Brevet FR2815116A1 — publié le 20020412

L'invention concerne un procédé et un dispositif d'analyse d'une onde lumineuse. Bien que plus particulièrement prévue pour des analyses de polarisation, elle pourra également servir à déterminer d'autres caractéristiques physiques de rayons lumineux. Actuellement, pour analyser la polarisation d'une onde lumineuse, il est connu d'utiliser différents prismes ou lames, qui doivent être mis en mouvement pour pouvoir réaliser les mesures voulues. Un premier inconvénient de tels procédés est qu'il nécessite des moyens mécaniques pour assurer la mobilité des prismes ou lames. Un second inconvénient est qu'ils ne permettent pas d'accéder à l'ensemble des composantes de la polarisation de l'onde à analyser. En outre, ils ne peuvent être exploités qu'avec des ondes monochromatiques et nécessitent ainsi l'utilisation de filtres interférentiels en amont pour pouvoir être mis en oeuvre avec des ondes polychromatiques. On peut également noter qu'ils ne supportent pas des ondes lumineuses de forte intensité. Le but de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif d'analyse d'une onde lumineuse qui pallie les inconvénients précités en facilitant et augmentant les possibilités de mesure. Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif d'analyse d'une onde lumineuse dans lesquels les moyens mécaniques à mettre en oeuvre soient simplifiés. Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif d'analyse d'une onde lumineuse qui puissent s'appliquer directement à une onde polychromatique simple. Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif d'analyse d'une onde lumineuse qui puissent s'appliquer à des ondes lumineuses de forte intensité. Un avantage de l'invention est de permettre les mesures en ligne. D'autres buts et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter. L'invention concerne tout d'abord un procédé d'analyse d'une onde lumineuse dans lequel on sépare, pour une longueur d'onde donnée unique, ladite onde lumineuse, dite incidente en au moins deux faisceaux, dits diffractés, d'orientations distinctes correspondant respectivement à au moins une fraction de deux composantes lumineuses de polarisation orthogonale de ladite onde incidente et on effectue une mesure d'au moins un signal représentatif d'une ou plusieurs caractéristiques d'au moins l'un desdits faisceaux diffractés. L'invention concerne également un dispositif d'analyse d'une onde lumineuse comprenant des moyens pour séparer, pour une longueur d'onde donnée unique, ladite onde lumineuse, dite incidente, en au moins deux faisceaux, dits diffractés, d'orientations distinctes correspondant respectivement à au moins une fraction de deux composantes lumineuses de polarisation orthogonale de ladite onde incidente et des moyens pour effectuer une mesure d'au moins un signal représentatif d'une ou plusieurs caractéristiques d'au moins l'un desdits faisceaux diffractés. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante accompagnée des dessins en annexe parmi lesquels : - les figures 1a à 1d décrivent selon quatre configurations différentes un exemple de réalisation du dispositif conforme à l'invention, chaque configuration correspondant à une étape d'un exemple de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, - la figure 2 est un diagramme de vecteur d'ondes illustrant de manière théorique un phénomène physique exploité par le dispositif représenté aux figures 1 précédentes. L'invention concerne tout d'abord un procédé d'analyse d'une onde lumineuse. Comme représenté aux figures 1a à à 1 d, selon celui-ci, on sépare, pour une longueur d'onde donnée unique, ladite onde lumineuse 1, dite incidente, en au moins deux faisceaux 2a, 2b, dits diffractés, d'orientations distinctes correspondant respectivement à au moins une fraction de deux composantes lumineuses de polarisation orthogonale de ladite onde incidente. On effectue ensuite une mesure d'au moins un signal Pi, P2, P3, P4, P'i. P'2, P'3, P'4 représentatif d'une ou plusieurs caractéristiques d'au moins l'un desdits faisceaux diffractés 2a, 2b. On dispose ainsi de deux faisceaux desquels peuvent être déduits des informations directement exploitables et pouvant être combinées entre elles. Grâce à de telles caractéristiques, l'on peut notamment, comme développé plus loin, effectuer des analyses de polarisation sans avoir à faire varier l'orientation des faisceaux diffractés. Il sera ainsi possible de simplifier les moyens mécaniques à mettre en oeuvre. Pour obtenir lesdits faisceaux diffractés, on dirige ladite onde incidente, par exemple, vers un premier milieu cristallin biréfringent 3 à l'intérieur duquel on fait se propager une onde acoustique, notamment ultrasonore, de manière à générer une interaction acousto-optique. On dispose ainsi en sortie dudit premier milieu 3 desdits faisceaux diffractés 2a, 2b et d'un faisceau transmis 4. A la figure 2, on a illustré le principe d'interaction acoustooptique dans un milieu anisotrope tel que ledit premier milieu 3. Le faisceau incident monochromatique de fréquence vo arbitrairement polarisé se décompose dès l'entrée dans le cristal suivant les deux modes propagation polarisés rectilignement et orthogonalement : ordinaire de vecteur d'onde k, o et extraordinaire de vecteur d'onde k, e. Nous considérons le cas général de deux ondes acoustiques transversales de fréquence f, ou f2, se propageant avec une inclinaison ai ou a2 par rapport à l'axe de référence. Les vecteurs d'onde acoustique sont K, et K2. Les conditions d'interaction synchrone peuvent être réunies simultanément pour chacune des deux polarisations incidentes, ce qui nous donne dans le cas du diagramme de la figure, les relations de conservation de l'impulsion suivante : kdo ) e'1 et kde = kio + K2 Les configurations d'interaction sont choisies de manière à ce que les polarisations des deux faisceaux diffractés soient orthogonales entre elles. La propagation de l'onde acoustique dans le milieu d'interaction crée un réseau de phase mobile, ce qui se traduit par un décalage de fréquence des faisceaux diffractés par rapport à la fréquence optique vo de l'onde incidente : #do = #0 - f1 et Vde = Va + f2 Plusieurs configurations sont possibles : - ai différent de a2 et f1 différent de f2 - ai = a2 et fi différent de f2 - &alpha;1 = &alpha;2 et f1 = f2. L'utilisation d'un milieu exploitant le phénomène de séparation acousto-optique permet d'obtenir une grande sélectivité spectrale qui peut être ajustée en fonction de la largeur d'interaction. A ce sujet, on pourra adapter les caractéristiques de ladite onde acoustique en fonction de la longueur d'onde de l'onde incidente pour laquelle on souhaite mener l'analyse. Pour une onde polychromatique ou comprenant plusieurs longueurs d'onde, on pourra ainsi, en fonction de la longueur d'onde choisie pour l'onde acoustique, sélectionner la longueur d'onde pour laquelle on souhaite effectuer l'analyse. On pourra de la sorte balayer l'ensemble des longueurs d'onde de l'onde incidente en faisant varier la longueur d'onde de l'onde acoustique, pour caractériser l'onde incidente sur l'ensemble de sa gamme de longueurs d'onde. On pourra encore moduler la puissance de l'onde acoustique pour moduler l'intensité des faisceaux diffractés. Par ailleurs, on pourra effectuer une modulation d'amplitude basse fréquence sur la ou lesdites ondes acoustiques, notamment afin d'autoriser une détection synchrone du ou des signaux représentatifs desdits faisceaux diffractés. Comme déjà évoqué, selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, on peut accéder à tout ou partie des composantes de la polarisation lumineuse de l'onde incidente. Cela étant, avant de développer un tel mode, précisons que, le repère ortho-normé (xyz) indiqué sur les figures 1a à 1d étant choisi de manière à ce que les axes propres orthogonaux du premier milieu 1 coïncide avec l'axe x et l'axe y et le champ électrique incident E du faisceau à analyser étant supposé de polarisation elliptique, il peut alors s'exprimer, sans perte de généralité, sous la forme d'un vecteur à deux composantes E de coordonnées Ex et Eye J# ou Ex et Ey sont supposés réels positifs et est le déphasage. L'intensité lumineuse de l'onde incidente 1 est : 1 =) EP = h + t2 avec ti =) E et ts = ! Ey ! . Après passage dans une lame de rotation de polarisation de 45 , le champ électrique obtenu E'est de coordonnée E'x et E'y avec E'='1% (E\ + E\-2ExEy cos) E'y= (E2x + E+ 2ExEy cos) d'où les intensités 13 = 1 E'x12 ='4 = 1 E'y f avec l'= 13 + 14 = 1 = Il + ts. La traversée de l'onde lumineuse dans une lame de rotation de polarisation de 900 revient à échanger les indices : h- 12 et 13-) 14 12 11 14 13 Ceci étant rappelé, pour déterminer en tout ou partie de la polarisation de l'onde à analyser, on procède de la façon suivante. On fait subir à celle-ci une ou plusieurs rotations de polarisation selon un ou plusieurs angles choisis et, pour chaque angle choisi, on effectue une mesure d'un signal représentatif, à un coefficient de proportionnalité près, de l'intensité lumineuse d'un faisceau lumineux, ceci pour chacun desdits faisceaux diffractés, ladite onde incidente étant définie par l'onde résultant de la rotation de polarisation associée à l'angle choisi. Ledit coefficient de proportionnalité est gardé constant entre chaque mesure./1 est constitué, par exemple, pour chaque faisceau, d'un rendement global incluant les pertes optiques, le rendement acousto-optique, celui des différents appareils de mesure employés, les taux d'amplification de ceux-ci ou autres. Grâce aux différents signaux relevés, on peut alors déterminer au moins en partie la polarisation de l'onde à analyser par une procédure de calcul spécifique, fonction des angles choisis. Plus précisément, comme illustré à la figure 1a, on pourra tout d'abord mesurer ledit signal représentatif de l'intensité lumineuse Pi, P2 pour chacun desdits faisceaux diffractés, ladite onde incidente étant définie par l'onde lumineuse à analyser. Comme illustré à la figure 1b, on pourra alors faire subir une rotation de polarisation de sensiblement 900 à l'onde à analyser pour obtenir une onde, dite de polarisation permutée, puis mesurer ledit signal représentatif de l'intensité lumineuse P'i, P'2 pour chacun desdits faisceaux diffractés, ladite onde incidente étant définie par ladite onde de polarisation permutée. On peut ainsi déterminer avec les signaux relevés une première composante de la polarisation de l'onde à analyser, à savoir X=) i/t, = P, P'2/P'lP2 Avec de telles mesures, on constate que l'on s'affranchit entièrement du coefficient de proportionnalité introduit par la chaîne d'instrumentation employée. On bénéfice ainsi d'un système stable dans le temps. A titre d'exemple, pour anticiper sur le dispositif mis en oeuvre, si l'une des protodiodes de mesure présente un rendement qui diminue dans le temps, cela n'influe pas sur les résultats obtenus car, à chaque mesure, son rendement disparaît du calcul. Pour déterminer d'autres composantes, on pourra encore effectuer les étapes qui suivent. Comme illustré à la figure 1c, on fait subir une rotation de polarisation d'un angle a donné à l'onde à analyser pour obtenir une onde, dite de polarisation décalée, et on mesure ledit signal représentatif de l'intensité lumineuse P3, P pour chacun desdits faisceaux diffractés, ladite onde incidente étant définie par ladite onde de polarisation décalée. Comme illustré à la figure 1d, on fait alors subir une rotation de polarisation d'un angle &alpha; # 90 à l'onde à analyser pour obtenir une onde dite de polarisation décalée permutée et on mesure ledit signal représentatif de l'intensité lumineuse P'3, P'4 pour chacun desdits faisceaux diffractés, ladite onde incidente étant définie par ladite onde de polarisation décalée permutée. On peut ainsi déterminer avec les signaux relevés une seconde composante de la polarisation de l'onde lumineuse à analyser. Par exemple, l'angle &alpha; étant d'environ 450, ladite seconde composante et cos ( () = (X+ 1) (1-Y)/2 T (1 +Y) avec Y = 13/14 P P'4/P'3 P4 Cela étant, le cosinus du déphasage Ce résultat donne alors immédiatement le signe du déphasage $. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, on pourra encore diriger ledit faisceau transmis vers un second milieu, non représenté, cristallin biréfringent de structure identique au premier et monté en opposition par rapport à celui-ci pour obtenir en sortie du second milieu un faisceau présentant une polarisation identique à celle de l'onde incidente. On peut ainsi effectuer des analyses de polarisation en ligne . L'invention concerne également un dispositif d'analyse d'une onde lumineuse comprenant des moyens 5 pour séparer, pour une longueur d'onde donnée unique, ladite onde lumineuse, dite incidente, en au moins deux faisceaux, dits diffractés, d'orientations distinctes correspondant respectivement à au moins une fraction de deux composantes lumineuses de polarisation orthogonale de ladite onde incidente. Ledit dispositif comprend également des moyens 6a, 6b pour effectuer une mesure d'au moins un signal représentatif d'une ou plusieurs caractéristiques d'au moins l'un desdits faisceaux diffractés. Ledit dispositif est destiné, notamment, à la mise en oeuvre du procédé décrit plus haut. Lesdits moyens 5 pour séparer l'onde incidente en au moins deux faisceaux diffractés sont constitués, par exemple, par un premier milieu cristallin biréfringent, notamment un cristal, et par des moyens 7 pour faire propager dans ledit milieu une onde acoustique, par exemple ultrasonore, de façon à définir un séparateur par interaction acousto-optique. Lesdits moyens 7 pour faire propager dans ledit milieu une onde acoustique sont constitués, par exemple, d'un générateur de fréquence 8 associé à au moins un transducteur piezo électrique 9 agissant sur ledit premier milieu 3. Comme déjà évoqué, plusieurs configurations sont possibles pour le séparateur : - séparateur acousto-optique comportant deux transducteurs, chacun générant une onde acoustique de fréquence fi ou f2 et d'inclinaison ai et a2 pour chacune des deux polarisations, - séparateur acousto-optique comportant un seul transducteur (a1 = a2) alimenté par deux fréquences f1 et f2, - séparateur acousto-optique comportant un seul transducteur alimenté par une fréquence identique pour les deux polarisations (ai = a2) et fl= f2. Lesdits moyens 6a, 6b pour effectuer une mesure d'une ou plusieurs caractéristiques d'au moins l'un desdits faisceaux diffractés sont constitués pour chaque dit faisceau diffracté, par exemple, d'un photodétecteur synchrone 10a, 10b. Ces appareils sont aptes à fournir des signaux électriques à partir desquels l'exploitation des mesures peut être réalisée, ceci par détection synchrone selon les techniques connues de l'homme de l'art en instrumentation pour la détection de signal bruité. La détection synchrone améliore le rapport signal à bruit. Associé à la sélectivité spectrale obtenue grâce audit premier milieu 3, elle assure également un taux de réjection important des lumières parasites. Le dispositif conforme à l'invention pourra en outre comprendre des moyens 11,12 pour faire subir à l'onde lumineuse à analyser une ou plusieurs rotations de polarisation selon un ou plusieurs angles choisis, situés en amont desdits moyens 5 pour séparer l'onde incidente en au moins deux faisceaux diffractés, sur la trajectoire de ladite onde incidente. Lesdits moyens 11,12 pour faire subir à l'onde à analyser une rotation de polarisation sont constitués, par exemple, pour chaque angle choisi, d'une ou plusieurs lames de rotation de polarisation, positionnées en série sur la trajectoire de l'onde incidente. De manière à permettre la détermination d'une ou plusieurs composantes de la polarisation de la lumière de l'onde à analyser, le dispositif conforme à l'invention pourra également comprendre, notamment, des moyens de calcul permettant d'exploiter les résultats obtenus par lesdits moyens de mesure 6a, 6b. Un second milieu cristallin biréfringent, non représenté, pourra en outre être intégré au dispositif conforme à l'invention pour permettre des mesures en ligne . Il est de structure identique audit premier milieu 3 et monté en opposition par rapport à celui-ci de façon à pouvoir intercepter un faisceau transmis par ledit premier milieu 3 et obtenir en sortie dudit second milieu un faisceau lumineux de même polarisation que ladite onde incidente. A titre d'exemple non limitatif, le dispositif conforme à l'invention comprend un séparateur acousto-optique 5 muni d'un seul transducteur 9 alimenté par une fréquence unique fc. Quant audit premier milieu 3, il est constitué de paratellurite (TeO2), cristal uniaxe positif, douée de gyrotropie au voisinage de l'axe optique [001]. L'invention pourra être utilisée dans de nombreux domaines parmi lesquels notamment, l'ellipsométrie, la polarimétrie, l'instrumentation de mesure (fibres optiques à maintien de polarisation, imagerie stéréoscopique ou autres). Naturellement, d'autres modes de réalisation et/ou d'autres applications, à la portée de l'homme de l'art, auraient pu être envisagés sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé d'analyse d'une onde lumineuse dans lequel on sépare, pour une longueur d'onde donnée unique, ladite onde lumineuse, dite incidente, en au moins deux faisceaux, dits diffractés, d'orientations distinctes correspondant respectivement à au moins une fraction de deux composantes lumineuses de polarisation orthogonale de ladite onde incidente et on effectue une mesure d'au moins un signal représentatif d'une ou plusieurs caractéristiques d'au moins l'un desdits faisceaux diffractés. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on dirige ladite onde incidente vers un premier milieu cristallin biréfringent pour obtenir en sortie, en plus d'un faisceau transmis, lesdits faisceaux diffractés par interaction acousto-optique avec au moins une onde ultrasonore se propageant dans ledit milieu. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel on adapte la longueur d'onde de ladite onde ultrasonore en fonction de la longueur d'onde de l'onde incidente pour laquelle on souhaite mener l'analyse. 4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel on fait subir à l'onde lumineuse à analyser une ou plusieurs rotations de polarisation selon un ou plusieurs angles choisis et, pour chaque angle choisi, on effectue une mesure d'un signal représentatif, à un coefficient de proportionnalité près, de l'intensité lumineuse d'un faisceau lumineux, ceci pour chacun desdits faisceaux diffractés, ladite onde incidente étant définie par l'onde résultant de la rotation de polarisation associée à l'angle choisi, tout en gardant constant ledit coefficient de proportionnalité entre chaque mesure, de façon à pouvoir déterminer au moins en partie la polarisation de l'onde à analyser à partir des signaux relevés et d'une procédure de calcul spécifique, fonction des angles choisis. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel on effectue les étapes suivantes : - on mesure ledit signal représentatif de l'intensité lumineuse (Pi. P2) pour chacun desdits faisceaux diffractés, ladite onde incidente étant définie par l'onde lumineuse à analyser, - on fait subir une rotation de polarisation de sensiblement 90 à l'onde à analyser pour obtenir une onde, dite de polarisation permutée, - on mesure ledit signal représentatif de l'intensité lumineuse (P'i. P'2) pour chacun desdits faisceaux diffractés, ladite onde incidente étant définie par ladite onde de polarisation permutée, pour pouvoir déterminer avec les signaux relevés une première composante 11/12 valant X = de la polarisation de l'onde à analyser. V P2 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel on effectue également les étapes suivantes : - on fait subir une rotation de polarisation d'un angle a donné à l'onde à analyser pour obtenir une onde, dite de polarisation décalée, - on mesure ledit signal représentatif de l'intensité lumineuse pg, p4, pour chacun desdits faisceaux diffractés, ladite onde incidente étant définie par ladite onde de polarisation décalée, - on fait subir une rotation de polarisation d'un angle a +/-90 à l'onde à analyser pour obtenir une onde dite de polarisation décalée permutée, - on mesure ledit signal représentatif de l'intensité lumineuse p'3, p'4 pour chacun desdits faisceaux diffractés, ladite onde incidente étant définie par ladite onde de polarisation décalée permutée, pour pouvoir déterminer avec les signaux relevés une seconde composante de la polarisation de l'onde lumineuse à analyser. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'angle a est d'environ 45 0 et ladite seconde composante est cos 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel on fait subir à l'onde à analyser une rotation de polarisation d'un angle 6 donné pour obtenir une onde dite de polarisation modifiée et on répète avec ladite onde de polarisation modifiée les étapes effectuées avec ladite onde à analyser pour pouvoir déterminer avec les signaux relevés la valeur de cos ( + â) 9. Procédé selon la revendication 2, dans lequel on dirige ledit faisceau transmis vers un second milieu cristallin biréfringent de structure identique au premier et monté en opposition par rapport à celui-ci pour obtenir en sortie du second milieu un faisceau présentant une polarisation identique à celle de l'onde incidente. 10. Dispositif d'analyse d'une onde lumineuse comprenant des moyens (5) pour séparer, pour une longueur d'onde donnée unique, ladite onde lumineuse, dite incidente, en au moins deux faisceaux, dits diffractés, d'orientations distinctes correspondant respectivement à au moins une fraction de deux composantes lumineuses de polarisation orthogonale de ladite onde incidente, et des moyens (6a, 6b) pour effectuer une mesure d'au moins un signal représentatif d'une ou plusieurs caractéristiques d'au moins l'un desdits faisceaux diffractés. 11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel lesdits moyens (5) pour séparer l'onde incidente en au moins deux faisceaux diffractés sont constitués par un premier milieu cristallin biréfringent (3) et par des moyens (7) pour faire propager dans ledit milieu (3) une onde acoustique de façon à définir un séparateur par interaction acousto-optique. 12. Dispositif selon la revendication 11, dans lequel lesdits moyens (7) pour faire propager dans ledit milieu (3) une onde acoustique sont constitués d'un générateur de fréquence associés à au moins un transducteur piézo-électrique (9) agissant sur ledit premier milieu (3). 13. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel lesdits moyens (6a, 6b) pour effectuer une mesure d'une ou plusieurs caractéristiques d'au moins l'un desdits faisceaux diffractés sont constituées, pour chaque dit faisceau diffracté, d'un photo-détecteur synchrone (10a, 10b). 14. Dispositif selon la revendication 10, comprenant en outre des moyens (11,12) pour faire subir à l'onde lumineuse à analyser une ou plusieurs rotations de polarisation selon un ou plusieurs angles choisis, situés en amont desdits moyens (7) pour séparer ladite onde incidence en deux faisceaux diffractés, sur la trajectoire de ladite onde incidente. 15. Dispositif selon la revendication 14, dans lequel lesdits moyens (11,12) pour faire subir à l'onde lumineuse à analyser une rotation de polarisation sont constitués, pour chaque angle choisi, d'une ou plusieurs lames de rotation de polarisation, positionnées en série sur la trajectoire de l'onde incidente. 16. Dispositif selon la revendication 1, comprenant un second milieu cristallin biréfringent de structure identique au premier et monté en opposition par rapport à celui-ci de manière à pouvoir intercepter un faisceau transmis par ledit premier milieu et obtenir en sortie dudit second milieu un faisceau lumineux de même polarisation que ladite onde incidente.