Brevet FR3146358A1 — publié le 20240906

L’invention concerne un dispositif (1) interférométrique Mach-Zehnder, comprenant : au moins un premier prisme (2) et un deuxième prisme (3), les prismes (2, 3) étant assemblés ensemble de façon à former un monobloc, le prismes (2, 3) formant une interface (4) séparatrice de faisceaux entre eux, l’interface séparatrice (4) étant parallèle à une première face externe (5) du premier prisme (2) et une deuxième face externe (6) du deuxième prisme (3), au moins l’un des prismes (2, 3) comprenant une face d’entrée (11) pour recevoir un faisceaux lumineux incident, l’interface séparatrice (4) étant configurée pour diviser le faisceaux incident en deux faisceaux partiels, les premier et deuxième faces externes (5, 6) étant chacune configurée pour réfléchir intégralement ou partiellement l’un des faisceaux partiels, et les prismes (2, 3) comprenant chacun une face de sortie (15, 16) permettant la sortie d’un premier et d’un deuxième faisceaux lumineux sortant (20, 21), respectivement ; un filtre spatial (9) configuré pour former une onde de référence à partir d’un des faisceaux partiels, le dispositif (1) étant configuré pour faire interférer le faisceaux de référence et l’un des faisceaux partiels pour former les faisceaux sortants (20, 21). Figure pour abrégé : [ Fig. 3 ] Dispositif interférométrique Mach-Zehnder La présente invention concerne un dispositif interférométrique Mach-Zehnder. Le domaine de l'invention est, de manière non limitative, celui des composants d’optique adaptative et de métrologie optique. Etat de la technique Les interféromètres de type Mach-Zehnder sont utilisés dans de nombreux domaines. Un faisceau lumineux incident est divisée en deux faisceaux lumineux différents de même intensité par un séparateur de faisceau. Après leur propagation sur deux chemins optiques différents, les faisceaux sont recombinés par un autre séparateur de faisceaux. Des interférences peuvent alors être observés en sortie de l’interféromètre. Ces interféromètres Mach-Zehnder peuvent être utilisés pour réaliser des mesures de phase d’une onde électromagnétique. Par exemple, des mesures de surface d’un objet transparent introduit dans le trajet optique d'un des deux faisceaux permettent d’évaluer sa planéité ou sphéricité. Des interféromètres Mach-Zehnder sont notamment mis en œuvre dans le cadre de l’analyse de front d’onde, en mesurant la source de lumière elle-même. Ceci nécessite la création d’une référence de phase obtenue par filtrage spatial. Ces dispositifs sont utilisés, entre autres, dans le domaine de l’optique adaptative, pour pouvoir éliminer les déformations des fronts d’onde subies suite à des perturbations (par exemple, atmosphériques ou dû à des aberrations optiques). Ce type d’analyseurs de front d’onde sont alors utilisés, par exemple, dans des télescopes. Les dispositifs de type Mach-Zehnder classiques sont difficiles à mettre en œuvre et sont très sensibles à toute variation de l’indice de l’air entre les 2 bras. Il est un but de l’invention de proposer un dispositif interférométrique de type Mach-Zehnder solide et compacte. Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif interférométrique de type Mach-Zehnder pouvant être mis en œuvre dans des systèmes d’analyse de front d’onde pour des composants d’optique adaptative. Il est encore un but de la présente invention de proposer un dispositif interférométrique dont la mise en œuvre est aisée, fiable et ne souffrant pas de problèmes d’alignement. Au moins un de ces buts est atteint avec un dispositif interférométrique Mach-Zehnder, comprenant : au moins un premier prisme et un deuxième prisme, les prismes étant assemblés ensemble de façon à former un monobloc, les prismes formant une interface séparatrice de faisceaux entre eux, l’interface séparatrice étant parallèle à une première face externe du premier prisme et une deuxième face externe du deuxième prisme, au moins l’un des prismes comprenant une face d’entrée pour recevoir un faisceaux lumineux incident, l’interface séparatrice étant configurée pour diviser le faisceaux incident en deux faisceaux partiels, les premier et deuxième faces externes étant chacune configurée pour réfléchir intégralement ou partiellement l’un des faisceaux partiels, et les prismes comprenant chacun une face de sortie permettant la sortie d’un premier et d’un deuxième faisceaux lumineux sortant, respectivement ; un filtre spatial configuré pour former une onde de référence à partir d’un des faisceaux partiels, le dispositif étant configuré pour faire interférer le faisceaux de référence et l’un des faisceaux partiels pour former les faisceaux sortants. Le dispositif interférométrique selon l’invention permet de mesurer avec une précision nanométrique le front d’onde réfléchi ou transmis par une surface optique ou non ce qui permet de mesurer sa forme et/ou l’indice de réfraction du matériau qui la constitue. Le dispositif interférométrique solide Mach-Zehnder peut être utilisé comme analyseur de front d’onde, et notamment pour des systèmes d’optique adaptative, par exemple pour des très grands télescopes ( Very Large Telescopes ). Avantageusement, la première face externe peut être pourvue d’une couche de déphasage d’épaisseur λ/8. Dans ce cas, les faisceaux sortants sont déphasés de 180° l’un par rapport à l’autre, permettant une simplification linéaire de la mesure de phase aux petits déphasages. Selon d’autres exemples, l’épaisseur de la couche de déphasage déposée sur la première face externe peut varier entre 0 et λ/2. Selon un mode de mise en œuvre, l’interface séparatrice de faisceaux entre le premier et le deuxième prisme peut comprendre une monocouche d’épaisseur λ/4. Une monocouche est particulièrement adaptée lorsqu’une source lumineuse à faible cohérence est utilisée. Alternativement, l’interface séparatrice de faisceaux entre le premier et le deuxième prisme peut comprendre une multicouche d’épaisseur λ/4. Une multicouche est particulièrement adaptée lorsqu’une source lumineuse monochrome est utilisée. De manière avantageuse, les premier et deuxième faces externes parallèles à l’interface séparatrice de faisceaux sont pourvues de couches réfléchissantes ou semi-réfléchissantes. Ce traitement permet d’éviter les pertes liées à la transmission des faisceaux lumineux vers l’extérieur du dispositif. Sur l’une des faces externes, la couche réfléchissante ou semi-réfléchissante permet de réaliser le filtrage spatial. Avantageusement, les faces de sortie peuvent être chacune pourvue d’une couche anti-réfléchissante. La puissance lumineuse transmise à l’extérieur du dispositif est ainsi optimisée. Selon un mode de réalisation avantageux, les au moins deux prismes peuvent être assemblés l’un à l’autre par adhésion moléculaire. Aucun adhésif ou autre moyen de fixation n’est alors nécessaire pour assembler les prismes. Aussi, cette technique d’adhésion ne modifie pas la différence de chemins optiques parcourus par le faisceau de référence et l’un des faisceaux partiels. Elle est de ce fait particulièrement adaptée lorsque le dispositif interférométrique est mis en œuvre avec une source lumineuse à faible cohérence, telle qu’une source blanche. Alternativement, les deux prismes peuvent être assemblés l’un à l’autre au moyen d’une colle à adaptation d’indice. La couche de colle présentant une certaine épaisseur optique, cette alternative d’adhésion est adaptée uniquement lorsque le dispositif est mis en œuvre avec une source lumineuse monochrome ayant une grande longueur de cohérence. Selon un mode de mise en œuvre avantageux, les faces d’entrée et/ou de sortie des prismes peuvent être inclinées par rapport à l’interface séparatrice d’un angle de 45°. De cette façon, les faisceaux incidents et sortants ont un angle d’incidence et de sortie proche de 0. Selon un mode de réalisation du dispositif, le filtre spatial peut comprendre au moins une pastille réfléchissante ou semi-réfléchissante déposée sur la face externe du deuxième prisme. Selon des exemples, l’au moins une pastille réfléchissante peut avoir une forme elliptique, carrée, circulaire, ou toute autre forme bidimensionnelle. La pastille réfléchissante peut être de même nature (matériau, épaisseur) que la couche réfléchissante ou semi-réfléchissante déposée sur la face externe du premier prisme. Avantageusement, les prismes du dispositif selon l’invention peuvent être fabriqués en BK7 ou silicium, ou tout autre matériau optique faiblement dispersif. Description des figures et modes de réalisation D’autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l’examen de la description détaillée d’exemples nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : la est une représentation schématique d’un dispositif interférométrique selon un mode de réalisation ; la montre schématiquement un filtre spatial du dispositif selon un mode de réalisation; et la est une photographie d’un dispositif interférométrique selon un mode de réalisation de l’invention. Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures peuvent conserver la même référence. La est une représentation schématique d’un dispositif interférométrique de type Mach-Zehnder selon un mode de réalisation de la présente invention. Le dispositif 1 comprend deux prismes 2, 3, dits prismes. Dans le mode de réalisation représentée sur la , les prismes 2, 3 sont identiques. Ils ont chacun la forme d’une plaque à deux côtes parallèles. Le premier prisme 2 et le deuxième prisme 3 constituent la base de l’interféromètre de type Mach-Zehnder. Les deux prismes 2, 3 sont assemblés de sorte à former une interface 4 entre eux. De préférence, les prismes 2, 3 sont assemblés l’un à l’autre par adhésion moléculaire. Alternativement, les prismes 2,3 peuvent aussi être assemblés au moyen d’une colle à adaptation d’indice. La colle ajoutant une épaisseur supplémentaire à l’épaisseur des prismes, le trajet optique est rallongé pour les faisceaux traversant la couche de colle. Cette alternative d’adhésion est donc notamment adaptée lorsque le dispositif est mis en œuvre avec une source lumineuse monochrome ayant une grande longueur de cohérence. Le matériau des prismes 2,3 est un matériau faiblement dispersif à la longueur d’onde mise en œuvre du dispositif 1. Par exemple, pour des longueurs d’onde entre environ 600 et 950 nm, le matériau peut être du silicium ou BK7, ou tout autre matériau faiblement dispersif adapté. L’interface 4 entre les deux prismes 2, 3 est une interface séparatrice constituant un séparateur de faisceau lumineux. Telle que représentée sur la , l’interface séparatrice comprend une couche 17 d’épaisseur λ/4. Selon un exemple, pour une longueur d’onde de 850 nm, cette couche peut être une monocouche de Ti 3 O 5 . Toujours en référence à la , la face externe 5 du premier prisme 2, parallèle à l’interface séparatrice 4, est revêtue d’une couche réfléchissante 7. Cette première face externe 5, dite longitudinale, agit comme un miroir grâce à la couche réfléchissante 7. La couche réfléchissante peut être, par exemple, une couche Ag avec une réflectivité R > 95% à une longueur d’onde de 850 nm. La première face externe 5 est également pourvue d’une couche de déphasage 18 d’épaisseur λ/8. Il peut s’agir, par exemple, d’une couche de SiO 2 pour une longueur d’onde d’opération de 850 nm. La face externe 6 longitudinale du deuxième prisme 3, également parallèle à l’interface séparatrice 4, comporte un filtre spatial 9. Dans l’exemple représenté sur la , le filtre spatial 9 consiste en une pastille réfléchissante. La pastille réfléchissante 9 peut être de la même nature que la couche réfléchissante 7 de la première face externe 5, c’est-à-dire, du même matériau et/ou de la même épaisseur. Un exemple d’un filtre spatial 9 est illustré dans la , montrant la face externe 6 du deuxième prisme de dessous. Ici, le filtre spatial 9 consiste en une pastille réfléchissante de forme elliptique. Selon d’autres exemples, la pastille peut avoir une forme circulaire, carrée, ovale, oblongue apodisé, etc. Bien entendu, le filtre spatial peut se présenter sous d’autres formes. Il peut notamment être combiné à un décalage de phase. Lors de sa mise en œuvre, un faisceau lumineux 10 entre dans le dispositif par l’une des faces latérales 11 du premier prisme 2 (celui qui ne comporte pas le filtre spatial 9). Selon un exemple, le faisceau lumineux a un numéro d’ouverture 60 et est focalisé sur le filtre spatial 9. Le faisceau 10 est divisé en deux faisceaux partiels 13, 14 par le séparateur de faisceaux 4. Un des faisceaux partiels est réfléchi par le séparateur 4 puis réfléchi par la face externe 2 agissant comme un miroir ; il constitue le faisceau objet. L’autre faisceau partiel est transmis par le séparateur 4 puis réfléchi au niveau du filtre spatial 9. Le faisceau réfléchi au niveau du filtre spatial 9 constitue le faisceau de référence. Des interférences entre le faisceau objet et le faisceau de référence peuvent être détectés à chacune des deux faces de sortie 15, 16 (faisceaux 20, 21). Avec les dispositifs selon le mode de réalisation tel que représenté sur la , les signaux 20, 21 des deux sorties sont déphasés de 180° degrés l’un par rapport à l’autre. Les faces externes longitudinales 5, 6 ainsi que l’interface séparatrice 4 entre les prismes 2, 3 doivent être parfaitement parallèles entre elles. De préférence, le défaut de parallélisme entre ces surfaces optiques doit être inférieur à 0,02 mrad. Aussi, l’épaisseur des prismes 2, 3 entre l’interface séparatrice 4 et leur face externe 5, 6, respectivement, doit être la même pour les deux prismes, de préférence avec une différence entre les deux épaisseurs de moins de 0,001 mm. L’épaisseur peut être, par exemple, d’environ 20 mm. Pour répondre à ces deux contraintes, les deux prismes 2, 3 peuvent, par exemple, être obtenus à partir d’une seule et même plaque de matériau aux faces parallèles. La montre une photographie d’un dispositif interférométrique de type Mach-Zehnder selon un mode de réalisation de la présente invention. Une règle posée à côté du dispositif permet d’apprécier les dimensions du dispositif. A titre d’exemple, l’interface séparatrice 4 du dispositif 1 peut avoir une longueur (dans le plan de la feuille) d’environ 80 mm, les faces externes 5, 6 parallèles à l’interface séparatrice 4 peuvent chacune avoir une longueur d’environ 40 mm, avec une épaisseur et une profondeur de chaque prisme 2, 3 d’environ 20 mm. Ces valeurs peuvent bien entendu être adaptées selon l’application souhaitée du dispositif. Dans les modes de réalisation représentés sur les Figures 1 et 3, les faces latérales 11, 12, 15, 16 des deux prismes 2, 3, dont la face d’entrée et les deux faces de sortie décrites ci-dessus, sont chacune orientées à un angle d’environ 45° par rapport à l’interface séparatrice 4. La face d’entrée 11 et les faces de sortie 15, 16 comportent un traitement anti-réfléchissant, de préférence large bande. Au moins toutes les surfaces optiques, c’est-à-dire, réfléchissant ou transmettant des faisceaux lumineux lors de la mise en œuvre du dispositif, doivent être polies de manière à avoir une rugosité inférieure à λ/10, afin de garantir une bonne qualité de mesure. L’invention peut être utilisée dans de nombreux systèmes interférométriques pour diverses applications, notamment : la caractérisation de surfaces optiques de très haute précision, telles que les miroirs de télescopes et les segments de miroirs de grands télescopes, le contrôle des processus de polissage mécanique ou chimique de surfaces optiques de précision ou encore la surface de substrats (wafer) dans le secteur de la microélectronique et des semi-conducteurs, les systèmes d'imagerie longue portée, satellites d'observation et systèmes de communications optiques par satellite, nécessitant des corrections de faisceaux optiques pour les liaisons entre satellites ou avec la surface terrestre, les systèmes dans le domaine de la métrologie XUV et des lignes de lumière avec les extrêmes ultraviolets et les miroirs à rayons X ou dans le secteur de la microphotonique et de l'optique intégrée. Enfin l’invention peut être avantageusement utilisée dans le domaine de la biologie cellulaire, notamment pour l'imagerie de phase de cellules ou la microscopie par excitation à feuille de lumière (SPIM, Selective Plane Illumination Microscop y ) à 2 photons. Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. Dispositif (1) interférométrique Mach-Zehnder, comprenant : au moins un premier prisme (2) et un deuxième prisme (3), les prismes (2, 3) étant assemblés ensemble de façon à former un monobloc, le prismes (2, 3) formant une interface (4) séparatrice de faisceaux entre eux, l’interface séparatrice (4) étant parallèle à une première face externe (5) du premier prisme (2) et une deuxième face externe (6) du deuxième prisme (3), au moins l’un des prismes (2, 3) comprenant une face d’entrée (11) pour recevoir un faisceaux lumineux incident, l’interface séparatrice (4) étant configurée pour diviser le faisceaux incident en deux faisceaux partiels, les premier et deuxième faces externes (5, 6) étant chacune configurée pour réfléchir intégralement ou partiellement l’un des faisceaux partiels, et les prismes (2, 3) comprenant chacun une face de sortie (15, 16) permettant la sortie d’un premier et d’un deuxième faisceaux lumineux sortant (20, 21), respectivement ; un filtre spatial (9) configuré pour former une onde de référence à partir d’un des faisceaux partiels, le dispositif (1) étant configuré pour faire interférer le faisceaux de référence et l’un des faisceaux partiels pour former les faisceaux sortants (20, 21). Dispositif (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première face externe (5) est pourvue d’une couche de déphasage d’épaisseur λ/8. Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’interface (4) séparatrice de faisceaux comprend une monocouche d’épaisseur λ/4. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premier et deuxième faces externes (5, 6) parallèles à l’interface séparatrice (4) sont pourvues de couches réfléchissantes ou semi-réfléchissantes. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faces de sortie (15, 16) sont chacune pourvue d’une couche anti-réfléchissante. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les au moins deux prismes (2, 3) sont assemblés l’un à l’autre par adhésion moléculaire ou au moyen d’une colle à adaptation d’indice. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faces d’entrée et/ou de sortie (11, 15, 16) sont inclinées par rapport à l’interface séparatrice (4) d’un angle de 45°. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le filtre spatial (9) comprend au moins une pastille réfléchissante ou semi-réfléchissante déposée sur la face externe du deuxième prisme (3).