Brevet FR2934058A1 — publié le 20100122

DISPOSITIF DE PROJECTION INTERFÉROMÉTRIQUE A TROIS OUVERTURES POUR PRODUIRE UNE TACHE CONSTITUEE DE STRUCTURES FINES [001] La présente invention concerne un dispositif de projection interférométrique à trois ouvertures, pour produire une tache constituée de structures fines. Elle permet de créer une image de référence à structures fines de géométrie connue et invariante par translation. DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [002] La présente invention se rapporte au domaine de l'optique adaptative et de ses applications. La présente invention se rapporte aussi au domaine de la localisation précise d'une cible. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [3] Une des applications de l'invention concerne la mesure de la pente de la surface d'onde pour l'optique adaptative. L'asservissement d'une optique adaptative nécessite une source de référence de la phase de la surface d'onde à corriger. [4] Par exemple, en astronomie, l'état de la technique comporte une solution consistant à utiliser une étoile brillante naturelle dans le domaine d'isoplanétisme de l'objet à observer. Ceci limite de façon significative la couverture du ciel. [5] Créer une "étoile laser monochromatique" afin de fournir la référence de la surface d'onde pour mesurer les ordres plus élevés de la surface d'onde ne permet pas per se de mesurer la pente. [6] L'effet de la pente, également nommé le � tilt �, est de déplacer l'image sur la caméra d'observation. L'avantage procuré par l'optique adaptative est alors perdu pour les poses plus longues que le temps de cohérence de la pente de la surface d'onde, soit typiquement quelques centièmes de seconde aux longueurs d'onde du visible. [7] Une autre solution connue pour fournir une couverture complète du ciel consiste à créer une "étoile laser polychromatique". Cette solution est décrite dans le document de Foy et al, Astron. Astrophys. Suppl. Ser. 111, p. 569-578, 1995, ainsi que dans le document de M. Schôk et al, Mon. Not. R. Astron. Soc. 337, p. 910-920, 2002. Un tir laser à deux longueurs d'onde synchronisées permet d'exciter les atomes de sodium de la mésosphère jusqu'à un niveau d'énergie élevé (par exemple 4D5,2). L'interaction laser-sodium produite dans la mésosphère entraîne la désexcitation des atomes suivant une cascade radiative fournissant des sources à longueurs d'onde discrètes couvrant depuis l'ultraviolet (330 nanomètres) jusqu'à l'infrarouge (2,3 micromètres). Les positions relatives des différentes "sources artificielles polychromatiques" ainsi créées permettent alors de déduire directement la pente de la surface d'onde et donc d'en corriger les fluctuations. [8] L'inconvénient de cette solution réside dans le fait que la précision de la mesure de la position de la tache laser est limitée par la dimension du projecteur. Améliorer cette précision nécessite d'augmenter le diamètre du projecteur, et d'utiliser une optique adaptative à l'émission, afin d'éviter que la turbulence optique de l'atmosphère ne nuise à cette amélioration ; le diamètre du projecteur et son optique adaptative engendrent des coûts de réalisation importants. De plus la concentration de l'énergie dans une petite fraction de la surface de la tache risque de provoquer une perte d'efficacité du processus d'excitation, par saturation de cette dernière. OBJET DE L'INVENTION [9] L'objet de l'invention est de créer sur une cible une image de référence à structures fines de géométrie connue et invariante par translation. Par rapport aux techniques antérieures, cette image conduit à améliorer la précision de la mesure de sa position sans augmenter le diamètre du projecteur, et sans utiliser d'optique adaptative. [0010] L'invention atteint ce résultat : - par le fait que le système de projection comporte trois ouvertures en phase de sorte que la géométrie de l'interférogramme produit reste invariante par translation, du fait de l'existence d'une seule relation de clôture de phase - par le fait que le flux de la tache est distribué sur les noeuds d'interférences constructives, ce qui peut maximiser l'efficacité de l'interaction laser-matière. [0011] A cet effet, l'invention concerne selon son acceptation la plus générale un dispositif de projection d'une lumière cohérente sur une cible, comprenant des moyens de division du faisceau en trois sous-faisceaux, ainsi que des moyens de projection associés à des moyens de focalisation et de pointage des trois sous-faisceaux pour les superposer de manière cohérente sur une même zone de ladite cible de sorte que les trois sous-faisceaux présentent sensiblement la même intensité, sensiblement la même polarisation, un chemin optique sensiblement de même longueur, et sensiblement la même orientation de pupille au niveau des ouvertures respectives. [0012] L'utilisation de trois ouvertures et seulement trois, entraîne l'existence d'une seule relation de clôture de phase entre les trois sous-faisceaux. La géométrie de l'interférogramme reste invariante par translation malgré les différences de marche introduites entre les trois sous-faisceaux par le milieu turbulent. De plus, l'interférogramme obtenu au niveau de la cible présente alors un contraste important, et une géométrie prédéterminée ce qui permet de disposer d'une bonne précision de la mesure par les traitements adaptés. La distribution de l'énergie sur plusieurs noeuds d'interférence peut augmenter le flux rétrodiffusé, parce que le processus d'interaction risque moins de saturer. En outre, bien superposer les sous-faisceaux de manière cohérente sur la même zone de la cible permet d'obtenir un interférogramme présentant des franges d'interférences de meilleur contraste. [0013] Selon des modes de réalisation particuliers : - les trois ouvertures sont disposées suivant un triangle équilatéral. Cette disposition offre une précision de mesure égale dans les deux directions, puisque le triangle constitué par les trois ouvertures présente une symétrie ainsi qu'une égalité des bases d'interférence ; - le diamètre des ouvertures est inférieur à la cohérence spatiale de la surface d'onde perturbée par le milieu turbulent. Ainsi l'interférogramme est inscrit dans la tache d'Airy d'une ouverture, ce qui permet d'obtenir le contraste maximum de son autocorrélation, ou de son intercorrélation. La précision de la mesure de la position de l'interférogramme est optimale ; - la source (2) du faisceau (3) comporte au moins un laser ; - les moyens de division (5) du faisceau (3) comportent un ensemble de miroirs et de lames séparatrices présentant des taux de séparation adéquats ; - le dispositif comprend un système de contrôle actif du pointage conjoint des trois sous-faisceaux (6,6',6") ; - le dispositif comprend un système de contrôle passif du pointage conjoint des 10 trois sous-faisceaux (6,6',6") ; [0014] selon des modes de réalisation particuliers : - le faisceau (3) émis par la source (2) présente plusieurs longueurs d'onde, le système de projection comporte un jeu de trois ouvertures par longueur d'onde et la longueur des bases d'interférences de chaque jeu est 15 dans le rapport des longueurs d'onde associées ; - les premières ouvertures de chaque jeu de trois ouvertures sont confondues, les deux autres ouvertures de chaque jeu étant disposées à une distance de la première ouverture fonction de la longueur d'onde ; - les barycentres de chacun des jeux de trois ouvertures sont confondus, 20 les ouvertures de chaque jeu étant disposées à une distance du barycentre commun qui dépend de la longueur d'onde d'excitation ; - les ouvertures de chacune des paires sont inscrites dans une même aire de cohérence. Ces deux dispositions des ouvertures permettent de compenser la production 25 d'un interférogramme différent pour chacun des faisceaux à différentes longueurs d'onde. Les bases d'interférence aux différentes longueurs d'onde sont choisies de manière à produire le même pas d'interférence, pour autant que la différence entre les bases reste petite devant la longueur de cohérence spatiale de la surface d'onde. [0015] L'invention concerne également l'utilisation d'un dispositif selon l'invention pour mesurer la pente d'une surface d'onde incidente sur une cible (1). [0016] L'invention concerne en outre l'utilisation d'un dispositif selon l'invention pour la mesure de la position, ou de la direction, cette mesure se faisant par une corrélation croisée entre l'interférogramme observé à un instant donné et l'interférogramme modèle, résultant directement de la géométrie du projecteur selon l'invention. Tant qu'est respectée la condition de constance de la phase de la surface d'onde sur chaque ouverture, la précision de la mesure est limitée par la dimension des noeuds d'interférence et par le flux lumineux par noeud. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS [0017] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de réalisation, accompagnée de figures représentant respectivement : - la figure 1, un schéma d'un dispositif de projection d'une lumière cohérente sur une cible selon un premier mode de réalisation, - la figure 2, un schéma illustrant la disposition des ouvertures suivant ce premier mode de réalisation, - la figure 3, un schéma d'un dispositif de projection d'une lumière cohérente sur une cible selon un second mode de réalisation, - la figure 4, un schéma illustrant la disposition des ouvertures suivant ce second mode de réalisation, et - la figure 5, un schéma d'un dispositif de mesure de la pente d'une surface d'onde incidente sur une cible selon l'invention. EXPOSÉ DETAILLÉ DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS [0018]La figure 1 représente un schéma d'un dispositif de projection d'un laser sur une cible selon un premier mode de réalisation de l'invention. [0019] Le dispositif comprend un laser 2 émettant un faisceau 3 et un système de projection 4 du faisceau 3 sur la cible 1. Cette cible 1 peut être une couche de sodium de la mésosphère, située à environ quatre-vingt dix kilomètres d'altitude ou plus généralement tout autre milieu d'interaction laser-matière. Le dispositif permet alors de générer une rétrodiffusion suivant une distribution spatiale transverse avec des structures géométriques fines. [0020] Le laser 2 présente l'avantage d'une grande cohérence spectrale, ce qui facilite la mise en oeuvre du dispositif selon l'invention. Dans le présent exemple, cette source génère un faisceau lumineux 3 à une seule longueur d'onde 11. L'invention peut être adaptée à une source constituée de plusieurs lasers émettant un rayonnement à plusieurs longueurs d'onde différentes, comme décrit plus bas en référence aux figures 3 et 4. [0021] Le système de projection 4 comprend un dispositif de division 5 du faisceau 3 en trois sous-faisceaux 6,6',6", ainsi qu'un jeu de trois ouvertures 7,7',7" et des moyens 9,9',9" de focalisation et de pointage. [0022] Les moyens de division 5 réalisent la division du faisceau 3 en trois sous- faisceaux 6,6',6". Ces moyens sont agencés pour que les trois sous-faisceaux 6,6',6" présentent la même intensité, la même polarisation, un chemin optique de même longueur et la même orientation de pupille au niveau de leurs ouvertures respectives 7,7',7". Ils comportent un ensemble de miroirs et de lames séparatrices présentant des taux de séparation adéquats. Ce type de réalisation est bien connu de l'homme du métier pour générer trois sous-faisceaux lumineux cohérents. [0023] Le jeu de trois ouvertures 7,7',7" permet la projection de chaque sous-faisceau sur la cible 1. Le diamètre de ces ouvertures est choisi de sorte à être suffisamment inférieur à la cohérence spatiale de la surface d'onde après traversée du milieu turbulent. En référence à la figure 2, ces ouvertures 7,7',7" peuvent être disposées aux sommets d'un triangle équilatéral 8, pour uniformiser la distribution des erreurs de localisation de la tache. [0024] Les moyens 9,9',9" sont agencés de sorte à permettre la focalisation et le pointage des trois sous-faisceaux 6,6',6" sur la même zone 1' de la cible 1. Les trois sous-faisceaux sont ainsi superposés de manière cohérente spatialement et temporellement au niveau de cette zone 1'. Cette superposition réalise un interférogramme, dont les noeuds d'interférences constructives constituent le motif à structures fines recherché. [0025] Cet interférogramme obtenu au niveau de la zone 1' de la cible 1 s'inscrit dans la projection d'une des ouvertures 7,7',7", limitée par la diffraction grâce au dimensionnement des ouvertures par rapport à la turbulence. L'interférogramme s'inscrit dans cette tache de diffraction. La taille des noeuds d'interférence est dès lors fixée par la longueur des bases de l'interféromètre. [0026] Les trois sous-faisceaux subissent entre eux des différences de marche du fait du milieu turbulent traversé. L'utilisation de trois ouvertures et trois seulement permet de ne faire exister qu'une seule relation de clôture de phase. De la sorte, la figure d'interférence au niveau de la cible 1 est invariante par translation. Cette propriété est très utile à l'extraction de l'information de position de l'interférogramme, en ce qu'elle permet l'utilisation d'un interférogramme de référence théorique. [0027] Selon des modes particuliers de réalisation de l'invention, les dispositifs 9,9',9" peuvent comporter un système de contrôle actif (non représenté) du pointage conjoint des trois sous-faisceaux. [0028] Selon des modes particuliers de réalisation de l'invention, les dispositifs 9,9',9" peuvent comporter un système de contrôle passif (non représenté) du 20 pointage conjoint des trois sous-faisceaux. [0029] La figure 3 représente un schéma d'un dispositif de projection d'une lumière cohérente sur une cible selon un second mode de réalisation de l'invention. [0030] Dans ce mode de réalisation, la source 2 émet deux faisceaux 3 à deux 25 longueurs d'onde 11 et 12 en vue d'une excitation à deux photons. Dans ce cas, chaque longueur d'onde va produire un interférogramme avec son pas propre. Le système de projection 4 de ce mode de réalisation est adapté pour faire coïncider les deux interférogrammes. Il comporte deux jeux d'ouvertures 7,7',7" et 10,10',10", chacun associé à l'une des longueurs d'onde, de façon à avoir le 30 même pas sur les deux figures d'interférence, et les systèmes de focalisation et de pointage associés 9, 9', 9 " et 11, 11', 11 ", permettant de faire coïncider les noeuds d'interférence. [0031] Les bases de chaque jeu de trois ouvertures sont dans le rapport des longueurs d'onde associées. En outre, pour que la même relation de clôture de phase s'applique aux deux jeux d'ouverture, les ouvertures de chacune des paires 7-10, 7'-10', 7"-10" sont inscrites dans une même aire de cohérence spatiale de la surface d'onde perturbée par le milieu turbulent. [0032] Selon un mode de réalisation représenté figure 4, les premières ouvertures 7,10 de chaque jeu d'ouvertures sont disposées de manière à être confondues. Les deux autres ouvertures 7',7" et 10',10" de chaque jeu sont ensuite disposées à une distance de la première ouverture correspondante fonction de la longueur d'onde d'excitation. Les deux jeux d'ouvertures 7,7',7" et 10,10',10" sont disposés aux sommets des triangles équilatéraux 8 et 8' respectivement. [0033] Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les deux jeux d'ouvertures peuvent avoir le même barycentre au lieu d'avoir une ouverture commune. [0034] Selon un autre mode de réalisation de l'invention, à défaut de mettre en oeuvre deux jeux d'ouvertures, on n'utilise qu'un seul jeu d'ouvertures. La coïncidence des figures d'interférence sera imparfaite ; ceci se traduit par une baisse du contraste de la figure, qui selon le cas peut être acceptable. [0035] Il est entendu que l'homme du métier sera à même d'adapter les modes de réalisation décrits ci-dessus au cas d'une source émettant à plus de deux longueurs d'onde. Il utilisera pour cela un nombre adéquat de jeux de trois ouvertures, à savoir un jeu par longueur d'onde différente, et les disposera de façon à superposer les interférogrammes au niveau de la cible. [0036] La figure 5 représente schématiquement une utilisation de l'invention pour mesurer la pente d'une surface d'onde incidente sur une cible. [0037] L'invention illustrée par les figures 1 et 2 fait partie d'un dispositif comprenant de plus un système de mesure 11 de la pente de la surface d'onde incidente. [0038] La (ou les) source(s) utilisée(s) permet(tent) de produire une cascade radiative au niveau de la cible 1, et ce pour des modes de réalisation de l'invention à une ou plusieurs longueurs d'onde. [0039] Le système 11 comporte des moyens de détection 12 aptes à mesurer l'interférogramme et des moyens de calculs 13 de la corrélation croisée entre l'interférogramme résultant et un interférogramme théorique. On en déduit la position relative des interférogrammes observés par rapport à une position de référence, et par suite la pente de la surface d'onde suivant l'article Foy et al. (1995) cité ci-dessus. [0040] Les modes de réalisation précédemment décrits de la présente invention sont donnés à titre d'exemples et ne sont nullement limitatifs. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet. [0041] En particulier, l'invention peut être appliquée dans d'autres domaines que l'astronomie, comme par exemple les télécommunications spatiales vers les satellites ou les sondes interplanétaires, l'asservissement en direction d'un faisceau pour la destruction de débris orbitaux, ou les communications à grande portée. Elle peut être utilisée aussi dans tout domaine où l'on souhaite faire de l'imagerie à haute résolution angulaire à travers un milieu turbulent, pour lequel il est nécessaire de corriger la pente introduite par une perturbation au sein du milieu de propagation de la lumière. [0042] La multiplicité des noeuds d'interférence fournit la possibilité d'utiliser l'invention pour augmenter le champ de l'image corrigée au-delà du domaine d'isoplanétisme, ou réciproquement pour mesurer les déphasages introduits par le milieu perturbant sur ce même champ. REVENDICATIONS1 û Dispositif de projection d'une lumière cohérente sur une cible (1), comprenant un système de projection (4) sur la cible (1), caractérisé en ce que le système de projection comporte des moyens de division (5) du faisceau (3) en trois sous-faisceaux (6,6',6"), ainsi que des moyens de projection (7, 7', 7") associés à des moyens de focalisation et de pointage (9,9',9") des trois sous-faisceaux (6,6',6") pour les superposer de manière cohérente sur une même zone (1') de ladite cible (1) de sorte que les trois sous-faisceaux (6,6',6") présentent sensiblement la même intensité, sensiblement la même polarisation, un chemin optique sensiblement de même longueur, et sensiblement la même orientation de pupille au niveau des ouvertures respectives (7,7',7"). 2 û Dispositif de projection selon la revendication 1, dans lequel les 15 trois ouvertures (7,7',7") sont disposées suivant un triangle équilatéral (8). 3 û Dispositif de projection selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le diamètre des ouvertures (7,7',7") est inférieur à la cohérence spatiale de la surface d'onde perturbée par le milieu turbulent. 4 û Dispositif de projection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la source (2) du faisceau (3) comporte au moins un laser. 5 û Dispositif de projection selon l'une quelconque des revendications 25 1 à 4, dans lequel les moyens de division (5) du faisceau (3) comportent un ensemble de miroirs et de lames séparatrices présentant des taux de séparation adéquats. 6 û Dispositif de projection selon l'une quelconque des revendications 30 1 à 5, comprenant un système de contrôle actif du pointage conjoint des trois sous-faisceaux (6,6',6"). 7 û Dispositif de projection selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant un système de contrôle passif du pointage conjoint des trois 20sous-faisceaux (6,6',6"). 8 ù Dispositif de projection selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le faisceau (3) émis par la source (2) présente plusieurs longueurs d'onde, le système de projection (4) comporte un jeu de trois ouvertures par longueur d'onde (7,7',7" ; 10,10',10") et la longueur des bases d'interférences de chaque jeu est dans le rapport des longueurs d'onde associées. 9 ù Dispositif de projection selon la revendication 8, dans lequel, les premières ouvertures (7,10) de chaque jeu de trois ouvertures (7,7',7";10,10',10") sont confondues, les deux autres ouvertures (7',7";10',10") de chaque jeu étant disposées à une distance de la première ouverture (7,10) fonction de la longueur d'onde. 10 - Dispositif de projection selon la revendication 8, dans lequel les barycentres de chacun des jeux de trois ouvertures (7,7',7";10,10',10") sont confondus, les ouvertures (7',7";10',10") de chaque jeu étant disposées à une distance du barycentre commun qui dépend de la longueur d'onde d'excitation. 11 - Dispositif de projection selon la revendication 8, dans lequel les ouvertures de chacune des paires (7-10), (7'-10'), (7"-10") sont inscrites dans une même aire de cohérence. 25 12 ù Utilisation d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 pour mesurer la pente d'une surface d'onde incidente sur une cible (1). 1120