de détection du rayonnement (4) reste constante pour la gamme de longueurs d'ondes dans laquelle s'effectuent les mesures et que la sensibilité de l'autre dispositif de détection du rayonnement (4' et 5; 4") présente une croissance ou une décroissance linéaire dans la gamme de longueurs d'ondes des mesures. 12. Montage conforme à l'une des revendications 9 à 11, caractérisé par le fait que l'autre dispositif de détection du rayonnement (4'; 4") est précédé d'un filtre bloquant la lumière du jour ou que le dispositif de détection du rayonnement (4") comporte un filtre bloquant la lumière du jour. l 13. Montage conforme à l'une des revendications 8 à 12, caractérisé par le fait qu'un diffuseur (2) est placé entre la source de rayonnement et les dispositifs de détection (4, 4'; 4, 4"). - 14. Montage conforme à l'une des revendications 8 à 13, caractérisé par le fait qu'il est prévu au-moins un dispositif supplémentaire de détec- tion du rayonnement. présentant une pente différente de sa caractéristique de sensibilité qui doit avoir en gros une croissance ou une décroissance linéaire pour la gamme de longueurs d'ondes dans laquelle s'effectuent les mesures. 15. Montage conforme à l'une des revendications 8 à 14, caractérisé par le fait qu'il fait partie du système d'asservissement d'une diode laser.