Brevet FR2862768A1 — publié le 20050527

perpendiculairement l'un à l'autre en sortie du système séparateur. Sur la figure 1, on a représenté un faisceau 1 d'une lumière incidente matérialisé par une flèche se situant dans un espace objet. La lumière est incidente sur une surface. 50 d'un système séparateur angulaire 2. En sortie du système séparateur angulaire 2 le faisceau 1 est divisé en deux faisceaux 3, 4 de polarisations perpendiculaires l'une à l'autre. Un premier faisceau matérialisé par une flèche 3 est polarisée parallèlement au plan d'incidence 50. La direction de polarisation du faisceau 3 est matérialisée par une flèche 5. Le deuxième faisceau matérialisé par une flèche 4 est polarisé perpendiculairement au plan de la figure. Cette polarisation perpendiculaire au plan est matérialisée par un petit cercle 6. Les faisceaux 3 et 4 sont séparés l'un de l'autre en ce sens qu'ils ont des directions différentes l'une de l'autre. Ils sont séparés angulairement et ils se situent dans un espace image. Un premier exemple de dispositif 2 connu réalisant une séparation angulaire telle que représentée figure 1, est représenté figure 3. Il s'agit d'un système de Rochon. Le système 2 est constitué par deux prismes 9, 10 accolés l'un à l'autre. L'un des prismes 9 à son axe optique 11 perpendiculaire au plan d'incidence 50 du faisceau incident 1. L'autre prisme 10 a son axe optique 12 parallèle à la direction des arêtes du prisme. Avec le système de Rochon, les faisceaux sortants 3 et 4 ayant B 14359.3 GB des polarisations perpendiculaires l'une à l'autre, sont séparés angulairement comme représenté figure 1. Un autre système 51 de séparation angulaire d'un faisceau d'entré 1 en deux faisceaux de sortie 17, 18 ayant des polarisations perpendiculaires l'une à l'autre est représenté figure 4. Il s'agit d'un système dit de Wollaston. Ce système 51 est constitué de deux prismes 13, 14, par exemple en quartz dont les axes optiques 15, 16 sont perpendiculaires l'un à l'autre. L'axe optique 15 du premier prisme 13 est perpendiculaire à la direction des arêtes. L'axe optique 16 du second prisme 14 est parallèle à la direction des arêtes des deux prismes. Les faisceaux de sortie 17 et 18 ont des polarisations 5 et 6 perpendiculaires entre elles. La figure 2 représente de la même façon un faisceau 1 de lumière représenté par une flèche, incident sur une surface 50 d'un système séparateur spatial 7. En sortie du système séparateur spatial 7, le faisceau 1 est divisé en deux faisceaux 3, 8 polarisés perpendiculairement l'un à l'autre. Un premier faisceau 3 est polarisé parallèlement au plan d'incidence 50 du système séparateur 7. Cette polarisation est matérialisée par une flèche 5 sur la figure. Un deuxième faisceau 8 est parallèle au premier mais situé à distance de celui-ci. Il est polarisé perpendiculairement au plan de la figure et cette polarisation est marquée par un petit cercle 6. Lorsque la séparation est à la fois angulaire et spatiale les deux faisceaux de sortie sont séparés l'un de l'autre par le fait que l'un a une première direction angulaire et l'autre une seconde en sorte que B 14359.3 GB les deux faisceaux sont physiquement distincts l'un de l'autre, mais de plus dès la sortie du séparateur les deux faisceaux sont séparés l'un de l'autre par une certaine distance. La figure 5 représente un système 52 propre à réaliser le séparateur spatial 7 représenté figure 2. Il s'agit d'une lame de calcite 19 à faces planes et parallèles. La lame 19 est taillée pour que son axe optique 20 ne soit ni parallèle ni perpendiculaire à une face d'entrée 50 du dispositif. Une telle lame 19 sépare la lumière incidente 1 en deux faisceaux parallèles 3, 8 de polarisation 5, 6 respectivement orthogonale l'une à l'autre. Les deux faisceaux sont colinéaires et la distance entre les faisceaux est proportionnelle à l'épaisseur e de la lame de calcite 19. De nombreux systèmes de séparation de polarisations sont connus et vendus sur le marché. Ainsi, par exemple, la société Spindler & Hoyer qui exerce dans le domaine des dispositifs optiques propose dans son catalogue des séparateurs de polarisations basés sur les système de Rochon, de Sénarmont ou encore de Wollaston. Les séparateurs de polarisations connus font appel à des composants constitués de matériaux dits uniaxe comme par exemple le quartz (SiO2) ou la calcite (CaCO3) ou encore le niobate de lithium (LiNbO3). Les systèmes séparateurs disponibles présentent les limitations suivantes pour les systèmes à matériaux biréfringents: - dimensions limitées à 25 mm de diamètre au maximum, B 14359.3 GB - transmettent dans une plage de longueurs d'onde limitée à la plage 300- 2700 nm, - impossibilité d'avoir de faibles déviations angulaires pour les systèmes de type Rochon ou Wollaston, - tenue au flux faible qui restreint l'utilisation sur laser de puissance, Pour les systèmes diffractifs: - angle important et difficilement réglable pour des taux de polarisation raisonnables. Il est rappelé que le taux de polarisation d'un faisceau est le rapport entre l'énergie lumineuse dans l'une des polarisations à l'énergie lumineuse dans l'autre. EXPOSÉ DE L'INVENTION Un objet de la présente invention est de réaliser un séparateur de polarisation qui ne présente aucune des limitations cidessus évoquées et notamment dont le diamètre du faisceau lumineux d'entrée puisse être supérieur à 25 mm, par exemple 40cm si nécessaire, qui soit utilisable pour une plage de longueur d'onde quasi quelconque, qui permette de choisir de façon arbitraire l'amplitude de la séparation angulaire ou spatiale des deux faisceaux, et ceci avec des taux de polarisation raisonnables. Enfin, l'invention permet l'utilisation avec des lasers d'une puissance supérieure à celle autorisée par les systèmes séparateurs connus. A toutes ces fins, 1' invention est relative à un séparateur de polarisation caractérisé en ce qu'il comporte un premier séparateur diffractif à réseau B 14359.3 GB polarisant comportant un matériau support et une structure diffractive polarisante, un second séparateur diffractif à réseau polarisant comportant un matériau support et une structure diffractive polarisante disposé à distance du premier. Dans un mode de réalisation, l'un au moins des premier ou second séparateurs diffractifs à réseau polarisant comporte une structure périodique ou quasi périodique d'amplitude (variation d'épaisseur) ou de volume (variation d'indice). La structure est dite périodique ou quasi périodique d'amplitude lorsque c'est son épaisseur qui varie de façon périodique ou quasi périodique. Elle est dite périodique ou quasi périodique de volume lorsque c'est l'indice optique qui à l'intérieur du volume de matière varie de façon périodique ou quasi périodique. Dans un mode de réalisation les périodes des premier et second séparateurs sont identiques conduisant à un séparateur spatial. Il s'agit d'un séparateur à la sortie duquel les deux faisceaux à polarisations orthogonales l'une à l'autre sont deux faisceaux parallèles. Dans un mode de réalisation les périodes des premier et second séparateurs sont différentes, conduisant à un séparateur angulaire. Il s'agit d'un séparateur à la sortie duquel les deux faisceaux à polarisations orthogonales l'une à l'autre sont deux faisceaux ayant une séparation principalement angulaire et aussi légèrement spatiale. Dans un mode de réalisation le matériau constituant du séparateur diffractif est transparent et B 14359.3 GB la structure périodique est adaptée au fonctionnement en transmission. Dans un mode de réalisation, la structure périodique est une structure d'amplitude. La structure comporte un ensemble de traits formés par une succession de gorges et de reliefs formés en surface du support. les reliefs ont une section transversale de forme trapézoïdale. La base du trapèze, située du côté du support est, de préférence plus large que le sommet du trapèze. De préférence l'angle R des côtés latéraux du trapèze avec la surface du support est compris entre 85 et 90 . Dans un mode de réalisation des séparateurs diffractifs fonctionnent en réflexion. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Des exemples de réalisation de l'invention seront maintenant décrits en liaison avec les dessins annexés dans lesquels des numéros de référence identiques désignent des éléments ayant même fonction. Dans ces dessins: - la figure 1 représente schématiquement un système séparateur dans lequel les deux faisceaux polarisés sont séparément angulairement; - la figure 2 représente schématiquement un système séparateur dans lequel les deux faisceaux polarisés en sortie du séparateur sont séparés spatialement; - la figure 3 est un schéma d'un exemple connu de séparateur angulaire destiné à diviser un faisceau incident en deux faisceaux de polarité perpendiculaire l'une à l'autre séparés angulairement B 14359.3 GB - la figure 4 est un schéma d'un autre exemple connu de séparateur angulaire destiné à diviser un faisceau incident en deux faisceaux de polarité perpendiculaire l'une à l'autre séparés angulairement; - la figure 5 est un schéma d'un exemple connu de séparateur spatial destiné à séparer un faisceau incident en deux faisceaux séparés spatialement de polarité perpendiculaire l'une à l'autre; Les figures 1 à 5 sont destinées à expliquer certaines expressions ou à montrer des exemples connus de séparateurs angulaires ou spatiaux; - la figure 6 est un schéma destiné à expliquer le fonctionnement d'un réseau de diffraction, en particulier d'un réseau polarisant; - la figure 7 représente un exemple de réalisation des traits d'un réseaux polarisant à modulation d'amplitude; - les figures 8, 9 et 10A, 10B sont des schémas destinés à illustrer les modes de séparation que l'on peut obtenir à l'aide de réseaux du type de celui illustré sur la figure 6; fonctionnant en transmission (figures 8, 9) et en réflexion (figures 10A et 10B) ; - les figures 11 à 13 représentent différents modes de séparation de faisceaux polarisés perpendiculairement l'un à l'autre que l'on peut obtenir avec l'invention; - les figures 14 et 15 représentent des exemples de réalisation avec des nombres de traits par millimètre en nombre égal dans les deux réseaux polarisants figure 14 et avec des traits en nombres inégaux figure 15; B 14359.3 GB - la figure 16 représente une application de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 6 est destinée à expliquer le fonctionnement d'un réseau polarisant. Un réseau est un composant optique constitué d'une structure périodique ou quasi périodique régulière. De préférence, la période est proche de celle de la longueur d'onde à laquelle il est utilisé. On porte ainsi le nombre d'ordre de faisceaux diffractés existants à deux (ordre 0 et ordre 1). Si le réseau est calculé et fabriqué pour transmettre la lumière, il s'agit d'un réseau de transmission. Si le réseau est calculé et fabriqué pour réfléchir la lumière, il s'agit d'un réseau de réflexion. La structure périodique peut être une structure d'amplitude, par exemple un réseau gravé dans la silice ou d'indice, par exemple un réseau holographique de volume. La structure périodique est caractérisée par son pas et sa profondeur de modulation. Un tel réseau peut, s'il est convenablement paramétré devenir un réseau polarisant et donc un séparateur de polarisation. Sur la figure 6, on a représenté un tel réseau, par exemple, gravé en coupe transversale. La structure est composée par un ensemble de traits sous forme de lamelles 71, séparées par des gorges 72. Sur la figure 6 les gorges 72 et lamelles 71 ont un profil rectangulaire. La période du réseau matérialisé par une flèche est p. La distance p est la somme de la largeur b d'une lamelle 71 et de la largeur a d'une gorge 72. La profondeur de gravure, c'est-à- B 14359.3 GB dire d'une gorge 72 est h. De préférence, l'incidence de travail matérialisée par une flèche 22 respecte la condition de Bragg afin de maximiser l'efficacité de diffraction dans l'ordre transmis -1T utilisé. Le réseau se comporte comme schématisé sur la figure 6. Le faisceau incident 22 est séparé en deux ordres transmis moins -1T 23 et OT 24, et en deux ordres réfléchis - 1R 25 et OR 26. Les réseaux transmis et réfléchis sont matérialisés sur la figure par des flèches. Les inventeurs ont effectué des essais en simulation, pour rendre les réseaux diffractifs en eux-mêmes connus polarisant avec une bonne efficacité de polarisation. La méthode consiste à fixer un nombre de traits par mm au réseau, à fixer une incidence, puis à balayer les modulations h du profil et les rapports de forme a/p dans une fourchette raisonnable, par exemple entre 1 et 6 pm pour h et entre 0,1 et 0,9 pour les rapports de forme a/ p. L'opération est réitéré pour plusieurs incidences. Pour chacune des combinaisons de paramètres les taux de polarisation dans les différents ordres sont calculés. Les calculs ont permis de montrer que pour un réseau à 1000 traits par mm, gravé dans la silice d'indice n = 1.4496801, - avec des lamelles de réseaux trapézoïdales ayant un angle à la base R des parois du trapèze compris entre 85 et 90 , - une incidence de travail de 31 - une hauteur h de modulation de 3,2 pm - un rapport h/p de 3,2 - un rapport de forme a/p mesuré à mi hauteur de la hauteur des parois trapézoïdales de 0,65 B 14359.3 GB - et pour une longueur d'onde de travail de 1,053 pm on obtient, - dans l'ordre -1T, un taux de polarisation TM 5 de 97% et TE de 1% - dans l'ordre OT un taux de polarisation TM de 0% et un taux de polarisation TE de 97%. Les taux dans les ordres réfléchis sont négligeables compris entre 0 et 2%. La figure 7 est destinée à préciser ce qu'est un profil lamellaire trapèze. Dans un tel profil, une section transversale des lamelles 71 présente un profil trapézoïdal. L'angle (3 entre le côté du trapèze et le plan du support sur lequel la lamelle est gravée est de préférence compris entre 85 et 90 . Dans le cas d'un profil lamellaire trapézoïdal, les distances p, b et a sont mesurées à mi-hauteur du trapèze comme représenté sur la figure 7. Les inventeurs ont aussi vérifié que pour un réseau, par exemple, gravé dans la silice comportant mille traits par mm, de forme lamellaire, il existe un couple technologiquement accessible, profondeur de modulation h et taux de remplissage DC = (p - a)/ p qui rend la structure polarisante. Un réseau ainsi paramétré permet alors de séparer les polarisations de chacun des ordres transmis diffractés par le réseau comme illustré sur les figures 8, 9 et 10A, 10B. Sur ces figures, des lames 27, 28, 29 29' respectivement portant un réseau tel que celui représenté figure 6 ou 7, reçoivent en incidence de Bragg un faisceau incident 1. Selon, la manière de réaliser le réseau on peut obtenir, comme représenté B 14359.3 GB figure 8, un partage du faisceau incident en deux faisceaux de polarisation perpendiculaire l'une à l'autre. Un premier faisceau de sortie 30 est polarisé perpendiculairement au plan de la figure selon une direction représentée par un petit cercle 6. Un second faisceau de sortie 31 est polarisé parallèlement au plan d'incidence comme matérialisé par une flèche 5. Comme représenté sur la figure 9, les deux faisceaux de sortie peuvent être aussi un premier faisceau 32 polarisé parallèlement au plan d'incidence comme matérialisé par une flèche 5. Ce premier faisceau 32 se situe dans le prolongement du faisceau incident 1. Un second faisceau de sortie 33 a lui, une polarisation perpendiculaire au plan de la figure comme matérialisé par le cercle 6. Dans les cas des figures 8 et 9, les deux faisceaux de sortie, séparés en polarisation, sont séparés angulairement. Les séparateurs 27, 28 fonctionnent en transmission. Dans le cas de la figure 10A, le réseau porté par la lame 29 travaille en réflexion. Des faisceaux de sortie réfléchis 34 et 35 sont l'un 35 parallèle et de sens contraire au faisceau incident 1 et polarisé perpendiculairement au plan de la figure comme représenté par un cercle 6. Le second faisceau 34 est lui polarisé parallèlement au plan d'incidence. Sa polarisation est matérialisée par une flèche 5. Dans le cas de la figure 10B, le réseau porté par la lame 29' travaille en réflexion. Des faisceaux de sortie réfléchis 34', 35' sont l'un 34' parallèle et de sens contraire au faisceau incident 1 et polarisé parallèlement au plan d'incidence comme représenté par une flèche 5. Le second faisceau 35' est polarisé& B 14359.3 GB perpendiculairement au plan de la figure comme matérialisé par un cercle 6. Le principe général de l'invention sera maintenant décrit en liaison avec les figures 11 à 13. Chacune de ces figures représente un ensemble de deux réseaux polarisants placés optiquement en série l'un avec l'autre. Les réseaux travaillent en transmission et sont semblables à l'un des réseaux représentés par exemple, figure 8 ou figure 9. Sur la figure 11, les réseaux polarisants en série 36 et 37 sont choisis de façon que les faisceaux de sortie séparés en polarisation soient parallèles entre eux. Sur la figure 12, les réseaux 38 et 39 sont choisis de façon que les faisceaux soient séparés angulairement l'un par rapport à l'autre. Enfin, sur la figure 13, les réseaux polarisants en série 40 et 41 sont choisis pour que les faisceaux de sortie soient à la fois séparés angulairement et spatialement. Deux exemples concrets de réalisation seront maintenant commentés en liaison avec les figures 14 et 15. Le séparateur selon le premier exemple de réalisation représenté figure 14 comporte deux réseaux travaillant en transmission 36 et 37. Ces réseaux sont séparés entre eux d'une distance e. La distance e est mesurée parallèlement à la direction d'incidence de travail d'un faisceau incident 1. Il a été vu plus haut que cet angle d'incidence est, de préférence, l'angle de Bragg. Les deux réseaux 36 et 37 sont portés par une structure mécanique en elle-même accessible à l'homme du métier et non représentée. De préférence, cette structure est telle qu'elle permet une variation de la distance e. Les B 14359.3 GB réseaux 36 et 37 sont formés sur des lames transparentes, par exemple en verre ou en silice, et sont parallèles entre eux. Le premier réseau 36 est analogue par exemple au réseau 28 représenté figure 9. Après traversée de ce premier réseau, la lumière incidente 1 est séparée en deux faisceaux 3, 4. Le faisceau 3 est polarisé parallèlement au plan d'incidence comme représenté par une flèche 5 et le réseau 4 est polarisé perpendiculairement au plan de la figure comme représenté par un cercle 6. Le deuxième réseau 37 reçoit les faisceaux 3 et 4 en des points différents et est tel qu'en sortie les deux rayons 3' et 8' sont parallèles entre eux et à une distance d l'un de l'autre. Le rayon 3' est polarisé parallèlement au plan d'incidence du rayon incident 1 et le rayon 8' est polarisé perpendiculairement au plan de la figure comme matérialisé par un cercle 6. Les réseaux des lames 36 et 37 sont des réseaux ayant un nombre de traits N par mm. Les deux réseaux des lames 36 et 37 sont identiques entre eux. Si y est l'angle de séparation des faisceaux 3 et 4 en sortie de la lame 36, alors la distance d est égale à e.tang (y). d = e.tang (y) Ainsi, en faisant varier la distance e séparant les deux lames on réussit à régler la distance d séparant les deux faisceaux 3' et 8' en sortie du dispositif séparateur. Sur la figure 15, on a représenté un séparateur de polarisation à deux lames parallèles comme dans le cas précédent. Ce séparateur sépare les faisceaux à la fois angulairement et spatialement comme dans le cas B 14359.3 GB représenté figure 13. Une première lame portant un réseau à N traits par mm reçoit un faisceau 1 sous l'incidence a. En sortie de ce premier réseau le faisceau est séparé en deux faisceaux 3 et 4, l'un ayant une polarisation représentée par une flèche 5 parallèle au plan d'incidence et l'autre 4 ayant une polarisation perpendiculaire au plan de la figure représentée par un cercle 6. La deuxième lame 41 porte un réseau ayant un nombre de traits par mm (N-M) différent du nombre de traits par mm du premier réseau 40, M est un entier positif ou négatif. Les faisceaux sont reçus par cette seconde lame 41 à des distances l'une de l'autre qui dépendent de la distance entre les lames 40 et 41. En sortie, le faisceau incident 3 est transformé par la seconde lame 41 en un faisceau 3' de même polarisation et de même direction que le faisceau incident 1 sur le premier polariseur 40 et que le faisceau incident 3 sur le second polariseur 41. Le faisceau de sortie 4' correspondant au faisceau intermédiaire incident 4, fait un angle 0 avec la direction du faisceau incident 1. Sa polarisation 6 est la même que celle du faisceau incident 4 sur la lame 41. L'angle 0 est réglable en fonction de la formule 0 = a - arc sin (sin (a) -M 20. Dans cette formule, comme déjà indiqué plus haut, a est l'angle d'incidence de la lumière incidente sur la première lame, M la différence entre le nombre de traits par mm de la première lame et celui de la seconde lame. X. est la longueur d'onde de la lumière incidente. B 14359.3 GB Le séparateur de polarisation à réseau est un élément optique qui travaille en transmission ou en réflexion. En transmission, il y a peu de verre traversé. Une épaisseur de 15 mm est suffisante pour une dimension de 40 x 40 cm2. C'est un composant diffractif qui peut être de grande dimension capable de tenir à de très hauts flux. L'acceptance angulaire est de 1 et l'acceptance spectrale est de 30 nanomètres pour un réseau d'environ mille traits par mm à 1053 nanomètres de longueur d'onde. Une utilisation d'un réseau selon l'invention pour effectuer un lissage sera maintenant décrite en liaison avec la figure 16. Il s'agit du lissage d'une tache de focalisation d'un faisceau laser 1. Par lissage on entend la séparation d'une distance égale à la dimension d'une tavelure, soit environ 10 pm, des taches focales 83, 84 fournies par les deux polarisations. Un tel lissage est destiné à obtenir une tache d'éclairement sensiblement uniforme sur une surface. Pour obtenir ce lissage on forme deux faisceaux 85, 82 à partir du faisceau 1 à lisser. Les deux faisceaux séparés 85, 82 forment alors deux taches de focalisation 83, 84 respectivement. Ces deux taches n'interfèrent pas car elles sont polarisées perpendiculairement, l'une par rapport à l'autre. Un tel lissage est effectué habituellement à l'aide d'un cristal de KDP, (di hydrogénure de phosphate de potassium) naturellement biréfringent pour séparer angulairement les deux polarisations avant focalisation. Ce cristal qui a une tenue au flux mal maîtrisée est avantageusement remplacé par un dispositif 80 selon l'invention. Du fait que la B 14359.3 GB séparation angulaire ou spatiale des deux faisceaux en sortie du séparateur peut être réglée à volonté, le lissage peut être effectué sans problème. B 14359.3 GB REVENDICATIONS 1. Séparateur de polarisation caractérisé en ce qu'il comporte un premier séparateur (36, 40) diffractif à réseau polarisant comportant un matériau support et une structure diffractive polarisante, un second séparateur diffractif (37, 41) à réseau polarisant comportant un matériau support et une structure diffractive polarisante disposée à distance de celui-ci. 2. Séparateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un au moins des premier (36, 40) ou second (37, 41) séparateur comporte une structure périodique ou quasi périodique d'amplitude. 3. Séparateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un au moins des premier (36, 40) ou second (37, 41) séparateur comporte une structure périodique ou quasi périodique de volume. 4. Séparateur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les périodes des premier (36) et second (37) séparateurs sont identiques. 5. Séparateur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les périodes des premier (40) et second (41) séparateurs sont différentes l'une de l'autre. 6. Séparateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau constituant du séparateur diffractif est transparent et en ce que la structure périodique est adaptée au fonctionnement en transmission. B 14359.3 GB 7. Séparateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que des séparateurs diffractifs fonctionnent en réflexion. 8. Séparateur selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la structure périodique de volume comporte un ensemble de traits formées par une succession de gorges (72, 72') et de reliefs (71, 71') formés en surface du support, les reliefs ayant une section transversale de forme trapézoïdale. 9. Utilisation d'un séparateur selon l'une des revendications précédentes pour le lissage d'une tache de convergence. B 14359.3 GB