Brevet FR2701563A1 — publié le 19940819

DESCRIPTION Les raies spectrales très fines, essentiellement celles délivrées par les lasers, présentent couremment des dérives aléatoires de fréquence dénommées "gitter". Le dispositif est destiné à détecter ces fluctuations afin de commander une chaîne de rétroaction stabilisant la fréquence du laser. I1 peut également repérer la fréquence d'une raie que l'on souhaite accorder de manière continue. I1 est opérationnel dans le domaine de longueurs d'ondes allant de l'infrarouge à l'ultraviolet. La détection du "gitter" est couremment effectuée par un interféromètre de Fabry-Pérot, le repérage du sens de déplacement de la fréquence et sa mesure étant le plus souvent confiés à un interféromètre de Michelson muni d'un système de comptage, décomptage de franges à bases de lames biréfringentes. La chute du coût des diodes laser et de certains milieux amplificateurs, fait que la stabilisation en fréquence par les techniques précédentes est d'un coût et encombrement disproportionné par rapport à celui des sources lumineuses. L'invention décrite à pour but, par changement de la technique d'interférométrie, tout en maintenant les performances des précédents systèmes, d'en réduire considérablement le coût et l'encombrement afin de rendre par exemple possible des sources laser stabilisées faible coût. Elle a de plus dans certains contextes des performances attrayantes, supérieures à celles des systèmes conventionnels. Elle est brasée sur le principe des interférences "type d'Young" avec de très grandes différences de marche, cellesci étant réalisées par des fibres optiques de longueurs différentes. La lumière à analyser (1) rentre dans les deux fibres optiques de longueur L1 et L2 (2). Les fibres doivent présenter une bonne transparence à la longueur d'onde d'utilisation. Les extrémités des deux fibres sont séparées d'une distance dl à l'entrée. La distance dl est en général la plus faible possible (FIG.1). On peut cependant envisager un système optionnel de focalisation de la lumière dans les deux fibres constitué d'un prisme double lentille d'indice n (8) (FIG.3). La lumière sortant des deux fibres est divergente et distribuée dans deux faisceaux coniques séparés de d2 (7). Dans l'intersection des deux cônes se produit des franges d'interférences rectilignes suivant la direction OX type d'Young (3) dont l'interfrange est inversement proportionnel à d2. Si la fibre est multimode, ces franges sont localisées dans une figure de granularité laser (9) (FIG.4). La granularité laser doit alors être suffisamment grande pour contenir plusieurs franges. On satisfait cette condition en agissant sur d2 et sur le choix du diamètre et de la structure d'indice de la fibre. La stabilité temporelle de ces franges est sensible aux très faibles variations de fréquence de la source, en effet si L1 et L2 sont les longueurs respectives des deux fibres, et si on néglige le trajet de la sortie des fibres au plan d'observation des franges, la différence de trajet optique entre les deux voies de l'interféromètre est de l'ordre de n(L1-L2), n étant l'indice des fibres. On a une frange brillante pour une différence de trajet b=pX, tétant la longueur d'onde et p un entier.Si X varie, s restant fixe, on a défilement d'une interfrange pour une variation de longueur d'onde OX /p= \2/ En plaçant une barette de cellules photoréceptrices (barette CCD par exemple) orthogonalement aux franges,(4)on peut détecter le déplacement non seulement d'une fraction de frange, mais également le sens du déplacement. Numérotons par exemple les cellules photoréceptrices (5) de la figure 2 de haut en bas : 1,2,3,4... Une séquence de cellules recevant un maximum de lumière dans l'ordre 1,2,3,4... traduit un sens de déplacement opposé à celui d'une séquence dans l'ordre 4,3,2, 1... Ce sens peut être enregistré par un sequenceur électronique de principe bien connu. On accède ainsi au signe de la variation de la longueur d'onde.Le nombre minimum de cellules permettant de détecter ce signe est de trois cellules par interfrange. De même le défilement de chaque fraction de frange peut être enregistré par un compteur compteur numérique conventionnel (6). Le signe et la valeur d'un faible déplacement de fréquence de l'ordre de A\= 2/Ni (N étant le nombre de cellules photoréceptrices par interfrange) est détectable Notons qu'il ne s'agit pas de la résolution ultime du système, il est possible de procéder à une interpolation analogique ou numérique (procédés bein connus) entre les valeurs des signaux délivrés par les différentes cellules afin d'obtenir la position du maximum de luminosité de la frange avec une précision supérieure à celle donnée par les dimensions de la cellule.La différence de marche s est cependant limitée par la finesse de la raie A1R à analyser par par la relation & R- On peut être amené selon les applications à agrandir la figure d'interférence par une optique conventionnelle affin(10) d'avoir un interfrange assez grand pour contenir le nombre N de cellules photoréceptrices voulu (FIG.5). Un fonctionnement correct du système n'est possible que si la différence de longueur entre les deux fibres est maintenue fixe. Cette condition, lorsque la différence de longueur entre celles-ci est très grande, est sujette aux variations de température affectant la différence de longueur, ainsi qu' auxvibrations parasites. Lorsque l'application requiert des performances élevées et que le milieu extérieur est thermiquement et mécaniquement trop instable, il est nécessaire de placer le système dans une enceinte thermostatée et éventuellement contenant des joints réduisant les vibrations. Le système de base à deux fibres, pour des paramètres adéquats donnés choisis selon la description : choix de fibre, de la longueur L1-L2, de la barrette, du nombre N etc. rend le système opérationnel pour l'analyse d'un certain type de raie caractérisée par sa longueur d'onde moyenne 1 R et sa finesse XR.Si l'on souhaite étendre la polyvalence du système à plusieurs types de raies, ou à une raie évolutive sous l'action d'une rétroaction commandée par le système, ou encore à une raie largement accordable, on peut soit associer série de systèmes à couples de fibres, soit étendre l'idée à un système à fibres multiples. La figure 6 présente un exemple d'un tel système à quatre fibres (11) où le récepteur(l2) est dorénavent une matrice de cellules sur lequel s'inscrit quatre orientations de franges d'Young. Chaque orientation correspond à une plage d'analyse. Le traitement électronique du signal est plus compliqué mais reste du domaine des réalisations courantes. Le système dans sa version de base à deux fibres génère un signal électrique dépendant du défilement des raies. Il peut donc soit commander une chaîne de rétroaction destinée à stabiliser le défilement des franges et donc la fréquence de la raie, soit enregistrer la variation de fréquence de cette raie quand on souhaite non plus la stabiliser mais la balayer en fréquence. Le système peut fonctionner dans toute la gamme du spectre de l'infrarouge lointain à l'ultraviolet lointain, à la condition qu'il existe des fibres optiques et des barettes de récepteurs photoélectriques opérationnels à la longueur d'onde d'utilisation. La figure 1 représente l'interféromètre à fibres. La figure 2 représente le système de détection de la fluctuation de positionnement des franges. La figure 3 représente un dispositif optionnel de focalisation de la lumière à l'entrée des fibres. La figure 4 représente la figure de granularité laser d'une fibre multimode. La figure 5 représente un dispositif d'agrandissement des franges. La figure 6 représente une extension du principe de base à quatre fibres. En référence à ces dessins le dispositif comprend le faisceau de lumière à analyser (1) entrant dans la paire de fibres de longueurs différentes (2), donnant à sa sortie des franges d'interférences (3) dans le cône d'intersection de la lumière issue des deux fibres (7). Les franges sont analysées par une barrette de photorécepteurs (4) constituées de cellules élementaires (5).Le signal électrique généré par le déplacement des franges est analysé par un séquenceur compteur, décompteur électronique (6) affichant le décalage en fréquence et contenant une sortie permettant de commander une chaîne de rétroaction. (8) est un prisme suivi d'une double lentille permettant un couplage plus e-fficace de la lumière dans les deux fibres. (9) est la granularité laser produite par une fibre multimode. (10) est une optique simple à base de lentilles permettant d'agrandir les franges. (il) représente une extension à quatre fibres de l'interféromètre, (12) est la matrice de photorécepteurs, (13) sont les franges d'Young des différents couples de fibres. L'assemblage des différents éléments ne fait pas appel à des astuces mécaniques autres que celles requises pour donner une stabilité suivant les normes de tout système à fibres optiques. La forme finale du système dépend fortement de la raie à analyser et des exigences de précision déterminant la différence de longueur entre les fibres et le nombre N pouvant respectivement varier de quelques millimètres à centaines de mètres, de 3 à plusieurs centaines. A titre d'exemple avec une longueur de fibre de 50 m et une valeur de N de 5 ce qui correspond à un système modeste faible coût le pouvoir de résolution dans le vert est de 750 millions, valeur difficillement accessible à un interféromètre de Fabry-Pérôt. Pour une différence de longueur maintenant égale à 500 mètres et N=100 on obtient plus de 1011 valeur en soi record mais de faisabilité technique difficille au niveau de la stabilisation thermique et mécanique. Le dispositif est particulièrement destiné à se substituer à l'interféromètre de Fabry-Pérôt lorsque celui-ci est utilisé en lumière de bonne cohérence spatiale : asservissement de sources laser etc. vu le faible coût de sa technologie. I1 en est de même pour les Xmètres à interféromètres de Michelson substituables par l'invention. Le système poussé à ses meilleures performances est apte à analyser les raies laser les plus fines produit REVENDICATIONS 1) Dispositif pour détecter et mesurer les variations de fréquence d'une raie spectralement fine caractérisé par l'utilisation de fibres optiques de longueurs différentes (2) traduisant la variation de fréquence par un défilement temporel de franges d'interférences type d'Young (3). 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par un choix de fibre la plus transparente possible à la longueur d'onde de la mesure et dont la granularité laser (9) est de dimensions supérieures à l'interfrange du système de franges d'Young (3). 3) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé par un détecteur de défilement des franges d'interférences et compteur (6) de celles-ci constitué d'une barrette de cellules photoréceptrices (4) contenant au moins trois cellules (5) par interfrange plus si l'on souhaite augmenter la précision, ta séquence des cellules éclairées, détectée électroniquement (6) permettant d'accéder au signe de la variation de fréquence. 4) Dispositif selon l'une quelquonque des revendications précédentes caractérisé par le fait que la différence de longueur des fibres est limité par la finesse de la raie à analyser, et que la précision croît comme le produit nombre N de cellules photoréceptrices par interfrange - différence de longueur entre les fibres, ceci définissant le compromis précision,longueur de fibre, valeur de N en fonction de la longueur d'onde, de la finesse de la raie à analyser et des performances requises par l'application. 5) Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé par l'utilisation éventuelle d'un système optique simple (10) agrandissant la figure d'interférence (FIG.5) pour rendre l'interfrange supérieur au nombre N de cellules photoréceptrices choisies (5) dont le minimum est trois. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par son placement éventuel dans une en ceinte thermostatée et isolée des perturbations thermiques et mécaniques lorsque celles-ci sont suceptibles de perturber la différence de longueur entre les fibres, menant à un défilement parasite des franges. 7) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par une variante contenant plusieurs couples de fibres en un seul faisceau (FIG.6) afin > suivant le même principe, d'accroître la gamme de finesse résolvable et de d'onde repérable pour un dispositif donné. 8) Dispositif selon la revendication 7 caractérisé par l'utilisation comme récepteur d'une matrice de cellules photoréceptrices. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par son opérationalité dans toute la gamme du spectre optique de l'infrarouge lointain à l'ultraviolet lointain sous réserve de fibres optiques et cellules photoréceptrices fonctionnant à la longueur d'onde de la raie à analyser.