Brevet FR2906044A1 — publié le 20080321

Dispositif d'atténuation de raies spectrales dans un flux lumineux et système d'observation comportant ce dispositif La présente invention est relative à un dispositif d'atténuation de raies spectrales fines dans un flux lumineux et à un système d'observation 5 d'objets terrestres ou extraterrestres utilisant un tel dispositif. Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication de télescopes. La présente invention est notamment relative à la suppression, dans un flux lumineux émis par un objet lointain et/ou capté par un télescope 10 ou par un appareil d'observation de la Terre ou de l'espace, de raies fines émises par des composants de l'atmosphère terrestre traversée par le flux lumineux, dans la plage des longueurs d'onde correspondant au proche infrarouge (IR). L'astronomie au sol - sur Terre - aux longueurs d'onde de l'ordre de 15 700 nanomètres (nm) environ jusqu'à de l'ordre de 2200 nanomètres (nm) environ, présente des avantages ; elle permet notamment : i) d'observer des régions obscurcies par la poussière interstellaire ; ii) d'observer des objets lointains dont le spectre est décalé dans 1'IR proche ; 20 iii) de rechercher des exo planètes autour d'étoiles de type solaire ; iiii) d'obtenir des images corrigées par une optique adaptative qui sont de meilleure qualité que dans le domaine des longueurs d'onde inférieures (lumière visible). Les radicaux OH émettent dans ce domaine spectral des centaines de 25 raies d'émission - dites raies OH - qui contribuent fortement à l'émission du ciel nocturne, limitant les observations faites à partir du sol terrestre malgré les performances des télescopes modernes tels que le VLT. 2906044 2 Les raies OH présentent une largeur faible qui peut par exemple être voisine de 10 picomètres (pm) pour une longueur d'onde centrale de 1 micromètre (pm). Bien que l'on puisse observer des objets stellaires entre deux raies OH consécutives, on comprend l'intérêt qu'il y aurait à supprimer - ou du moins atténuer en grande partie - ce genre de raies, pour observer des objets présentant un spectre continu dans le proche IR. Plusieurs techniques ont été proposées ou envisagées en vue de supprimer les raies OH. Une technique consistant à disperser spatialement le spectre du flux lumineux et à masquer physiquement chaque raie par un écran mécanique de largeur adaptée à celle d'une raie, conduit à un système opto- mécanique très complexe qui ne peut en pratique être utilisé. Une autre technique est d'obtenir un filtre à élimination (i.e. réjection) de bandes (filtre à encoches(s) ou filtre de notch(s) ), les bandes correspondant aux raies à éliminer, en générant des réseaux de Bragg dans un milieu photosensible dont on module l'indice de réfraction avec un profil spatial permettant d'accorder le filtre sur les longueurs d'onde des raies à supprimer. On peut utiliser à cet effet des fibres monomode, mais leur faible étendue géométrique nécessite d'utiliser un grand nombre de fibres, ce qui aboutit également à un système complexe. Il est par ailleurs proposé par la société Photon etc (Canada) des filtres de suppression de raies OH utilisant des réseaux de Bragg volumiques ; ces filtres suppriment cependant un nombre limité de raies avec une efficacité qui n'est pas totale. Un objectif de l'invention est de proposer un dispositif d'atténuation de raies spectrales dans un flux lumineux et un système d'observation utilisant ce dispositif, qui soient améliorés et/ou qui remédient, en partie 2906044 3 au moins, aux lacunes ou inconvénients des dispositifs et systèmes d'observations connus. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un tel dispositif ou système qui comporte une lame transparente présentant deux faces 5 (sensiblement) parallèles contre chacune desquelles s'étend un empilement de couches minces de matériaux diélectriques d'indices de réfraction différents et agencées pour former un miroir (pour les longueurs d'onde situées dans le domaine du proche infrarouge) sur chacune des deux faces, les deux miroirs présentant des performances (sensiblement) identiques, la 10 lame et les miroirs formant un filtre Fabry-Perot dont le spectre de réflexion comporte des encoches (correspondant aux raies atténuées). Selon un mode de réalisation, chaque empilement de couches minces peut être essentiellement constitué de couches quart d'onde alternées, c'est-à-dire présentant alternativement un indice de réfraction élevé et un 15 indice de réfraction faible. Bien que la lame transparente puisse être formée par l'espace séparant les deux miroirs, cet espace pouvant être alors sous vide ou rempli d'un gaz, la lame est de préférence formée d'un matériau solide, et les couches minces formant miroir sont déposées sur les faces principales de 20 cette lame solide. Selon d'autres modes préférés de réalisation de l'invention : - la profondeur de chaque encoche dans le spectre de réflexion, i.e. l'atténuation, est au moins égale à 99% - en particulier au moins égale à 99,9% - de l'amplitude du spectre ; 25 - la largeur de chaque encoche du spectre de réflexion, mesurée à mi-hauteur - i.e. demi amplitude du spectre - est au plus égale à 100 picomètres, en particulier voisine de 10 picomètres environ à 50 picomètres environ ; 2906044 4 - le nombre moyen d'encoches dans une plage de longueur d'onde de 100 nanomètres de largeur est au moins égal à 5 environ, en particulier de l'ordre de 10 ou 20 encoches environ jusqu'à 100, 150 ou 200 encoches environ ; 5 - les encoches s'étendent dans une plage de longueur d'onde située entre 700 nm environ et 2200 nm environ, la largeur de la plage pouvant être au moins égale à 100 nm environ ; - l'épaisseur de la lame est située dans une plage allant de 0,02 millimètres environ à 2 millimètres environ ; 10 - la lame est réalisée dans un matériau choisi parmi le verre, la silice ou le silicium ; - les couches déposées sur les faces de la lame sont réalisées dans un matériau choisi parmi la silice (SiO2), le fluorure de magnésium (MgF2), le pentoxyde de tantale (Ta2O5), le dioxyde d'hafnium 15 (HfO2), le dioxyde de titane (TiO2) ou le pentoxyde de niobium (Nb2O5) ; - le dispositif d'atténuation et/ou système d'observation (télescope par exemple) comporte au moins deux tels filtres disposés en série : un premier filtre dont le spectre de réflexion comporte des 20 premières encoches pour certaines (premières) longueurs d'onde (centrales), et un second filtre dont le spectre de réflexion comporte des secondes encoches pour des (secondes) longueurs d'onde distinctes, en majorité au moins, des premières longueurs d'onde ; - le dispositif d'atténuation et/ou le système d'observation comporte 25 un filtre dichroïque agencé pour séparer un flux lumineux principal (incident) en deux flux lumineux secondaires, ainsi que deux tels filtres respectivement disposés sur les trajets des deux flux secondaires ; 2906044 5 - la lame et les miroirs sont solidaires d'au moins un support présentant une ouverture au travers de laquelle s'étendent la lame et les miroirs, en particulier solidaires d'un support de forme annulaire ; la lame et le miroir peuvent être solidarisés au(x) 5 support(s) par adhérence moléculaire ; - le défaut de parallélisme des deux faces (principales) de la lame est au plus égal à une seconde d'arc, en particulier de l'ordre de 0,2 seconde d'arc environ, ou moins. D'autres aspects, caractéristiques, et avantages de l'invention 10 apparaissent dans la description suivante, qui se réfère aux dessins annexés et qui illustre, sans aucun caractère limitatif, des modes préférés de réalisation de l'invention. La figure 1 est un graphe illustrant la répartition et l'amplitude des raies OH entre 1000 et 2000 nanomètres. 15 La figure 2 est une vue en coupe transversale par un plan contenant un flux lumineux incident et le flux réfléchi correspondant, d'un filtre constitué d'une lame et de deux miroirs parallèles à couches minces. La figure 3 illustre schématiquement un dispositif selon l'invention comportant quatre filtres fonctionnant en réflexion pour extraire d'un flux 20 incident une série de raies réparties sur une large plage de longueur d'onde du domaine infrarouge. La figure 4 est un graphe illustrant, comme la figure 1, une série de raies OH dans la plage 1500-1570 nm. La figure 5 est un graphe illustrant le pourcentage de lumière 25 transmise en réflexion par un filtre selon un premier mode de réalisation de l'invention, dans la même plage de longueur d'onde que la figure 4. 2906044 6 La figure 6 illustre l'amplitude des raies du spectre de la figure 4 qui ont été filtrées (atténuées) par le filtre dont le spectre de réflexion est illustré figure 5. La figure 7 illustre l'amplitude des raies du spectre de la figure 4 qui 5 substituent après atténuation par le filtre dont le spectre de transmission en réflexion est illustré figure 5. La figure 8 illustre, de la même façon que la figure 5, le spectre de transmission en réflexion d'un filtre selon un second mode de réalisation de l'invention. 10 La figure 9 illustre, de la même façon que la figure 6, l'atténuation des raies de la figure 4 par le filtre selon la figure 8. La figure 10 illustre comme la figure 2, en vue en coupe par un plan perpendiculaire aux faces principales d'une lame transparente, un filtre dont la lame est revêtue de deux miroirs et est solidarisée par sa périphérie 15 à un support constitué de deux bagues annulaires. Par référence aux figures 1 et 4, on constate que le spectre d'émission des radicaux OH contenus dans l'atmosphère comporte de très nombreuses raies fines 20, notamment dans la bande 1000-2000 nanomètres, dont le niveau (intensité lumineuse) varie d'une raie à une 20 autre raie. Par référence aux figures 2 et 10 notamment, un filtre 21 selon l'invention comporte une lame centrale 22 d'épaisseur 23 de l'ordre de 20 à 2000 micromètres, sur chacune des faces principales 24, 25 de laquelle est déposé un empilement 26, 27 de couches 28, 29 minces. 25 Dans un mode de réalisation de l'invention, la lame centrale 22 est en silice, les couches 28 (d'ordre de dépôt impair) étant d'indice de réfraction élevé, tandis que les couches 29 (d'ordre de dépôt pair) étant d'indice de réfraction faible, le nombre total de couches 28 et 29 étant impair ; chaque empilement illustré figure 2, comprend cinq couches 2906044 7 d'indice élevé en position 1, 3, 5, 7 et 9, et quatre couches d'indice de réfraction faible en position 2, 4, 6 et 8, le nombre total de couches étant de 9 ; on qualifie un tel empilement de miroir M9, de miroir HBHBHBHBH ou encore de miroir (HB)4H. 5 Un parallélisme rigoureux des faces 24 et 25, à 0,2 seconde d'arc près par exemple, peut être obtenu par le polissage d'un solide tel que de la silice se présentant sous forme de plaque ou wafer , ou par dépôt sous vide, sur l'une et/ou l'autre de ces faces d'une couche de matériau identique ou similaire à celui de la lame 22 (silice par exemple), et dont 10 l'épaisseur locale permet de corriger ses éventuels défauts de parallélisme. Cette dernière technique permet également d'obtenir une lame 22 dont l'épaisseur peut être maîtrisée avec une précision de l'ordre d'un ou plusieurs nanomètres. Des couches minces alternées 28, 29 de matériaux diélectriques sont 15 ensuite déposées, avec une précision géométrique de même ordre, sur chaque face de la lame pour former deux miroirs. Ces techniques sont notamment décrites dans les documents suivants : - "Tunable double-cavity solid-spaced bandpass filter", Opt. Express 20 12, 6289-6298 (2004); - "Double coherent solid-spaced filters for very narrow-bandpass filtering applications", Optics Communications, Vol. 222, Issue 1-6, 2003, pages 101-106; "Solid-spaced filters: an alternative for narrow-bandpass 25 applications", Applied Optics, Vol. 45 N 7, 2006, pages 1349-1355. Un dispositif d'atténuation de raies OH, qui peut être intégré à un télescope - ou autre système d'observation d'objets lointains - peut comporter plusieurs filtres 21 dont la structure est similaire et dont le fonctionnement est identique. 2906044 8 Par référence aux figures 2 et 3, chaque filtre 21 reçoit un flux incident 30 et renvoie un flux réfléchi 31 dans lequel des raies, dont les longueurs d'onde correspondent respectivement à celles d'encoches du filtre 21 considéré, ont été atténuées ou éliminées. 5 Le dispositif illustré figure 3 comporte quatre filtres dont l'orientation mutuelle provoque des réflexions successives du flux incident 30. Les quatre filtres présentent des spectres de transmission en réflexion complémentaires. 10 Cette complémentarité peut résulter notamment : - du fait que les encoches des filtres sont situées dans des plages respectives de longueurs d'onde qui se recouvrent partiellement - ou pas du tout - ; et/ou - du fait que les longueurs d'onde des encoches du premier filtre 15 diffèrent, pour certaines des encoches au moins, des longueurs d'onde des encoches du second filtre ; et qu'il en est de même pour les troisième et quatrième filtres. Un filtre dichroïque peut être utilisé pour séparer les amonts de deux tels filtres travaillant dans des plages de longueur d'onde disjointes, un 20 flux principal en deux flux secondaires qui sont respectivement dirigés vers les deux filtres. De tels dispositifs permettent d'atténuer ou éliminer plusieurs dizaines ou centaines de raies. Dans le mode de réalisation correspondant aux figures 4 à 7, trois 25 raies 20F (figure 6) faisant partie des raies 20 (figure 4) d'émission OH, et dont les longueurs d'onde respectives correspondent aux longueurs d'onde d'encoches 32 du spectre de transmission en réflexion (figure 5), sont en grande partie atténuées par le filtre présentant ce spectre, de sorte que 2906044 9 seules certaines raies 20 repérées 20R (figure 7) sont présentes en sortie du filtre. Par comparaison d'une part des spectres de transmission en réflexion des figures 5 et 8, et d'autre part des raies atténuées ou éliminées 20F des 5 figures correspondantes 6 et 9, on voit que le filtre dont le spectre illustré figure 8 comporte une centaine d'encoches dans la plage 15001570 nm, lequel filtre comporte une lame transparente d'épaisseur optique de l'ordre de 1700 nm, permet d'atténuer substantiellement une dizaine de raies. Les deux modes de réalisation correspondant respectivement aux 10 figures 5 et 8 sont donc des illustrations caractéristiques de deux situations extrêmes, la première (figure 5) correspondant à une épaisseur de lame faible (et donc à un faible nombre d'encoches, chacune de ces encoches assurant la suppression totale ou partielle d'une raie spécifique) et la seconde (figure 8) étant associée à une épaisseur de lame plus importante 15 (et donc à un grand nombre d'encoches, certaines de ces encoches assurant comme précédemment la suppression totale ou partielle d'une raie spécifique, mais certaines autres supprimant également des longueurs d'ondes ne correspondant à aucune raie particulière). En d'autres termes, dans la première réalisation, le filtre ne supprime 20 que des longueurs d'onde correspondant à des raies d'émission, même s'il ne les supprime pas toutes, alors que dans la seconde, le filtre supprime toutes les raies principales d'émission dans un domaine spectral donné, même s'il supprime également des longueurs d'onde ne correspondant à aucune raie d'émission. 25 L'optimisation du choix des matériaux constituant la lame et les couches minces, ainsi que de la structure de l'empilement (nombre, indice et épaisseur de couches minces) permet d'améliorer encore l'atténuation, en optimisant le nombre d'encoches de chaque filtre et la position (en longueur d'onde) de ces encoches. 2906044 10 En effet, les longueurs d'onde d'extinction de ces filtres sont définies par la relation suivante : 27L 2n(X)e + 2cp(X) = 2k7r où e désigne l'épaisseur de la lame, n(X,) son indice de réfraction, X la 5 longueur d'onde, k un entier appelé ordre d'interférences et (p (X) le déphasage à la réflexion sur les empilements de couches minces recouvrant les surfaces 24 et 25. En conséquence, l'optimisation des performances d'un filtre passe non seulement par celle de son épaisseur et de son indice (dont le produit 10 fixe globalement le pas des encoches), mais aussi par celle de ce déphasage (p (et donc de la structure de l'empilement), qui permet d'ajuster de manière fine la position de ces encoches sur les raies d'émission que l'on cherche à éteindre. Cette optimisation fine peut remédier aux désaccords résiduels entre position des encoches et position des raies d'émission, 15 notamment dans la configuration correspondant à la figure 5. Afin de faciliter la manipulation d'un filtre, il est utile de solidariser la lame 22 à un ou deux supports annulaires 40, 41, comme illustré figure 10. La solidarisation mutuelle de la lame 22 et du support 40 peut 20 s'effectuer par adhérence moléculaire au niveau de leurs surfaces 40a et 24 respectives ; la solidarisation de la lame 22 et du support 41 peut se faire par adhérence moléculaire au niveau de leurs faces respectives en regard 41a et 25. Cette solidarisation rend le filtre plus solide et est de préférence réalisée avant dépôt des couches minces 28, 29 sur les faces 24 et 25. 25 Un avantage important des filtres de notch utilisés conformément à l'invention, est leur très grande efficacité pour atténuer des raies spectrales multiples dans un flux lumineux, grâce à une largeur de raie (encoche) 2906044 11 inférieure à 100 picomètres, un facteur de suppression supérieur à 1000 et de très faibles pertes. Cette efficacité permet la mise en série de plusieurs filtres de caractéristiques spectrales différentes, de réaliser ainsi une suppression 5 complète de l'ensemble des raies de OH dans un domaine spectral donné, sans provoquer d'atténuation notable du flux lumineux utile en dehors des plages de longueur d'onde correspondant aux encoches. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'atténuation de raies (20) d'émission dans un flux (30) lumineux, caractérisé en ce qu'il comporte une lame (22) transparente présentant deux faces (24, 25) parallèles contre chacune desquelles s'étend un empilement (26, 27) de couches (28, 29) minces de matériaux diélectriques d'indices de réfraction différents qui sont agencées pour former un miroir sur chacune des deux faces, les deux miroirs présentant des performances identiques, la lame et les miroirs formant un filtre Fabry-Perot dont le spectre de réflexion comporte des encoches (32). 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la lame transparente est formée par l'espace séparant les deux miroirs, cet espace étant sous vide ou rempli d'un gaz. 3. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la lame est formée 15 d'un matériau solide, et les couches minces formant miroir sont déposées sur les faces principales (24, 25) de cette lame solide. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel la profondeur de chaque encoche dans le spectre de réflexion, est au moins égale à 99% - en particulier au moins égale à 99,9% - de l'amplitude 20 du spectre. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel la largeur de chaque encoche du spectre de réflexion, mesurée à mi-hauteur - i.e. demi amplitude du spectre - est au plus égale à 100 picomètres, en particulier voisine de 10 picomètres environ à 50 25 picomètres environ. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel le nombre moyen d'encoches dans une plage de longueur d'onde de 2906044 13 100 nanomètres de largeur est au moins égal à 5 environ, en particulier de l'ordre de 10 ou 20 encoches environ à 100, 150 ou 200 encoches environ. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel les encoches s'étendent dans une plage de longueur d'onde située 5 entre 700 nm environ et 2200 nm environ, la largeur de la plage pouvant être au moins égale à 100 nm environ. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel l'épaisseur de la lame est située dans une plage allant de 0,02 millimètres environ à 2 millimètres environ. 10 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 3 à 8 dans lequel la lame est réalisée dans un matériau choisi parmi le verre, la silice ou le silicium. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel les couches minces sont réalisées dans un matériau choisi parmi la silice (SiO2), le fluorure de magnésium (MgF2), le pentoxyde de tantale (Ta2O5), le dioxyde d'hafnium (HfO2), le dioxyde de titane (TiO2) ou le pentoxyde de niobium (Nb2O5). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 qui comporte au moins deux filtres Fabry-Perot disposés en série : un premier filtre dont le spectre de réflexion comporte des premières encoches pour certaines premières longueurs d'onde, et un second filtre dont le spectre de réflexion comporte des secondes encoches pour des secondes longueurs d'onde distinctes, en majorité au moins, des premières longueurs d'onde. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 qui comporte un filtre dichroïque agencé pour séparer un flux lumineux principal incident en deux flux lumineux secondaires, ainsi que deux filtres Fabry-Perot respectivement disposés sur les trajets des deux flux secondaires. 2906044 14 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 dans lequel la lame et les miroirs sont solidaires d'au moins un support (40, 41) présentant une ouverture au travers de laquelle s'étendent la lame et les miroirs, en particulier solidaires d'un support de forme annulaire. 5 14. Dispositif selon la revendication 13 dans lequel la lame est solidarisée au(x) support(s) par adhérence moléculaire. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 dans lequel le défaut de parallélisme des deux faces (principales) de la lame est au plus égal à une seconde d'arc, en particulier de l'ordre de 0,2 seconde 10 d'arc environ, ou moins. 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 15 dans lequel chaque empilement de couches minces est essentiellement constitué de couches quart d'onde alternées. 17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, dans 15 lequel l'épaisseur e de la lame, son indice de réfraction n(7) et la structure de l'empilement de couches minces sont conjointement optimisés de manière à ce que les longueurs d'onde définies par la relation 2n 2n(X)e + 2cp(7~) = 2kn où k désigne un entier appelé ordre d'interférences et cp le déphasage à la 20 réflexion sur les empilements de couches minces, correspondent exactement, au moins pour certaines d'entre elles, à celles des longueurs d'onde de raies d'émission que l'on cherche à supprimer. 18. Système d'observation d'objets lointains et/ou extraterrestres, qui comporte un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 25 17. 19. Système selon la revendication 18 dans lequel les raies d'émission sont des raies OH.