Brevet FR2730306A1 — publié le 19960809

La présente invention concerne un dispositif interférométrique hétérodyne à doublement de fréquence pour la détection de déplacements ou de vibrations. Les sondes interférométriques hétérodynes qui existent actuellement constituent d'excellents capteurs dotés d'une grande sensibilité et d'une large bande passante. La figure n" 1 montre un premier type de sonde à fréquence simple développé par Dieulesaint & Royer et breveté en France sous le n" 2.582.807 et daté du 28 août 1987. Le modulateur acousto-optique 1 est taillé de façon à ce que le faisceau d'entrée et le faisceau décalé en fréquence sous l'incidence de Bragg soient colinéaires. Le faisceau issu du laser mono-fréquence 2 dont la polarisation du champ est horizontale, est séparé en deux parties par le cube séparateur 3. La partie du faisceau déviée par le cube traverse l'équerre optique 4 puis le cube polariseur 5 qui transmet les polarisations horizontales du champ électrique. La partie du faisceau transmise par le cube séparateur traverse le modulateur acousto-optique et la fréquence fo du laser est modifiée en fo + f où f est la fréquence d'excitation du modulateur acousto-optique. Le faisceau décalé en fréquence traverse le cube polariseur, puis la lame quart d'onde 6. Il est en tout ou partie rétroréfléchi ou retro-diffusé par l'échantillon 7 et retraverse la lame quart d'onde.Sa polarisation est verticale et le faisceau est réfléchi par le cube polariseur. Le polariseur 8 dont la direction privilégiée est à 450 du plan horizontal transmet les composantes projetées sur cette direction des champs électriques perpendiculaires propagés dans les deux faisceaux issus du cube séparateur et dirigés vers le détecteur 9. L'intensité délivrée par le détecteur comporte une composante continue et une composante à la fréquence f. L'analyse spectrale du signal exhibe des raies latérales qui contiennent l'information relative à la modulation de phase du faisceau consécutive à la vibration de la surface de l'échantillon. L'inconvénient de cette sonde provient de signaux parasites issus des imperfections de l'ensemble constitué par le cube séparateur et la lame quart d'onde, mais il peut être partiellement contourné en utilisant une lentille de focalisation placée entre la lame quart d'onde et l'échantillon et dont l'axe optique est décalé par rapport à la direction de propagation du faisceau incident. Par ailleurs, le cube séparateur ne permet pas d'équilibrer les intensités des faisceaux hétérodynés par le détecteur selon les pertes liées à l'échantillon.Un autre inconvénient provient du traitement du signal autour de la fréquence f d'excitation du modulateur acousto-optique qui nécessite une protection électromagnétique satisfaisante. Le dispositif selon l'invention remédie à ces inconvénients. La configuration du dispositif est décrite dans la figure n" 2 et représente la version de base. Le modulateur acousto-optique 1 réalise le changement de fréquence, comme dans le schéma de la figure n" 1. Le miroir de sortie 2 du laser monofréquence 3 est fortement réfléchissant à une fréquence voisine de la fréquence fo du laser dont la polarisation du champ électrique est linéaire. L'ensemble 4 et 5 est un dispositif rotateur de polarisation. Le séparateur de polarisation 6 est soit un cube polariseur, soit un séparateur de polarisation diélectrique ; les faisceaux réfléchis par ce séparateur de polarisation dont la polarisation du champ électrique est verticale sont déviés vers le détecteur 7.On admet, sans que cela nuise au dispositif, que les seules pertes optiques soient liées à la partie du faisceau absorbée ou diffusée par l'échantillon 8, ainsi p est la part de la lumière rétrodiffusée dans l'axe incident par l'échantillon. On choisit de placer le plan de polarisation du laser dans le plan horizontal. L'angle O de l'un des axes de la lame demi-onde avec le plan horizontal est choisi de façon à ce que tg = 20 = (pQ5 - 1)/(pO,5 + 1). La part de la puissance du laser transmise directement au détecteur après la traversée de l'ensemble rotateur et réflexion sur le séparateur de polarisation est égale à la part transmise au détecteur de la même façon, après un aller et retour entre le miroir de sortie du laser et la rétro-réflexion ou rétro-diffusion par l'échantillon.Le double passage final de la lumière dans la lame demi-onde et le rotateur de Faraday tourne la direction de polarisation du champ électrique de 90" et assure la réflexion du faisceau par le polariseur. La part du faisceau qui a traversé le modulateur acousto-optique en aller et retour a sa fréquence fo modifiée en fo + 2f où f est la fréquence d'excitation du modulateur. L'intensité délivrée par le détecteur est modulée à la fréquence 2f et l'analyse spectrale du signal exhibe des raies latérales qui contiennent l'information relative à la modulation de phase du faisceau consécutive à la vibration de la surface de l'échantillon.Le dispositif remédie à bien des inconvénients : le signal électrique est très faiblement parasité, les faisceaux hétérodynés sont équilibrés et le traitement du signal à 2f est simplifié car éloigné de la source de rayonnement parasite à la fréquence f. Un exemple de réalisation consiste à utiliser une lame demi-onde 5 et un rotateur de Faraday 4 (ces composants pouvant être inversés). Cette solution est optimale du point de vue de l'équilibrage des puissances. Dans le cas où le laser est orientable, le rotateur de Faraday 4 seul (suppression de la lame 5) associé à un positionnement angulaire du laser conduit au même fonctionnement. Ceci constitue une première variante. Une deuxième variante au dispositif consiste à remplacer le rotateur de Faraday 4 par une lame quart-d'onde dont l'un des axes est horizontal (axe rapide orienté comme la polarisation du laser). Dans ces conditions, l'équilibrage des faisceaux hétérodynés n'est possible que si p est supérieur ou égal à 0,25. Une troisième variante consiste à orienter le laser à 45" et supprimer la lame demionde 5. Cette configuration n'assure l'équilibrage que pour des échantillons parfaitement réfléchissants. Une quatrième variante consiste à remplacer la lame quart-d'onde 4 par un rotateur électro-optique. Ce composant réciproque n'autorise l'équilibrage que si p est supérieur ou égal à 0,25. Dans ce cas, la lame demi-onde 5 peut aussi être supprimée au détriment de l'équilibrage. Une cinquième variante au dispositif selon la figure n" 3 consiste, lorsque le miroir de sortie n'est pas utilisable ou lorsque son coefficient de réflexion a une valeur suffisamment faible pour qu'une réinjection dans la cavité laser perturbe le fonctionnement du laser ou que les pertes induites soient trop grandes, à placer le séparateur de polarisation 6 entre la lame demi-onde 4 et le rotateur 5 ou la lame quart d'onde de la première variante. Le miroir 9 et la lame quart d'onde 10 assurent le renvoi du faisceau de fréquence fo + 2f vers le détecteur. L'alignement du miroir augmente le nombre des réglages optiques. La lame demi-onde permet l'équilibrage des voies et la fréquence d'hétérodynage est toujours 2f.Une optimisation du rapport signal sur bruit peut être obtenue par l'utilisation d'un polariseur orienté à 45" devant le photodétecteur. Une sixième variante au dispositif selon la figure n" 4 consiste à utiliser le dispositif de l'invention avec une des lumières harmoniques du laser. Le miroir dichroïque 9 transmet sous incidence nulle la lumière qui réalise l'interaction non linéaire à 3 ondes dans le cristal 10 et réfléchit totalement dans l'axe du dispositif l'harmonique générée décalée en fréquence de 2f. Le miroir dichroïque 1 1 transmet parfaitement sous une incidence de 45" la lumière harmonique décalée ou non en fréquence, quelle que soit sa polarisation et réfléchit la lumière incidente sur le cristal. Le miroir 9 joue aussi le rôle du miroir de sortie du laser dans la version de base du dispositif. L'alignement de ce miroir augmente le nombre des réglages optiques.L'équilibrage des voies s'effectue d'une façon identique à la version de base où à la première variante du dispositif. La fréquence d'hétérodynage est toujours 2f. Pour illustrer d'exemples le dispositif et ses variantes, le laser Hélium-Néon à 632,8 nm est utilisable dans la version de base, le laser Nd:YAG continu dont la fréquence est doublée intra-cavité qui émet à 532 nm est utilisable dans la cinquième variante et le même laser dont la fréquence est doublée extra-cavité est utilisable dans la sixième variante. Dans la version de base et dans l'ensemble des variantes, tous les composants optiques sont fabriqués et traités pour assurer des pertes optiques minimum. Les réflexions parasites résiduelles échappent aux trajets des faisceaux principaux. Une lentille de focalisation peut être placée entre le modulateur acousto-optique et l'échantillon. Le dispositif interférométrique hétérodyne à doublement de fréquence est utilisé pour la mesure de vibrations de faibles amplitudes à haute fréquence ou de mouvements plus lents d'amplitude plus importante et trouve ses applications dans le contrôle non destructif ou dans les mesures sans contact. REVENDICATIONS 1/ Dispositif interférométrique hétérodyne à doublement de fréquence, caractérisé en ce qu'il est composé d'une source laser de fréquence fo polarisé linéairement, dont l'un des miroirs est fortement réfléchissant à une fréquence voisine de fo, d'un modulateur acousto-optique dont la fréquence d'utilisation est f utilisé en double passage, d'un rotateur e polarisation, d'un séparateur de polarisation et d'un photodétecteur. 2/ Dispositif selon la revendication 1, comprenant un système d'équilibrage de la puissance lumineuse sur chacune des voies de l'interféromètre. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rotateur de polarisation est constitué d'un rotateur de Faraday. 4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rotation de polarisation est réalisée au moyen d'une lame quart d'onde. 5/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rotation de polarisation est réalisée au moyen d'un rotateur électro-optique. 6/ Dispositif selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'équilibrage de la puissance lumineuse est réalisé au moyen d'une lame demi-onde. 7/ Dispositif selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'équilibrage de la puissance lumineuse est réalisé par rotation du laser selon l'axe du faisceau. 8/ Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la fréquence optique fo est obtenue dans un cristal non linéaire par doublement de fréquence d'une fréquence fondamentale fo/2, et dans lequel le laser comprend un miroir fortement réfléchissant au voisinage de la fréquence fo placé avant le cristal non linéaire. 9/ Dispositif selon l'une des revendications précédentes, utilisant un laser Hélium-Néon ou un laser Nd:YAG doublé en fréquence. 10/ Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un polariseur orienté à 45- est placé devant le photoréducteur de façon à optimiser le rapport signal sur bruit de la mesure.