Brevet FR2774766A1 — publié le 19990813

La présente invention se rapporte à un polarimètre et à un procédé de mesure d'états de polarisation d'un faisceau lumineux. On connaît divers types de polarimétres permettant de mesurer toutes les composantes de polarisation de la lumière, c'est-à-dire les quatre composantes du vecteur de Stokes S de la lumière. Notamment, I'article Multichannel polarization state detectors for time-resolved ellipsometry de R.M.A. AZZAM, Thin Solid Films, vol.234, pp. 371-374, 1993, présente des techniques consistant à séparer un faisceau à mesurer en plusieurs faisceaux et à traiter ensuite ces différents faisceaux en parallèle. Le nombre n de faisceaux finaux est au moins égal à quatre, de façon à ce que les n intensités mesurées des faisceaux finaux permettent d'accéder aux quatre états de polarisation de la lumière, c'est-à-dire aux quatre composantes I, Q, U, V du vecteur de Stokes S. Ainsi, AZZAM a décrit dans l'article Division-of-amplitude photopolarimeter (DOAP) for the simultaneous measurement of four Stokes parameters of light , Optica Acta, Vol. 29, N" 5, pp. 685689, 1982, un polarimètre à division d'amplitude dont le principe est le suivant: le faisceau lumineux incident est d'abord séparé en un faisceau réfléchi et un faisceau transmis par une lame séparatrice de faisceaux, puis en quatre par deux prismes de Wallaston. De tels polarimétres permettent, grâce à un multiplexage de l'information, de mesurer en temps réel les composantes de polarisation de la lumière. De plus, ils ne requièrent ni modulation, ni partie mobile. Cependant, du fait que la lame séparatrice produit des effets interférentiels, les propriétés du polarimètre dépendent fortement de la longueur d'onde de la lumière. Des applications spectroscopiques sont donc exclues et il est généralement nécessaire de procéder à des mesures monochromatiques. Un autre inconvénient de ce dispositif est sa grande sensibilité à l'angle d'incidence du faisceau. La présente invention concerne un polarimètre du type à division d'amplitude, qui peut être utilisé dans une très grande fenêtre spectrale. Le polarimétre selon l'invention peut également être peu sensible à l'angle d'incidence. Qui plus est, il peut permettre d'obtenir un bon niveau de sensibilité de mesure et une faible propagation d'erreurs relatives sur les intensités mesurées, donc une bonne précision sur le vecteur de Stokes S. L'invention concerne aussi un procédé de mesure d'états de polarisation d'un faisceau lumineux ayant les avantages précités. A cet effet, I'invention a pour objet un polarimètre comprenant: . un séparateur initial destiné à séparer un faisceau incident de lumière à mesurer ayant un vecteur de Stokes en un faisceau réfléchi et un faisceau transmis, le séparateur ayant un coefficient de réflexion R, un couple d'angles ellipsométriques en réflexion (uy,, Ar), un coefficient de transmission T et un couple d'angles ellipsométriques en transmission (t, tut); . deux séparateurs finaux destinés à séparer respectivement chacun des faisceaux réfléchi et transmis en au moins deux faisceaux finaux, . des moyens de détection destinés à mesurer les intensités des faisceaux finaux, et . une unité de traitement reliée aux moyens de détection, produisant le vecteur de Stokes de la lumière à mesurer. Selon l'invention, le séparateur initial comporte un prisme n'induisant pas d'effet interférentiel et ayant des propriétés, notamment un indice de réfraction np et une disposition telles que le faisceau transmis subit au moins une réflexion interne au prisme selon un angle de réflexion interne. Par prisme , on entend un solide obtenu en coupant une surface prismatique par deux plans parallèles, la surface prismatique étant par définition engendrée par une droite de direction fixe qui se déplace en s'appuyant constamment sur le pourtour d'un polygone plan. La base du prisme est délimitée par ce polygone plan. Chaque réflexion interne du faisceau transmis à l'intérieur du prisme produit un déphasage élémentaire entre la composante linéaire de polarisation dans le plan d'incidence (composante p) et la composante linéaire perpendiculaire au plan d'incidence (composante s). La somme de ces déphasages élémentaires est égale à l'angle ellipsométrique At. Dans un mode préféré de réalisation du polarimètre, I'absence d'effet interférentiel au cours d'une réflexion interne est obtenue en faisant en sorte que cette réflexion soit totale. Cette réflexion totale est produite grâce à la différence des indices de réfraction du prisme et de l'air et grâce à l'incidence du faisceau transmis sur le dioptre du prisme sur lequel a tieu la réflexion interne. Dans un autre mode préféré de réalisation du polarimètre, les dioptres du prisme sur lesquels ont lieu les réflexions internes sont recouverts d'une couche absorbante épaisse. Par couche absorbante épaisse , on entend une couche constituée d'un matériau non diélectrique, ayant une épaisseur de l'ordre de quelques longueurs de pénétration (cette dernière étant définie comme l'inverse de l'absorption). Les séparateurs finaux séparent avantageusement chacun des faisceaux réfléchi et transmis en deux faisceaux finaux ayant des polarisations linéaires différentes. Les moyens de détection fournissent ainsi quatre intensités mesurées, à partir desquelles l'unité de traitement calcule les composantes du vecteur de Stokes S. De manière préférée, les polarisations linéaires sont orthogonales, les séparateurs finaux étant des prismes de Wallaston. De plus, il est intéressant que les prismes de Wallaston soient orientés à 45" par rapport au plan d'incidence. D'autres types de polariseurs séparant deux polarisations linéaires orthogonales d'un faisceau reçu conviennent également comme séparateurs finaux. De tels éléments permettent de conserver l'indépendance en longueur d'onde. Les moyens de détection consistent par exemple en un ensemble de photodétecteurs associés respectivement aux faisceaux finaux. Contrairement au polarimètre à division d'amplitude utilisant une lame séparatrice, le polarimètre selon l'invention ne nécessite aucun traitement de surface produisant des effets interférentiels, et peut ainsi être très peu sensible à la longueur d'onde. De plus, I'absence de revêtement interférentiel permet également d'être relativement insensible à l'angle d'incidence du faisceau incident sur le séparateur initial. L'influence de l'angle d'incidence est préférentiellement réduite par un choix approprié de l'indice de réfraction np du prisme, de ses propriétés géométriques et de la valeur de l'angle d'incidence. Le polarimètre selon l'invention offre également les avantages de pouvoir être compact, ce qui est très important pour des utilisations in situ, et de pouvoir ne pas comporter de composants optiques onéreux. Dans un premier ensemble d'applications, le polarimétre est incorporé dans un ellipsomètre conventionnel de manière à améliorer la précision des mesures et à élargir le champ d'application à des milieux dépolarisants. Dans un deuxième ensemble d'applications, le polarimètre est utilisé comme composant indépendant, par exemple en astrophysique. Dans un troisième ensemble d'applications, le polarimètre est associé à un ellipsomètre de Mueller. II permet ainsi d'effectuer des mesures sur des surfaces rugueuses ou des systèmes particulaires, y compris in situ et en temps réel. Différents domaines d'utilisations incluent le traitement de surfaces quelconques (acier et métaux....), la détection d'objets métalliques (applications militaires . ..), I'étude de milieux anisotropes (supraconducteurs.. ..), la détection et la caractérisation de poudre (granulométrie), I'étude de l'environnement (aérosols ...) et des applications médicales diverses. Les principes mathématiques à la base du polarimètre sont exposés ci-dessous. Ils donnent notamment des informations utiles pour l'optimisation des paramètres du polarimétre, de manière à assurer une faible dépendance à l'angle d'incidence, un bon niveau de sensibilité de mesure et/ou une faible propagation d'erreurs relatives sur les intensités au cours du calcul du vecteur de Stokes. Le nombre d'intensités mesurées jK étant égal à n (n > 4), le polarimètre est représenté par une matrice A de dimensions n x 4, qui vérifie la relation ( T désignant l'opérateur de transposition): (i1 i2 i3 .. in) T = AS Dans le cas où le nombre n de faisceaux finaux est égal à 4, on a donc, A étant une matrice réelle 4 x 4: S = A-1#(i1 i2 i3 i4)T De préférence, on maximise le conditionnement s (A) de la matrice A, donné par: où A, et 4 sont la plus petite et la plus grande valeur propre de la matrice A T A. On minimise ainsi la propagation des erreurs relatives sur les intensités après la multiplication par la matrice A-' De plus, on maintient avantageusement la norme de la matrice A à une valeur suffisamment grande. On garde ainsi un bon niveau de sensibilité, du fait qu'une fraction significative de l'intensité de lumière peut être utilisée. Préférentiellement, on minimise la fonction 6 (A) donnée par: Ai désignant les composantes de la matrice A et +1 représentant l'angle d'incidence sur le prisme du séparateur initial. Les moyens de détection étant constitués de quatre photodétecteurs ayant respectivement des gains G1, G2, G3 et G4, la matrice A vaut: Les gains Gk des photodétecteurs étant, à titre d'exemple, identiques, le conditionnement de A est optimal quand: R=T 1/2 #r=#t=#/8 modulo #/4 #r - #t = #/2 modulo En l'absence d'effet interférentiel, Ar est nul et l'optimum correspond donc à: At = Tt /2 modulo n. De préférence, la somme des déphasages élémentaires par réflexions internes est alors voisine de D'une manière générale, il est nécessaire de choisir entre un bon conditionnement s(A) et une faible sensibilité 6 (A) de la matrice A. Selon les besoins liés aux mesures, il peut être judicieux de privilégier l'un des deux critères par rapport à l'autre. Avantageusement, s(A) est supérieur à 0,3 (bon conditionnement) et/ou 6 (A) est inférieur à 1 (faible sensibilité à l'angle d'incidence). Dans un mode préféré de réalisation, au moins une des réflexions internes au prisme du séparateur initial est une réflexion totale. II est alors intéressant que les angles de réflexions internes 4)3 correspondant aux réflexions totales vérifient approximativement la relation: Dans un autre mode préféré de réalisation, au moins une des réflexions internes au prisme du séparateur initial est une réflexion sur une couche absorbante épaisse. Selon une première forme de réalisation avantageuse du prisme, celui-ci a une base triangulaire comprenant un premier côté, un deuxième côté formant un premier angle d'ouverture avec le premier côté, et un troisième côté formant un second angle d'ouverture avec le deuxième côté, les premier, deuxième et troisième côtés de la base étant respectivement associés à des première, deuxième et troisième faces du prisme. Le faisceau incident parvenant sur la première face selon un angle d'incidence parallèlement à la base et étant séparé sur la première face en des faisceaux réfléchi et transmis, le faisceau transmis subit la réflexion interne sur la deuxième face et sort par la troisième face. Dans des exemples préférés correspondant à la forme de réalisation avec base triangulaire du prisme, la réflexion interne est totale, L'indice de réfraction du prisme est compris entre 2,5 et 2,0 sur une plage de longueur d'onde comprise entre 0,4 pm et 14 pm et L'angle d'incidence et les premier et second angles d'ouverture valent respectivement, à un degré près: . dans un premier exemple préféré: 81", 57" et 33 , et . dans un second exemple préféré: 48 , 51 et 33 . Dans une seconde forme de réalisation avantageuse du prisme, celui-ci a une base polygonale comprenant au moins un premier côté, un deuxième côté formant avec le premier côté un angle d'ouverture, un troisième côté parallèle au premier côté et un quatrième côté parallèle au deuxième côté, les premier, deuxième, troisième et quatrième côtés de la base étant respectivement associés à des première, deuxième, troisième et quatrième faces du prisme. Le faisceau incident parvient sur la première face selon un angle d'incidence parallèlement à la base et est séparé sur la première face en les faisceaux réfléchi et transmis, le faisceau transmis subit respectivement une première et une seconde des réflexions internes sur les deuxième et quatrième faces et sort par la troisième face. Selon un exemple préféré de cette forme de réalisation avec base polygonale, L'indice de réfraction du prisme est compris entre 1,85 et 1,75 sur une plage de longueur d'onde comprise entre 0,4 et 2 pm et l'angle d'incidence et l'angle d'ouverture valent respectivement 78,5 et 68 , à un degré près. L'invention concerne également un procédé de mesure d'états de polarisation d'un faisceau lumineux ayant un vecteur de Stokes dans lequel: . on sépare le faisceau lumineux à mesurer en un faisceau réfléchi et un faisceau transmis, . on sépare chacun des faisceaux réfléchi et transmis en au moins deux faisceaux finaux, . on mesure les intensités des faisceaux finaux, et . on produit le vecteur de Stokes de la lumière à mesurer à partir de ces intensités. Selon l'invention, on fait subir au faisceau transmis au moins une réflexion interne à un prisme, sans induire d'effet interférentiel. L'invention sera mieux comprise en référence à des modes particuliers de réalisation et de mise en oeuvre, données à titre d'exemples et illustrés sur les dessins annexés: La Figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un polarimètre selon l'invention, et La Figure 2 représente un second mode de réalisation d'un polarimétre selon l'invention. Sur les Figures 1 et 2, des éléments semblables sont désignés par les mêmes références. Un polarimètre 1, représenté sur la Figure 1, comprend un prisme 2 ayant une base 16 triangulaire. Le prisme 2 comporte trois faces 11, 12 et 13 (perpendiculaires au plan de la feuille), correspondant respectivement à des côtés de la base triangulaire 16. Les faces 1 1 et 12 forment entre elles un angle 2 et les faces 12 et 13 forment entre elles un angle +5. Le prisme 2 ne comporte pas de traitement de surface et a un indice de réfraction np. II est destiné à recevoir sur sa face 1 1 un faisceau incident 21 selon un angle d'incidence f1, et à le séparer en un faisceau réfléchi 22 et un faisceau transmis 23. Les angles + 2. et +5 et l'indice de réfraction np sont choisis de telle sorte que le faisceau transmis 23 parvient sur la face 12 du prisme 2 selon un angle d'incidence 3, est totalement réfléchi sur cette face 12 et sort par la face 13 perpendiculairement à cette face 13. Le polarimètre 1 comprend aussi deux prismes de Wallaston 3 et 4 orientés à 45" par rapport au plan d'incidence, destinés à recevoir respectivement les faisceaux réfléchi 22 et transmis 23 et à les séparer chacun en deux faisceaux finaux, respectivement référencés 25 et 26 pour le faisceau réfléchi 22 et 27 et 28 pour le faisceau transmis 23. Des photodétecteurs 5-8 sont disposés de manière à mesurer respectivement les intensités i1-i4 des faisceaux finaux 25-28. Ils sont reliés à une unité de traitement 9, qui produit le vecteur de Stokes S de la lumière du faisceau incident 21, à partir de ses intensités. Les photodétecteurs 5-8 sont par exemple des tubes photomultiplicateurs. Dans une forme avantageuse de réalisation, le prisme 2 est constitué de ZnS, optimisé pour des applications dans les domaines visible et infrarouge, de 0,4 um (np= 2,41) à 14 pm (np= 2,15). Selon un premier exemple de cette forme avantageuse de réalisation: f1= 81,2", 4)2 = 56,9 , +5 = 32,8 . Cet exemple avec incidence rasante est d'une très grande efficacité (conditionnement s(A) = 0,57) et d'une sensibilité moyenne à l'angle d'incidence (sensibilité 6(A) = 2,74). Selon un second exemple de cette forme avantageuse de réalisation: f1= 48,4", 412= 50,80, 65=32,80. Cet exemple donne une efficacité relativement correcte (conditionnement S(A) = 0,2) et une très faible sensibilité à l'angle d'incidence 6(A) = 0,33). De plus, cette configuration est très pratique d'un point de vue géométrique. Un autre polarimètre 31 comprend un prisme 32 ayant une base 46 polygonale. Le prisme 32 comprend cinq faces 41-45, s'appuyant sur des côtés de la base 46 perpendiculairement à cette base 46. Les faces 41 et 43 sont parallèles, de même que les faces 42 et 44. La face 43 forme avec la face 44 un angle +2. La face 41 et la face 42 forment donc aussi cet angle +2, mais le coin formé par les faces 41 et 42 est tronqué, de manière à former la cinquième face 45. En fonctionnement, la face 41 reçoit le faisceau incident 21 et le partage en un faisceau réfléchi 22 et un faisceau transmis 23. Le faisceau transmis 23 parvient avec un angle d'incidence +3 sur la face 42 et s'y réfléchit totalement, puis avec le même angle d'incidence +3 sur la face 44, sur laquelle il se réfléchit totalement. II sort ensuite par la face 43. La face 45 est éventuellement dépolie ou noircie pour arrêter le faisceau parasite provenant de la face 43. Les autres éléments du polarimètre 31 sont similaires à ceux du polarimètre 1 et fonctionnent de maniére identique. Dans un exemple avantageux de réalisation, consacré à des applications dans les domaines visible et en proche infrarouge, le prisme 32 est constitué d'un matériau en verre, par exemple du type commercialisé sous la référence FBS E00-46 par CORNING S.A. Son indice de réfraction n décroît ainsi de 1,83 pour 0,4 pm à 1,76 pour 2 pm . Pour une longueur d'onde égale à 0,488 um, 10% de l'intensité du faisceau transmis 23 étant absorbé dans le prisme 32, le prisme 32 de l'exemple est tel que: np= 1,812, +1= 78,5 , +2= 68". La matrice Aexp mesurée expérimentalement vaut alors: Elle est très proche de sa valeur théorique. De plus l'angle (tl3 vaut approximativement 35 Une très bonne efficacité est obtenue (conditionnement mesurée s(Aexp) = 0,5 et conditionnement théorique s(A) = 0,56). De plus, la sensibilité théorique b(AeXp) à l'angle d'incidence est égale à 2,6. La diminution de l'angle d'incidence fa permet de réduire la sensibilité à l'angle d'incidence, en diminuant l'efficacité. De plus, la dispersion de l'indice de réfraction de 0,4 pm à 2 um conduit à une variation de quelques pourcent de la matrice A. Le calibrage doit donc être effectué à différentes longueurs d'onde. Le faisceau transmis 23 présente une petite dispersion spatiale compatible avec la plupart des fenêtres optiques de polariseurs et de photodétecteurs disposés à une distance raisonnable du prisme 32. A titre comparatif, un polarimètre à division d'amplitude comprenant un séparateur de faisceaux recouvert de diélectrique ou de semi-conducteur (K. Brudzewski, Journal of Modern Optics, vol. 38, p. 889, 1991) correspond respectivement à un conditionnement de l'ordre de 0,1 à 0,2 et de l'ordre de 0,3 à 0,4, et à une sensibilité à l'angle d'incidence de l'ordre de 2,6. Le polarimètre selon l'invention permet donc d'améliorer sensiblement ces performances. REVENDICATIONS 1. Polarimètre (1, 31) comprenant: . un séparateur initial destiné à séparer un faisceau incident (21) de lumière à mesurer ayant un vecteur de Stokes (S) en un faisceau réfléchi (22) et un faisceau transmis (23), ledit séparateur ayant un coefficient de réflexion (R), un couple d'angles ellipsométriques en réflexion (8Ir, Ar), un coefficient de transmission (T) et un couple d'angles ellipsométriques en transmission (8tut, At), . deux séparateurs finaux (3, 4) destinés à séparer respectivement chacun des faisceaux réfléchi (22) et transmis (23) en au moins deux faisceaux finaux (25-28), . des moyens de détection (5-8) destinés à mesurer les intensités (i1-i4) des faisceaux finaux, et . une unité de traitement (9) reliée aux moyens de détection, produisant le vecteur de Stokes (S) de la lumière à mesurer, caractérisé en ce que le séparateur initial comporte un prisme (2, 32) n'induisant pas d'effet interférentiel et ayant des propriétés, notamment un indice de réfraction (nu), et une disposition telles que ledit faisceau transmis (23) subit au moins une réflexion interne audit prisme (2, 32), selon un angle de réflexion interne (3). 2. Polarimètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une desdites réflexions internes au prisme (2, 32) du séparateur initial est une réflexion totale. 3. Polarimètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits angles de réflexion interne (+3) correspondant auxdites réflexions totales vérifient approximativement la relation: 4. Polarimètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins une desdites réflexions internes au prisme du séparateur initial est une réflexion sur une couche absorbante épaisse. 5. Polarimètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit prisme (2) a une base triangulaire (16) comprenant un premier côté, un deuxième côté formant un premier angle d'ouverture (+2) avec le premier côté, et un troisième côté formant un second angle d'ouverture (+5) avec le deuxième côté, les premier, deuxième et troisième côtés de la base (16) étant respectivement associés à des première, deuxième et troisième faces (11-13) dudit prisme (2), ledit faisceau incident (21) parvenant sur la première face (11) selon un angle d'incidence (i) parallèlement à ladite base (16) et étant séparé sur ladite première face (11) en les faisceaux réfléchi (22) et transmis (23), le faisceau transmis subissant ladite réflexion interne sur la deuxième face (12) et sortant par la troisième face (13). 6. Polarimètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite réflexion interne est totale, L'indice de réfraction (np) du prisme est compris entre 2,5 et 2,0 sur une plage de longueur d'onde comprise entre 0,4 ,um et 14 pm et l'angle d'incidence zig et les premier et second angles d'ouverture (ss2, 5) valent respectivement 81 , 57 et 33 , à un degré près. 7. Polarimètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite réflexion interne est totale, L'indice de réfection (np) du prisme est compris entre 2,5 et 2,0 sur une plage de longueur d'onde comprise entre 0,4 um et 14 pm et l'angle d'incidence zig et les premier et second angles d'ouverture (ss21 (p5) valent respectivement 48 , 51 et 33 à un degré près. 8. Polarimètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit prisme (32) a une base polygonale (46) comprenant au moins un premier côté, un deuxième côté formant avec le premier côté un angle d'ouverture (+2), un troisième côté parallèle au premier côté et un quatrième côté parallèle au deuxième côté, les premier, deuxième, troisième et quatrième côtés de la base (46) étant respectivement associés à des première, deuxième, troisième et quatrième faces (41-44) dudit prisme (32), ledit faisceau incident (21) parvenant sur la première face (41) selon un angle d'incidence (f1) parallèlement à ladite base (46) et étant séparé sur ladite première face en les faisceaux réfléchi (22) et transmis (23), le faisceau transmis subissant respectivement une première et une seconde desdites réflexions internes sur les deuxième et quatrième faces (42, 44) et sortant par la troisième face (43). 9. Polarimètre selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdites réflexions internes sont totales, L'indice de réfraction (np) du prisme (32) est compris entre 1,85 et 1,75 sur une plage de longueur d'onde comprise entre 0,4 et 2 pm et l'angle d'incidence (+1) et l'angle d'ouverture (+2) valent respectivement 78,5 et 68 , à un degré près. 10. Procédé de mesure d'états de polarisation d'un faisceau lumineux (21) ayant un vecteur de Stokes (S), dans lequel: . on sépare ledit faisceau lumineux à mesurer en un faisceau réfléchi (22) et un faisceau transmis (23), . on sépare chacun desdits faisceaux réfléchi (22) et transmis (23) en au moins deux faisceaux finaux (25-28), . on mesure les intensités (i1-i4) des faisceaux finaux (25-28), et . on produit le vecteur de Stokes (S) de la lumière à mesurer à partir desdites intensités, caractérisé en ce qu'on fait subir audit faisceau transmis (23) au moins une réflexion interne à un prisme (2, 32), sans induire d'effet interférentiel.