Brevet FR2787186A1 — publié le 20000616

INTERFEROMETRE MULTIVOIES DE TYPE MICHELSON ET SES APPLICATIONS, NOTAMMENT POUR L'ANALYSE DES SPECTRES ETROITS. L'invention concerne un interféromètre à faisceaux séparés de type Michelson et des applications de cet interféromètre, notamment pour l'analyse des spectres étroits dans un grand domaine spectral. L'interféromètre de Michelson classique comprend deux miroirs plans associés à une séparatrice en sorte qu'un faisceau incident pénétrant dans la pupille d'entrée de l'interféromètre produit un couple de faisceaux séparés et parallèles émergeant de la pupille de sortie et qui présentent entre eux une différence de marche que l'on peut faire varier en déplaçant l'un des miroirs. Cet interféromètre permet entre autre de déterminer la nature exacte d'une radiation monochromatique. Un but de la présente invention est de réaliser un interféromètre multivoies, c'est-à-dire qui fournisse, à partir d'un même faisceau incident, une pluralité de couples de faisceaux émergents présentant des différences de marches fixes et distinctes. Une conséquence importante d'un tel interféromètre est de pouvoir fonctionner en statique, les variations de la différence de marche étant obtenues sans nécessiter le déplacement d'un miroir par translation ou inclinaison. Cette possibilité est particulièrement avantageuse lorsque l'interféromètre doit être utilisé à bord d'un satellite, par exemple pour l'observation de l'atmosphère terrestre. L'interféromètre de l'invention est essentiellement caractérisé en ce que l'un au moins des miroirs présente une pluralité de surfaces réfléchissantes planes et parallèles décalées suivant la direction du faisceau qui tombe sur ce miroir, en sorte que ce miroir fournisse une i: --- [ pluralité de faisceaux réfléchis présentant entre eux des différences de marche liées à ces décalages. Dans une réalisation préférée, l'autre miroir de l'interféromètre présente également une pluralité de surfaces réfléchissantes planes et parallèles décalées suivant la direction du faisceau qui tombe sur ce miroir. Dans un cas simple, les plans respectifs des surfaces réfléchissantes des deux miroirs sont orthogonaux. Du fait de la multiplicité des couples de faisceaux émergents, la pupille de sortie est avantageusement divisée en autant de sous- pupilles qu'il y a de couples émergents et à chaque sous pupille peut être associé un détecteur d'une mosaïque de détecteurs, par exemple une mosaïque de diodes à transfert de charges. - On décrira ci-après des exemples de réalisation d'un interféromètre conforme à l'invention, en référence aux figures du dessin joint sur lequel: * la figure 1 est un schéma optique général de l'interféromètre, À la figure 2 est un schéma optique plus détaillé des miroirs de l'interféromètre selon un mode de réalisation, * la figure 3 est un schéma optique de l'image de l'un des miroirs sur l'autre miroir de l'interféromètre dans un exemple de réalisation, ò la figure 4 est un schéma de la pupille de sortie de l'interféromètre divisée en sous-pupilles, la figure 5 est une vue en perspective de l'un des miroirs selon un autre exemple de réalisation, a la figure 6 est un schéma optique de l'image d'un miroir conforme au type de la figure 5 sur l'autre miroir, selon un autre exemple de réalisation, * la figure 7 est une vue en perspective de l'autre miroir, À les figures 8 et 9 sont des schémas du procédé de réalisation de l'un des miroirs dans le cas o ce i IFi'- un ' miroir présente des groupes décalés de surfaces réfléchissantes étagées, Les figures 10 et 11 sont des schémas de réalisation des sous-pupilles, respectivement dans le cas o l'un des miroirs porte des groupes décalés de surfaces réfléchissantes étagées et dans le cas o il n'en comporte pas, et la figure 12 est un schéma d'un spectre à étudier. Sur la figure 1, les éléments sont les suivants: I: Ensemble des miroirs et de l'optique séparatrice/déflectrice de l'interféromètre. E: Optique d'entrée de l'interféromètre. S: Optique de sortie de l'interféromètre. D: Diaphragme percé d'un trou T occupé par une lentille. C: Collecteur qui focalise les rayons incidents vers le trou T. R: Ensemble de récepteurs (par exemple une mosaïque de diodes). Ce schéma est par exemple celui d'un dispositif embarqué à bord d'un satellite pour l'observation de l'atmosphère terrestre. Sur la figure 2, l'ensemble I est détaillé sur un exemple. Il comprend: Un miroir (M1) qui présente un ensemble de surfaces réfléchissantes rectangulaires, planes, parallèles et verticales, décalées selon la direction (F1) du faisceau incident à ce miroir. * Un miroir (M2) qui présente un ensemble de surfaces réfléchissantes rectangulaires, planes et parallèles et horizontales, décalées selon la direction (F2) du faisceau incident à ce miroir. On a représenté également sur la figure 2, en traits interrompus l'image (M'1) du miroir (M1) donnée par la lame séparatrice (L) sur (M2). Dans l'exemple représenté sur la figure 2 le miroir (Ml) présente des surfaces réfléchissantes (1, 2, 3)dont les images sont repérées (1', 2', 3') respectivement et le miroir (M2) est constitué également de trois surfaces réfléchissantes (1, 2, 3). Le nombre des surfaces réfléchissantes peut varier d'une réalisation à l'autre et il n'est pas nécessaire d'avoir le même nombre de surfaces réfléchissantes pour le miroir (Ml) et pour le miroir (M2), sauf si l'on désire utiliser une mosaique carrée de récepteurs. La figure 3 est relative au cas o les miroirs (Ml) et (M2) sont constitués chacun de quatre surfaces réfléchissantes 1 à 4, disposée en sorte que: * la surface 1 de (M2) et l'image (1') de la surface 1 de (Ml) sont superposés, * la surface 1 de (M2) et l'image 4' de la surface 4 de (Ml) sont décalés de 3p/2 si p/2 est l'intervalle entre deux surfaces successives de Mi. * la surface 2 de (M2) et l'image 1' de la surface 1 de (Ml) sont décalés de 4p/2. Vu de la sortie de l'interféromètre, la répartition des sous-pupilles dans la pupille est donnée figure 4. Le nombre indiqué dans chaque sous-pupille est la différence de marche exprimée en pas d'échantillonnage p. Un tel dispositif ne produit pas de différence de marche x =np Ax. Pour y remédier on modifie le miroir (Ml) en sorte que les surfaces réfléchissantes de ce miroir soient constituées par des groupes décalés comprenant chacun plusieurs surfaces réfléchissantes verticales étagées dans la direction (Fj) avec un pas égal à Ax /2. Dans ce cas, l'image (M'I) du miroir (Ml) sur le miroir (M2) est telle que- représentée sur la figure 6 (o pour la simplification de la figure, on s'est placé dans w ul _ ---w-- le cas o le miroir (MI) présente trois (k = 3) groupes de trois surfaces réfléchissantes. On a supposé que le miroir (M2) est constitué de surfaces réfléchissantes décalées avec un pas égal à k p/2. La figure 7 est une vue en perspective d'un miroir (M2) qui forme quatre surfaces réfléchissantes. Les miroirs (M1) et (M2) peuvent être réalisés en superposant des lames à faces parallèles qui sont réfléchissantes en surface dans le cas du miroir (M1) et réfléchissantes sur la tranche dans le cas du miroir (M2). Pour réaliser les groupes de surfaces réfléchissantes du miroir (MI), il est commode d'appliquer sur chaque lame du miroir des couches réfléchissantes (CI, C2) lNX d'épaisseur -, successives et dégradées en sorte que chaque couche appliquée ne recouvre que partiellement la couche précédente, comme cela est schématisé sur les figures 8 et 9. Dans le cas d'un miroir (M1) constitué de k groupes de surfaces réfléchissantes comportant chacun 3 surfaces réfléchissantes et d'un miroir (M2) comportant autant de surfaces réfléchissantes que le miroir (M1), le nombre des croisements entre une surface réfléchissante de (M.) et une surface réfléchissante de (M2) est donc (3k) 2 et c'est aussi le nombre de sous-pupilles:un tel interféromètre est donc l'équivalent de (3k)2 interféromètres classiques de Michelson. Avec les notations portées sur les figures 5 et 7, étant donné que le décalage entre deux surfaces réfléchissantes consécutives de E. est k p/2 et que le décalage entre les surfaces successives les plus éloignés l'une de l'autre de (E2) est (k-1) p/2, la différence de marche est I ri T- {(3k - I)k P +(k -1) PA+ 2 soit (3k2-1) p + Ax La répartition des souspupilles dans la pupille est alors telle que représentée sur la figure 10 (dans le cas o k = 3), à comparer à la répartition (figure 11) correspondant au cas o le miroir (Mj) ne comporte pas de couches appliquées. Un interféromètre conforme à l'invention permet d'acquérir des spectres à très haute résolution avec un excellent rapport signal/bruit sur un intervalle spectral étroit qui peut être sélectionné par des moyens classiques (monochromateur, filtre, Pérot-Fabry) sur une grande plage. La figure 12 est un exemple d'un tel spectre S v= dont la caractéristique essentielle est d'être nul en dehors d'un intervalle Av, centré sur v0 et beaucoup plus faible que v0 La perte d'énergie liée à la division de la pupille en sous-pupilles est largement compensée par le temps d'intégration qui est égal au temps d'observation puisque à chaque instant on saisit la totalité de l'interférogramme alors qu'avec un interféromètre classique, le temps d'intégration est égal au temps d'observation divisé par le nombre d'échantillons nécessaires pour explorer le spectre. La réduction de la pupille a par ailleurs pour effet de grossir la tache de diffraction. Dans le cas particulier de l'observation de l'atmosphère depuis un satellite, on peut fixer comme limite l'égalité entre le pixel et le premier anneau noir. L'interféromètre multivoies de l'invention convient particulièrement pour l'analyse des spectres étroits car en spectroscopie par transformée de Fourier on peut obtenir des spectres, quand ils sont étroits, avec beaucoup moins d'échantillons que n'en exige la théorie classique. Un nombre d'échantillons inférieur à 1 000 environ est convenable et compatible avec les possibilités technologiques de réalisation de l'interféromètre de l'invention. REVEND I CATIONS 1) Interféromètre du type Michelson, qui comprend deux miroirs plans (M1, M2) associés à une séparatrice (L) en sorte qu'un faisceau incident pénétrant dans la pupille d'entrée de l'interféromètre produit un couple de faisceaux séparés et parallèles émergeant de la pupille de sortie et qui présentent entre eux une différence de marche, caractérisé en ce que l'un au moins (Ml ou M2) des miroirs présente une pluralité de surfaces réfléchissantes planes et parallèles (1, 2, 3...) décalées suivant la direction (Fi ou F2) du faisceau qui tombe sur ce miroir, en sorte que ce miroir fournisse une pluralité de faisceaux réfléchis présentant entre eux des différences de marche liées à ces décalages. 2) Interféromètre selon la revendication 1, dont les deux miroirs (Ml, M2) présentent chacun une pluralité de surfaces réfléchissantes planes et parallèles (1, 2, 3...) décalées suivant la direction du faisceau qui tombe sur le miroir. 3) Interféromètre selon la revendication 1 ou 2 dont les plans respectifs des surfaces réfléchissantes (1, 2, 3...) des deux miroirs (M1, M2) sont orthogonaux. 4) Interféromètre selon l'une des revendications 1 à 3 dont les surfaces réfléchissantes (1, 2, 3...) des deux miroirs (MI, M2) sont respectivement verticales et horizontales. ) Interféromètre selon l'une des revendications 1 à 4 dont l'un (M) des miroirs présente des groupes décalés de surfaces réfléchissantes (1, 2, 3...) comprenant chacun plusieurs surfaces réfléchissantes étagées (10, 11, 12; 20, 21, 22;30, 31, 32;...) 6) Interféromètre selon la revendication 5 dans lequel chacun desdits groupes (1, 2, 3...) comporte trois surfaces réfléchissantes (10, 11, 12; 20, 21, 22; 30, 31, 32...) étagées avec un pas (Ax / 2) constant. 7) Interféromètre selon l'une des revendications 1 à 6 dont le ou les miroirs sont constitués par des empilages de lames réfléchissantes. 8) Interféromètre selon la revendication 7 dont l'un (M, ) des miroirs est constitué par empilage de lames réfléchissantes en surface et l'autre miroir (M2) est constitué par empilage avec décalage de lames réfléchissantes sur la tranche. 9) Interféromètre selon l'une des revendications 1 à 8 dont les miroirs (M,, M2) sont fixes. ) Interféromètre selon l'une des revendications 1 à 9, dont la pupille de sortie est divisée en autant de sous-pupilles qu'il y a de couples de faisceaux émergents, chaque sous- pupille étant conjuguée à un détecteur d'une mosaïque (R) de détecteurs. 11) Application d'un interféromètre selon l'une des revendications 1 à 10 à l'analyse des spectres étroits. 12) Application selon la revendication 11 à l'observation de l'atmosphère terrestre. 13) Application selon la revendication 12, dans laquelle l'interféromètre est embarqué à bord d'un satellite et à ses miroirs fixes.