Brevet FR2754605A1 — publié le 19980417

VELOCIMETRE ET TELEMETRE LASER UTILISANT UNE DETECTION COHERENTE DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne un dispositif optique utilisant une détection cohérente, appliqué en particulier à la vélocimétrie et à la télémétrie laser. D'autres applications de l'invention sont par exemple 1analyse chimique de constituants gazeux, l'analyse de champs de vitesse, la métrologie sans contact, l'imagerie laser, et l'instrumentation médicale. Etat de la technique Aux longueurs d'onde d'optiques, la détection cohérente se heurte à divers problèmes, en particulier aux problèmes de l'adaptation des champs sur le détecteur ("phase matching" et "amplitude matching"), et de fluctuations d'intensité et de phase du signal optique causées par l'interaction du faisceau avec des milieux désordonnés. Pour résoudre ces deux premiers problèmes diverses solutions sont connues. Ainsi, pour faire interférer de façon optimale les champs sur le détecteur, diverses conditions ont été établies dans les articles de A.E. Siegman intitulé "The antenna properties of optical heterodyne receivers", paru dans Applied Optics, vol. 5, nO 10, Oct. 1966, pp. 1588-1594, de S.C. Cohen, intitulé "Heterodyne detection : phase front alignement, beam spot size, and detector uniformity", paru dans Applied Optics, vol 14, n" 8, August 1975, pp. 1953-1959, et de St. Fowler et al., intitulé "Analysis of heterodyne efficiency for coherent laser radars", paru dans SPIE, vol. 1936, 1993, pp. 137-146. En particulier, les tolérances d'alignement sont donnés par le théorème de Siegman dans l'article de cet auteur cité ci-dessus ARR=2 ( (1) AR est la surface équivalente de réception et QR l'angle solide de détection. En général, la relation précédente est vérifiée pour des valeurs de QR extrêmement faibles. Il en découle des tolérances d'alignement particulièrement serrées qui expliquent, en partie, les difficultés de mise en oeuvre de la détection cohérente aux courtes longueurs d'ondes. Pour contourner les problèmes d'alignement, diverses techniques ont été proposées dans les brevets EP-164 181, US-5 114 226 et US-4 611 912. Dans EP-164 181, on utilise un dispositif à fibres optiques et un coupleur pour réaliser le mélange des deux faisceaux. Dans US-5 114 226, on met en oeuvre une forme modifiée de l'interféromètre de Michelson, comportant un cataphote, un cube polariseur et une lame B/4. Dans US-4 611 912, un interféromètre comportant un seul bras de mesure est réalisé en introduisant une lame partiellement réfléchissante dans le faisceau de mesure. Ces montages complexes ont permis de réaliser des dispositifs industriels qui demeurent fragiles, onéreux et ayant des dimensions incompatibles avec une approche microsystème pour une fabrication à grande échelle, voir collective. Pour minimiser les effets du "speckle", diverses approches ont été proposées. Le théorème de Van Cittert Zernike fournit un critère pour dimensionner la pupille de réception en exprimant le rayon de cohérence pc, au niveau de la pupille, en fonction de la longueur d'onde X et du diamètre apparent Os du spot laser sur la cible Pc X h (2) os Cette formule indique que les conditions optimales de détection sont obtenues lorsque la pupille d'émission et de réception ont même dimension et lorsque le faisceau est focalisé sur la cible. Cette approche a été privilégiée dans les documents EP-164 181 et US-5 114 226 : la distance de focalisation est figée par construction, ce qui confère au dispositif une profondeur de champ de quelques mètres autour du point de focalisation. Pour augmenter la profondeur de champ, une alternative est d'utiliser un système à focalisation dynamique. Cette dernière approche est pénalisante pour deux raisons : la faible cadence des mesures et la complexité du dispositif. Un filtrage par mode peut être obtenu en utilisant des fibres monomodes mais les difficultés de couplage constituent un problème majeur. Dans US-4 611 912, le faisceau de mesure est collimaté et un filtrage spatial est utilisé au plan focal de l'optique de réception. Cette technique est difficile à mettre en oeuvre : la mise en place d'un diaphragme de très faible dimension, environ 10 um, au foyer de l'optique de réception, n'est pas aisée et atténue de façon considérable le signal. Exposé de l'invention L'invention propose un dispositif qui permet, en particulier aux courtes longueurs d'onde (en particulier entre 0,5 um et 2 um) d'améliorer l'alignement sur le détecteur entre le signal optique de référence et le signal optique de mesure. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de vélocimétrie, du type à détection cohérente, comportant - un milieu actif laser, - un miroir d'entrée et un premier miroir de sortie, définissant, avec le milieu laser une première cavité résonante, de facteur de qualité Qmax, permettant d'émettre un faisceau laser, - un second miroir de sortie définissant, avec le milieu actif laser et le miroir d'entrée, une seconde cavité résonante, de facteur de qualité Qitiin ( permettant d'amplifier un signal de mesure issu d'une cible ayant intercepté le faisceau laser émis à l'aide de la première cavité résonante. On utilise ainsi le matériau amplificateur pour amplifier le signal de mesure. L'invention a également pour objet un dispositif de télémétrie et de vélocimétrie, comportant un dispositif tel que décrit ci-dessus, et des moyens de modulation de la fréquence d'émission du laser. Brève description des figures De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente des étapes d'un procédé de fonctionnement d'un dispositif selon l'invention, - la figure 3 est un chronogramme de la modulation en fréquence et du signal mesuré d'un dispositif selon l'invention, - les figures 4 à 6 sont des exemples de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention Un premier mode de réalisation de l'invention va être donné en relation avec les figures 1 à 3. La figure 1 représente un vélocimètre, qui permet de mesurer la projection du vecteur vitesse, sur l'axe optique AA', d'une cible 2. Celle-ci intercepte un faisceau laser continu 4, émis par le vélocimètre globalement désigné par la référence 6. Le dispositif comprend deux sous-ensembles. Le premier sous-ensemble constitue la partie émission, le second sous-ensemble constitue la partie réception. Le sous-ensemble d'émission comprend - un moyen optique 8 pour réaliser le pompage d'un matériau laser amplificateur 10, - un moyen optique 12 d'émission, - une cavité 13 ayant deux facteurs de qualité (Qmax et Qmin) dans laquelle est placée le matériau laser amplificateur 10. Les deux facteurs de qualité sont obtenus en utilisant des miroirs de réflectivités différentes : miroirs M1, M2 et M3, - des moyens 14 (par exemple un séparateur de faisceau) pour prélever un faisceau de référence 11 sur le faisceau émis 4, et l'envoyer vers des moyens 16 de photodétection. En fait, les trois miroirs M1, M2, M3 permettent de définir deux résonateurs, chacun ayant son propre facteur de qualité. Le facteur de qualité d'un résonateur délimité par un miroir de réflectivité R1 et un miroir de réflectivité R2 est défini par la relation energie stoctee cyans le resonateur Q = # ~ puissance dissipée par le résonateur - où R1, R2 sont les réflectivités des miroirs à une longueur d'onde BLT 1 la longueur de la cavité, a représente les pertes linéaires, c la vitesse de la lumière et n l'indice de réfraction du matériau amplificateur. Le milieu amplificateur laser peut être par exemple constitué d'un matériau de base choisi parmi Y3A15O12, LaMgA1lOl9, YVO4, Y2SiO5, YLiF4 ou GdVO4 et être dopé avec des ions de néodyme (Nd, pour une émission de 1,06 um), d'erbium (Er, pour une émission autour de 1,5 pm), de thulium (Tm, pour une émission autour de 2 un), d'holmium (Ho, pour une émission autour de 2 um), ou avec un codopage d'ions erbium et ytterbium (Er+Yb, pour une émission autour de 1,5 pm), ou avec un codopage de thulium et d'holmium (Tm+Ho, pour une émission autour de 2 um). Le milieu amplificateur peut être celui d'un microlaser. Un tel dispositif permet d'émettre un faisceau de faible divergence, très circulaire, monomode (TEMoo) et permet, de plus, l'emploi d'une optique simple pour le collimater (ce qui est impossible avec une diode laser). On utilise alors une optique fixe pour rendre le faisceau parallèle. Les miroirs M1, M2, M3 sont de préférence des miroirs dichroïques, obtenus par traitement diélectrique multicouche permettant d' avoir, pour chacun, la réflectivité voulue. Le miroir M3 est disposé au centre de la face du microlaser par laquelle est émis le faisceau laser 4, tandis que M2 est disposé autour de M3, sur la même face. Le sous-ensemble de réception comprend - un moyen optique 12 de réception de la lumière laser réfléchie par l'objet 2, - un moyen optique 14 de recombinaison du faisceau de référence 11 et du faisceau de mesure, - un ensemble de détection, comportant par exemple un détecteur photoélectrique 16. Le procédé de fonctionnement du dispositif décrit va maintenant être expliqué en liaison avec les figures 1 et 2. - Le moyen de pompage 8 permet de créer une inversion de population No dans le matériau amplificateur 10. Les miroirs M1 et M3 permettent de sélectionner et de confiner un mode de propagation. L'association des miroirs M1 et M3 constitue un résonateur optique dont le facteur de qualité est noté Qmax. La réflectivité du miroir M1 est notée Rinax pour la longueur d'onde d'émission laser BL . La transmission du miroir M1 est notée Tx à la langueur d'onde de pompage notée Ap. L'association des miroirs M1 et M2 constitue un résonateur optique dont le facteur de qualité est noté Q=n. La réflectivité du miroir M2 à BL est notée R, et sa transmission à Xp est notée T. L'inversion de population minimale pour avoir une émission laser est notée Nth. Pour No > Nth, il y a une oscillation laser entretenue dans la zone centrale de l'amplificateur, ou le facteur de qualité est égal å Qmax : un faisceau laser 4 est émis par le miroir M3. La zone complémentaire, où règne une inversion de population Not est utilisée comme amplificateur optique en réception. Dans cette zone il n'y a pas d'oscillation laser car le facteur de qualité est trop faible pour l'inversion de population No considérée. A la sortie du miroir M3, le faisceau laser est séparé par l'intermédiaire d'un moyen optique 14 de séparation. Une partie 11 du faisceau sert de référence et va sur le moyen de détection 16. L'autre partie du faisceau est envoyée sur la cible par l'intermédiaire du moyen optique d'émission 12. Le faisceau de mesure 4 est diffusé ou réfléchi par la cible 2. Une fraction de l'énergie se propage vers le moyen optique de réception 12 qui renvoie le faisceau de mesure vers l'amplificateur optique constitué du matériau amplificateur 10 et des miroirs M1 et M2. Après amplification dans cette structure (dans la zone périphérique du milieu actif laser), le faisceau revient en direction du moyen optique 14 de recombinaison des faisceaux. Une partie du signal amplifié est envoyée sur le moyen de détection 16 où il interfère avec le faisceau de référence 11. Le résultat de l'interférence permet d'extraire l'information de vitesse de la cible. La fréquence Doppler présente dans le signal de mesure est égale à : VD = VO VD = vo Vc (1) où v0 est la fréquence d'émission laser et la fréquence du signal de référence sur le détecteur, V est la projection, sur l'axe optique AA', de la vitesse de la cible, et où C est la vitesse de la lumière. Après filtrage et conversion du photocourant le signal s'écrit S(t)=[IRIM]R(vD)cos(2##Dt) (2) OÙ IR est l'intensité de la référence, TM est l'intensité du signal de mesure, R(VD) le coefficient de conversion qui prend en compte l'effet de la conversion photo-électron sur le détecteur, les divers rendements optiques et électriques du système et, éventuellement, les effets de couplage dans le guide d'onde. Le traitement du signal de (2) permet de déterminer la fréquence Doppler, et donc la vitesse de la cible selon la formule (1). Ce traitement peut être réalisé à l'aide d'un ordinateur conventionnel spécialement programmé. Dans le dispositif décrit ci-dessus, l'alignement entre le signal optique de référence 11 et le signal optique de mesure, réfléchi ou diffusé par la cible, est assuré par le fait que ce sont les miroirs de l'amplificateur laser qui sont utilisés comme référence pour l'alignement des composants optiques. L'axe du miroir M3 et l'axe du miroir M2 sont confondus avec l'axe du faisceau laser 4, et ceci par construction. Ainsi M2 et M3 peuvent être pris comme surfaces de référence pour aligner sur le détecteur, après réflexion sur lesdits miroirs M2 et M3, les faisceaux de référence et de mesure. L'utilisation, en sortie du dispositif, d'un guide d'onde 18, par exemple de longueur réduite, permet de réaliser le mélange entre le signal de référence et le signal de mesure. Le filtrage est obtenu en utilisant un faible nombre de modes de propagation dans la structure guidante et, dans le meilleur des cas, le seul mode fondamental. Enfin, le matériau amplificateur 10 et une partie de la cavité laser permettent d'amplifier lé signal de mesure, ce qui est très avantageux dans le cas où celui-ci provient de la diffusion ou de la réflexion du faisceau laser sur une cible noncoopérative. Un autre mode de réalisation de l'invention concerne un vélocimètre-télémètre, qui permet de mesurer la projection du vecteur vitesse sur l'axe optique AA', ainsi que la distance cible-capteur, d'une cible 2 qui intercepte le faisceau laser 4. Ce dispositif optique utilise un laser dont la fréquence d'émission est modulée. Il reprend tous les éléments du dispositif décrit ci-dessus sur la figure 1, en particulier pour la partie "réception". La partie émission diffère du sous-ensemble d'émission décrit ci-dessus, en ce que la fréquence d'émission du laser est modulée. Divers procédés de modulation ont été publiés à ce jour, par exemple dans l'article de J.J. Zayhowski et al., intitulé "Frequency modulated Nd:YAG microchip laser", paru dans Optics Letters, vol. 14, n" 12, June 15, 1989, p. 618 - modulation électro-optique, - modulation piézo-électrique, - modulation mécanique, - modulation thermique. La présente invention englobe tout type de moyens qui permettent d'obtenir une modulation de la fréquence d'émission laser. Des exemples de réalisation d'un tel dispositif sont donnés plus loin. Le principe de fonctionnement du vélocimètretélémètre est le suivant. Les trajets optiques (faisceau laser, faisceau de référence, faisceau réfléchi ou diffusé par la cible), sont les mêmes que ceux décrits ci-dessus pour le vélocimètre. en particulier, il y a toujours amplification du signal de mesure dans le milieu 10, après réflexion ou diffusion par la cible. En détection cohérente, une modulation de la fréquence d'émission laser ' permet de mesurer une distance. Diverses formes de modulation ont été proposées. Nous donnons l'exemple d'une modulation en forme de double rampe, conformément à la figure 3 - pour O T/2' et - pour T/2 T/2' où T est la période de récurrence de la modulation et où A est l'excursion maximale de la fréquence d'émission laser. Le signal photoélectrique s'écrit après traitement (en prenant en compte la modulation de la fréquence d'émission laser et l'effet Doppler) - pour T S(t)=2[IRIM]R(Fb1)cos[2#.Fb1t+2##0], où OÙ Fb1 = ##T + VC (3) T C - et pour T/2+X S(t)=2[IRIM]R(Fb2)cos[2#.Fb2t+2##0] où Fb2 = A T - Vc (4) T C Ainsi, la mesure des fréquences de battement sur chaque intervalle de temps permet de déterminer la vitesse et la distance de l'objet par rapport au capteur. En faisant la somme, puis la différence, des fréquences de battement Fb1 et Fb2, on calcule la distance et la vitesse V = Fbl - Fb2 C 2 VO et R = Fbl + Fb2 TC (6). 2 4A Là encore, le traitement du signal peut être mis en oeuvre à l'aide de moyens informatiques (microordinateur) spécialement programmés à cet effet. D'autres exemples de réalisation de dispositifs selon l'invention vont maintenant être donnés, en liaison avec les figures 4-6, sur lesquelles des références numériques identiques à celles de la figure 1 y désignent des éléments équivalents ou identiques. Sur la figure 3, le moyen de pompage 8 est une diode laser collimatée par une lentille 30. Le milieu amplificateur est celui d'un microlaser YAG dopé Nd3+. Le miroir M1 est réalisé par un traitement diélectrique multicouche pour avoir T1maX > 99% à 0,810 um, R1max > 99% à 1,064 pm. Les miroirs M2 et M3 sont obtenus par dépôt du type multicouche. Une première phase de traitement peut être commune aux miroirs M2 et M3. La microlentille 30 subit alors un traitement complémentaire pour avoir les caractéristiques voulues à ,hL, Les coefficients de transmission et de réflexion de la structure sont les suivants - M2 : R2=0,8 à 1,064 un et R2 maximum à 0,810 um, - M3 : R3=0,98 à 1,064 un et R3 maximum à 0,810 un. Le moyen 14 de séparation/recombinaison des faisceaux est réalisé par un cube séparateur. Le moyen de détection est constitué par un guide d'onde 18 et un détecteur photoélectrique 16. Le moyen optique d'émission-réception 12 est réalisé par une lentille. Dans l'exemple de la. figure 5, le miroir M2 a une réflectivité nulle à 1,064 un (traitement antireflet à la longueur d'onde d'émission laser hL). Le moyen de pompage 8 est une diode laser collimatée par une lentille 30. Un miroir sphérique M1 est directement réalisé sur le matériau amplificateur, et un dépôt du type multicouche est déposé sur la surface pour avoir R1max > 0t99 à BL et T1max > 0t99 à Xp. Ce miroir M1 a son centre de courbure C placé à la distance focale F de la lentille 12. Le moyen de détection est constitué d'un guide d'onde 18 et d'un détecteur photoélectrique 16. Le moyen 14 de séparation/recombinaison des faisceaux est constitué d'un cube séparateur. La lentille 12 permet de collimater le faisceau laser à l'émission, et de focaliser le faisceau de mesure au niveau du centre de courbure C. L'exemple de la figure 6 reprend les mêmes éléments que celui de la figure 5 avec, en plus, un élément de modulation du type électro-optique. Un matériau électro-optique 40 est collé sur la couche antireflet formée en sortie du microlaser. Des électrodes 42, 44 sont déposées sur le matériau électro-optique pour amener le signal de modulation comme décrit dans l'article de Zayhowski et al. cité ci-dessus. D'une manière générale, le moyen de pompage 8 est de préférence adapté au dispositif - quand la cavité microlaser (miroir M1, milieu amplificateur 10, miroir M3) est stable (la cavité inclut une microlentille dans la définition des miroirs), ce moyen est à une focale : par exemple, sur les figures 4, 5, 6, le moyen de pompage est réalisé par un faisceau collimaté, - quand la cavité est non stable (cavité plan-plan par exemple), le pompage est réalisé par un dispositif optique à double focale. De plus, il apparaît que le dispositif selon l'invention est compact. Il est intégrable (dans les exemples des figures 4, 5, 6, le dispositif est intégré dans un boîtier 21), ce qui rend une approche "microsystème" possible. Ainsi, le guide d'onde multimode 18 est intégré au boîtier 21 sur lequel est fixé, à l'aide de moyens non représentés sur la figure, le dispositif de détection 16. En fait, on réalise ainsi un dispositif monolithique, indéréglable. Si le laser est un microlaser, l'ensemble est pa-rticulièrement compact. REVENDICATIONS 1. Dispositif de vélocimétrie, du type à détection cohérente, comportant - un milieu actif laser (10), - un miroir d'entrée (M1) et un premier miroir de sortie (M3), définissant, avec le milieu laser une première cavité résonante, de facteur de qualité Qmax, permettant d'émettre un faisceau laser (4), - un second miroir de sortie (M2) définissant, avec le milieu actif laser (10) et le miroir d'entrée (M1), une seconde cavité résonante, de facteur de qualité Qmin ( mesure issu d'une cible ayant intercepté le faisceau laser émis (4) à l'aide de la première cavité résonante. 2. Dispositif selon la revendication 1, le milieu actif laser étant celui d'un microlaser. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, comportant en outre des moyens (14) pour prélever sur le faisceau laser un faisceau de référence. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, comportant des moyens (12) pour transmettre un faisceau laser en direction de la cible, pour recevoir un signal de mesure en provenance de cette cible et pour transmettre celui-ci vers le milieu actif laser, dans la seconde cavité résonante. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, comportant en outre des moyens (18) de filtrage du signal de mesure amplifié. 6. Dispositif selon la revendication 5, les moyens de filtrage comportant une portion (18) de guide d'onde. 7. Dispositif de télémétrie et de vélocimétrie, comportant un dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 et des moyens de modulation de la fréquence d'émission du laser. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre des moyens de traitement d'un signal de mesure, permettant d'en extraire un signal représentatif de la vitesse de la cible et/ou d'une distance à la cible.