Brevet FR2788605A1 — publié le 20000721

I SEPARATEUR SPECTRAL ET LIDAR DOPPLER A DETECTION DIRECTE EN FAISANT APPLICATION La présente invention a pour objet un séparateur spectral permettant d'extraire une bande passante étroite d'un flux lumineux. Elle est utilisable dans tout instrument optique dans lequel on souhaite extraire une raie spectrale fine et disposer également d'un faisceau contenant la bande résiduelle, orientée suivant un trajet différent. Elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les dispositifs de mesure de distance par réflexion d'impulsions lumineuses brèves, dits "lidars", et notamment dans les lidars Doppler dits incohérents ou à détection directe. On connait déjà des séparateurs spectraux capables de séparer un faisceau incident en deux faisceaux de sortie, l'un correspondant à une bande étroite, l'autre à la partie hors bande. Les séparateurs à lame dichroïque sont à basse résolution. D'autres spectromètres, à haute résolution, ne - permettent pas de séparer angulairement les faisceaux de sortie et de les analyser commodément. La présente invention vise notamment à fournir un séparateur spectral permettant simultanément et à la fois une séparation spectrale d'extraction d'une bande passante 23 très étroite et une séparation spatiale angulaire des faisceaux de sortie. Dans ce but elle propose notamment un séparateur spectral ayant successivement, dans la direction de propagation d'un faisceau de lumière d'entrée: - un polariseur incliné sur la dite direction, - une lame quart d'onde, et - un filtre étalon à cavité accordée livrant passage à une bande spatiale étroite et réfléchissant la fraction du spectre du faisceau hors de la bande. Le filtre étalon sera généralement un filtre Fabry- Pérot à réflexions multiples, en un matériau choisi de façon à être transparent pour la lumière du faisceau d'entrée à analyser. Une sélectivité élevée sera obtenue en prévoyant des réflexions suffisamment nombreuses, généralement plusieurs dizaines. Le polariseur sera avantageusement une lame de Brewster utilisée sous une incidence de 57,5 , qui transmet la polarisation parallèle au plan d'incidence et réfléchit la polarisation orthogonale. Toutefois on peut également utiliser d'autres polariseurs, tels qu'un cube séparateur. Un tel séparateur spectral a des caractéristiques très favorables. Sa résolution spectrale est très élevée, la bande passante extraite pouvant être aussi fine que nécessaire, jusqu'à quelques dizaines de MHz ou même davantage. La séparation angulaire des faisceaux est - supérieure à 900. L'implantation est donc aisée. L'étalon est généralement utilisé en incidence normale. La tolérance aux erreurs d'alignement est alors élevée (typiquement de plusieurs dizaines de Brad), même à haute résolution. Le champ de vue est lui aussi important lorsque l'étalon est utilisé en incidence normale. Enfin, il n'y a pas de mécanisme de commutation et donc il y a accès temporel simultané aux deux voies, en transmission et en réflexion. Le séparateur peut être notamment incorporé à un lidar Doppler qui comporte, de plus, des moyens de détermination du décalage Doppler de la raie située dans la bande passante étroite, provenant de la réflexion d'une impulsion lumineuse monochromatique brève sur une cible mobile. Parmi ces lidars, l'invention trouve un intérêt tout particulier dans les lidars utilisés pour mesurer avec une résolution élevée le décalage spectral d'impulsions lumineuses réfléchies ou diffusées par la surface des nuages et provenant d'un laser à terre ou monté sur un aéronef ou un satellite. L'invention vise donc également à fournir un lidar dit atmosphérique qui permet de déterminer l'altitude des nuages à partir de mesures de temps de vol des impulsions réfléchies sur des particules atmosphériques et leur vitesse, et cela en tenant compte simultanément de la présence de deux composantes, d'origines différentes, du spectre rétrodiffusé par l'atmosphère. Pour apprécier l'intérêt de cette mesure simultanée, il peut être utile de rappeler que la mesure locale de vent exige de tenir compte de l'effet Doppler et de résoudre, pour chaque altitude, le spectre de longueur d'onde du signal rétroréfléchi ou rétrodiffusé. Le document FR- A-2 735 935 décrit un lidar à interféromètre de Fizeau qui permet d'obtenir un rapport signal sur bruit élevé en accumulant - les résultats obtenus au cours de nombreux tirs laser successifs, pour une bande spectrale étroite. L'interféromètre permet de mesurer les décalages Doppler très faibles dus au mouvement des particules. Mais pour les lidars à courte longueur d'onde -) (inférieure à environ 1 pumn), le spectre rétrodiffusé par l'atmosphère comporte deux composantes spectrales. La première composante, dite de Mie, est de largeur spectrale égale ou similaire à celle du laser (environ 25 à MHz) et provient de la diffusion sur des particules de type aérosol. La seconde, dite de Rayleigh, est de largeur spectrale beaucoup plus importante (environ 3.5 GHz à mi-hauteur à la longueur d'onde de 0.35 pm) et provient de la diffusion sur les molécules de l'air. Cette deuxième composante est d'autant plus intense que la longueur d'onde est courte. Ces deux composantes sont complémentaires pour la mesure des vents et il est souhaitable de les mesurer simultanément. Le séparateur suivant l'invention permet de disposer des deux composantes simultanément et sur deux trajets ayant une séparation angulaire élevée. Un lidar Doppler à détection directe permettant de mesurer simultanément deux composantes d'origines différentes du spectre rétrodiffusé par l'atmosphère, peut comporter une source lumineuse impulsionnelle telle qu'un laser, un séparateur du genre ci- dessus, disposé pour recevoir des échos d'impulsions lumineuses émises par la source et, sur chaque trajet de sortie du séparateur, un spectromètre multicanaux permettant d'analyser temporellement et spectralement le faisceau correspondant. Chaque spectromètre peut avoir un filtre optique agencé pour diriger, vers différentes colonnes de la zone image d'un dispositif matriciel à couplage de charges ou CCD, des composantes spectrales ayant des décalages de longueur d'onde différents des échos d'impulsions lumineuses. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit -' d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma synoptique d'un lidar incorporant l'invention; - la figure 2 montre les courbes de transmission et de réflexion d'un séparateur conforme à l'invention. Le lidar représenté sur la figure 1 comprend une source 10 d'impulsions lumineuses brèves et, sur un trajet de retour du flux lumineux rétrodiffusé, un séparateur spectral 4 et deux analyseurs 6a et 6b pouvant être de même constitution. Seule celle de l'analyseur 6a est montrée. La source 10 est généralement constituée par un laser émettant des impulsions monochromatiques très brèves (20 à ns en général) dans le visible ou dans l'ultraviolet. On peut notamment utiliser un laser Nd- YAG à une longueur d'onde de 355 nm. Le faisceau réfléchi rétrodiffusé est reçu sur un polariseur 8, représenté sous forme d'une lame de Brewster qui a l'avantage de permettre une séparation angulaire importante du fait de l'incidence du faisceau sur elle. Le faisceau de sortie, qui présente une polarisation parallèle au plan d'incidence, traverse une lame quart- d'onde 12, qui peut être une lame mince en matériau biréfringent comme le quartz. La lame quart-d'onde est suivie d'un filtre interférentiel étalon 13 de type Fabry-Pérot, multicouche de façon à avoir une sélectivité élevée. Un tel filtre étalon est constitué de couches alternées ayant des indices haut et bas, d'épaisseurs telles que les réflexions provenant des frontières successives soient en phase, avec des cales intercalaires diélectriques dont l'épaisseur correspond à un nombre entier de demi-longueurs d'onde. Dans la pratique, on utilisera généralement un filtre étalon ayant des plaques en silice et des cales en matériau à faible coefficient de dilatation. Les plaques et les cales sont avantageusement assemblées par adhésion moléculaires, pour d'obtenir la stabilité mécanique, d'environ 2 nm, requise en ultraviolet. Les faces internes des plaques seront généralement recouvertes de couches minces diélectriques assurant une réflectivité importante. On a ainsi pu obtenir une réflectivité de 80 % avec une distance entre plaques de 3 mm et un intervalle spectral libre de 20 pm. Le déphasage à chaque réflexion peut être rendu minime, puisque les couches minces sont utilisées habituellement en incidence normale. La perte due aux déphasages des réflexions multiples pourra généralement être réduite à environ 0,1 %. Les dioptres air-verre seront généralement recouverts de couches diélectriques antireflet pour améliorer l'efficacité optique du séparateur spectral. L'analyseur 4 ainsi constitué fonctionne de la façon suivante: le faisceau incident est polarisé linéairement par le polariseur 8. La lame quart-d'onde 12 donne au faisceau une polarisation circulaire. Le faisceau réfléchi par le filtre étalon 13 retraverse la lame 12 et redevient polarisé linéairement, avec une polarisation orthogonale à la polarisation initiale. Il est alors réfléchi par le polariseur 8. Ainsi, on obtient une séparation angulaire élevée entre - le faisceau transmis, qui correspond à une bande passante très étroite, et le faisceau réfléchi par le polariseur 8. Le coefficient de transmission T du filtre étalon peut avoir l'allure de variation en fonction de la longueur d'onde indiquée sur la figure 2. Dans le cas d'une source 10 ayant -3 une longueur d'onde de 0, 35 pim, le filtre 13 aura généralement une transmission maximale T de 70 % environ et une largeur spectrale AX à mi-hauteur d'environ 1 pm. Toujours pour la même longueur d'onde de 0,35 pm, les tolérances d'alignement et le champ de vue peuvent être respectivement de 50 prad et de quelques mrad, en incidence normale. Lors de la séparation spatiale à l'aide du polariseur 8, la séparation angulaire entre les faisceaux de sortie peut dépasser 90 . Dans le lidar Doppler montré en figure 1, l'analyseur 6a est prévu pour traiter la composante due à la diffusion Mie. L'analyseur 6b traite la composante obtenue par diffusion Rayleigh, qui présentera cependant une brèche très étroite dans sa partie centrale. L'analyseur 6b est un spectromètre composé de plusieurs canaux, couvrant la totalité du spectre Rayleigh. La partie centale, tronquée par le séparateur spectral, est de largeur très faible par rapport à la largeur de raie Rayleigh et n'est pas généralement utilisée pour la mesure Doppler. Le résidu de cette partie centrale est cependant accessible (réflexion non nulle au centre) et peut être utilisé pour l'étalonnage du zéro. Les canaux situés de part et d'autre de la partie centrale sont utilisés pour déterminer la position du barycentre spectral de la composante Rayleigh. L'analyseur peut être du type décrit pour l'analyseur 6a, ou plus simplement constitué de deux ou plusieurs filtres placés de part et d'autre de la partie centrale. L'analyseur 6a représenté a la constitution générale décrite dans le document FR-A-2 735 935 ou la demande FR 97 12340, auxquels on pourra se reporter. L'analyseur 6a -5 comporte un filtre interférentiel 16 et une optique relais 18 qui focalise le faisceau reçu sur la zone image d'un détecteur matriciel à couplage de charges ou CCD 14. Cette zone image comporte P lignes et N colonnes de sites photosensibles. Le filtre interférentiel 16 distribue spectralement la lumière reçue vers différentes colonnes de la zone image. Un séquenceur 30 définit, à chaque émission d'une impulsion par la source 10, une période d'observation au cours de laquelle le CCD 14 mesure et stocke le signal optique recu. Le séquenceur commande également les horloges 28 de fonctionnement du CCD et la lecture 32. Le lidar est complété par un circuit de traitement 34. Etant donné que l'analyseur peut être d'un genre connu, il n'en sera pas donné ici une description complète. REVENDICATIONS 1. Séparateur spectral d'extraction d'une bande passante étroite d'un faisceau de lumière incident, comprenant successivement, dans la direction de propagation du faisceau de lumière d'entrée: - un polariseur (8) incliné sur la dite direction, - une lame quart-d'onde (12), et 0 - un filtre étalon (13) à cavité accordée livrant passage à une bande spatiale étroite et réfléchissant la fraction du spectre du faisceau hors de la bande. 2. Séparateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filtre étalon est un filtre Fabry-Pérot à réflexions multiples, placé sous incidence normale. 3. Séparateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le polariseur est une lame de Brewster. 4. Lidar Doppler comportant, en plus d'un séparateur selon la revendication 1, 2 ou 3, des moyens de détermination du décalage Doppler de la raie située dans la bande spatiale. 5. Lidar Doppler à détection directe suivant la revendication 4, pour mesurer simultanément deux composantes d'origines différentes du spectre rétrodiffusé par l'atmosphère, comportant une source lumineuse impulsionnelle, un séparateur suivant la revendication 1, 2 ou 3, disposé pour recevoir des échos des impulsions lumineuses émises par la source et, sur chaque trajet de sortie du séparateur, un spectromètre multicanaux d'analyse temporelle et spectrale du faisceau sur ce trajet. 6. Lidar Doppler selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque spectromètre a un filtre optique interférentiel agencé pour diriger, vers différentes colonnes de la zone image d'un dispositif matriciel à couplage de charges, des composantes spectrales de longueur d'onde différentes, des impulsions lumineuses rétrodiffusées ou rétroréfléchies.