Brevet FR2655416A1 — publié le 19910607

La présente invention corerne un perfectionnement aux interféromètres à deux ondes, plus particulièrement dans le cadre de leur application à la mesure de dista nces ou de variations de distances. La figure l A illustre très schématiquement un interfé- romaètre à deux ondes classique, du type interféramitre de Michel- son Un faisoeau incident 1 est séparé par une lame séparatrioe 2 en un pinceau de référen 3 et un pinceau de mesure 4 qui sont renvoyés vers la lame séparatrioe 2 par des réflecteurs, couram- ment des miroirs 5 et 6 pour être reombrirés en un faisceau 7. Si les chemins optiques parcourus par les pineàux 3 et 4 sont distincts, un dehasage existe entre les ondes électro- magnètiques des pinceaux 3 et 4 et des franges d'interférence apparaissent au niveau d'un plan d'observation 8. Cette figure d'interférence coïAprend des franges alter- nativement claires et snombres telles qu'illustrées très schémati- quement en figure l B. Un tel interféromètre peut être utilisé pour mesurer des distances, ou plus généralement des variations de distances. Etant donné une position des miroirs 5 et 6, si l'on déplace l'un des miroirs, par exemple le miroir 6 et que l'on observe l'inten- sité lumineuse au niveau d'une fente placée dans le plan 8, on verra défiler des franges sombres et lumineuses, l'écart entre deux franges sombres oerrespcndant à un déplaoement de l'objet sur lequel est fixé le miroir 6 d'une demi lcngueur d'onde. Ainsi, par omptage des franges, on peut déterminsr le déplacement de l'objet, des interpolations pouvant être effec- tuées entre deux franges. Divers perfectionnements ont été apportés pour amélio- rer la précision de oe type d'appareil (détection syr Khrcoe, stabilisation des faisoeaux, etc), mais il demeure qu'en pratique la précision des appareils commercialement disponibles est de l'ordre du 48 ième de la lcngueur d'onde et la précision opti- male que l'on peut atteindre dans des montages de laboratoire est de l'ordre du millième de frange Ainsi, si la souroe lumineuse émet dans le rouge ( 600 nm), on peut au mieux espérer une précision de l'ordre de 0,3 nm et enoore, on conevra que cette précision est fonction de la qualité d'une interpolation. Ainsi, un objet de la présente invention est d'amé- liorer les interféromètres à deux ondes classiques pour augmenter leur précision, en particulier dans le cas de la mesure des distances. Ces objets de la présente invention sont atteints en utilisant un interféromètre à deux ondes classique et en modi- fiant la polarisation mutuelle des deux ondes pour qu'elles soient polarisées orthogonalement l'une à l'autre lors de leur recambinaison. Ainsi, selon la présente invention, le faisceau recm- binr ne fournit plus une figure d'interférences mais est consti- tué d'une onde électrmagnrtique de polarisation détexiinée en fonction du déphasage entre les deux pinceaux L'état de pola- risation du faisceau reombinbré peut être analysé par différents appareils connus dans le damaine de la polarimétrie, par example des ellipsomatres à lame tournante ou autres analyseurs de pola- risation Comme cela est connu, oes appareils comprennent divers comnposants dont certains ne sont pas ncessaireament disposés en aval du système. Le fait de déterminer un déphasage entre deux fais Ceaux lumineux dû à une différence de chemin optique par une analyse de polarisation plutôt que par un cxnptage de franges augmente onsidérablement la précision de l'appareil de mesure En effet, le fait de traduire des variations de chemin optique en varia- tions arol R 1 aireq de direction de polarisation permet d'atteindre les precisions couraxmment obtenues dans le domaine de la polari- métrie, c'est-à-dire des précisions de l'ordre du centième de degré Ainsi, pour un déplacement d'une demi-longueur d'cnde on pourra obtenir une précision de l'ordre de la demi longueur d'onde divisée par 360 x 100, c'est-à-dire une précision qui peut être 36 fois meilleure que oelle obtenue par comptage de franges. On a vu prédemmennt que, pour une longueur d'onde de 600 nm, la précision pouvait être de l'ordre de 0,3 nm avec un interféro- mètre classique Elle sera maintenant de l'ordre du centième de narnomxtre (un dixième d'arngstrn), c'est-à-dire inférieure aux dimensions atomiques. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 A représente le schéma d'un interféromètre de Michelson classique; la figure l B représente les franges d'interférence obtenues par un appareil du type que celui de la figure 1 A; et la figure 2 illustre très schématiquement un appareil mettant en oeuvre la présente invention. On a représenté en figure 2 un interféraomètre de type Michelson avec de mnmes références que celles utilisées en figure LA. Les différenes essentielles entre le dispositif de la figure 2 et celui de la figure l A sont que: le faisoeau lumineux incident 1 est polarisé; l'un des bras de l'interféromtre c xpre un moyen pour transformer la polarisation incidente en une polarisation ortgoale au moins quand le pinceau lumineux 3 revient sur la lame séparatrice 2 pour se reombiner avec l'autre pinceau 4; le dispositif de la figure 2 comprend un analyseur de polarisation 11 qui peut être de tout type connu, par exm 3 ple un analyseur à lame quart d'onde tournante. Dans un cas pratique, le faisceau incident 1 pourra être polarisé de facon rectiligne, par exemple horizontalement. Ce sera par exemple le faisceau d'un laser hélium-néon à 632,8 rnm traversant un système afocal pour agrandir le faisceau La lame séparatrioe 2 peut être de tout type connu. Le système fournissant une polarisation orthoxgonale peut être une lame quart d'onde 10 orientée à 45 de la direction de la polarisation rectiligne du faisceau incident de façon à fournir en sortie une polarisation circulaire, dont le sens de rotation est inversé après réflexion sur le miroir 5 pour fournir apres un deuxième passage dans la lame quart d'cnde 10 une pola- risation rectiligne ortghoeale à la précédente (verticale) Plus généralement, on notera que l'on appelle ici lumières polarisées orthogonalement des lumières polarisées elliptiquement d' ellipti- cités égales mais opposées et dont les grands axes sont ortho- gonaux Des exemples extr&mes de polarisations orthogcnales sont deux lumières à polarisations rectilignes croisées, ou deux lumières à polarisations circulaires, respectivement droite et gauclhe De telles lumières n'interfèrent pas car elles n'ont jamais de composantes pouvant se combiner scalairement. Dans l'exemple décrit, le faisceau de sortie 7 de 1 ' interférmètre modifié selon l'invention présente une polari- sation elliptique d'axe fixe à 45 de l'horizontale Le passage de oe rayon au travers d'une lame quart d'onde produit une pola- risation rectiligne d'orientation variable Pour un déplacement du miroir mobile du huitième de la lcngueur d'onde, la direction de polarisation du rayon tourne exactement de 90 . A titre d'analyseur de l'état de polarisation, de rimnbreux analyseurs ocrnus peuvent être utilisés, par example un analyseur à lame quart d'onde tournante, ou un analyseur compre- nant une lame quart d'onde convenableent orientée par rapport à l'autre lame quart d'ondle et à la directicn initiale de polarisa- tion du faisoeau suivie de cinq détecteurs sur lesquels sont envoyés des parties du faisceau de sortie, chacun des détecteurs étant respectivement précdé d'un polariseur horizontal, d'un polariseur vertical, d'un polariseur à 45 de l'horizontale et d'un polariseur à 135 de l'horizontale, le dernier détecteur recevant directement la lumière d'une partie du faisoeau de sortie. En outre, oomme cela est connu de l'homme de l'art, on pourra utiliser des systèmes à détection synchrne ainsi que des faisoeaux de référence pour s'affranchir de variations éventuel- les d'intensité du faisoeau de la source. La présente invention a été décrite ci-dessus dans le cadre d'une modification d'un interféromtre à deux ondes du type interféromètre de Michelson L'homanme de l'art notera qu'elle s'applique plus gééralmment à tout interférometre à deux ondes dans lequel l'état de polarité respectif des deux ondes est rendu ortgonal avant recombinaison de ces orxdes, d'o il résulte qu'au lieu d'analyser un système de franges, on analyse des modi- fications d'un état de polarisation d'un faisceau de sortie reocubir. t EVENDICATIOCS 1 Interféra-otre à deux ondes, caractérisé en oe qu'il ccaprend des moyens pour polariser l 'une des ornes orthga- lement à l'autre avant de recombiner ces ondes et des moyens pour analyser l'état de polarisation du faisoeau de sortie. 2 Dispositif coptique de moesure de distane oempre- nant une source fournissant un faisceau lumineux polarisé ( 1), des moyenis ( 2) pour séparer ledit faisoeau en un pinceau de référence ( 3) et un pinèau de mesure ( 4), oe dernier pinoeau parcourant un trajet associé à la distance à mesurer, des moyens ( 2) pour reombiner lesdits pinceaux, caractérisé en ce qu'il oenprend en outre: des moyens ( 10) pour conférer à chacun des pinoeaux des états de polarisation muituellement ortcoeaux avant de les reconbiner, et des moyens ( 11) pour analyser l'état de polarisation du faisoeau recombiné. 3 Dispositif optique de mesure de distanoe selon la revendication 2, caractérisé en ce que le pinceau de mesure ( 4) frappe un réflecteur ( 6) solidaire d'une pièe dont on veut mesu- rer la position et/ou le déplaement avant de revenir dans les moyens de recombinaison. 4 Dispositif optique de mesure de distanoe selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que: la source fournit un faisceau à polarisation rectiligne selon une première direction, oette polarisation est maintenue dans l'un des pinceaux de mesure ou de référence, et cette polarisation est transfortée en une polarisation rectiligne selon une direction orthgnale à la première dans l'autre des pinceaux. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en oe que l'ortxgonalit des polarisations est obtenue en faisant passer l'un des pinceaux par une lame quart d'onde dont les axes sont à 45 de la direction de polarisation initiale du pinceau, puis en faisant revenir le faisceau sur cette lame quart d'ncde après passage par un miroir plan.