Interféromètre à polarisation
L'interféromètre à polarisation selon la présente invention est utilisable en lumière monochromatique ou en lumière blanche. Il est caractérisé en ce qu'il comporte un polariseur, un prisme biréfringent dont la face d'entrée est parallèle à l'onde plane sortant du polariseur et dédoublant le faisceau polarisé en deux faisceaux polarisés perpendiculairement et faisant entre eux un angle proportionnel à l'angle du prisme, un dispositif optique d'observation dont le foyer-objet est sur la face de sortie du prisme, des moyens pour effectuer les mesures interférométriques, et des moyens pour supporter l'objet à étudier sur le parcours du faisceau lumineux.
Au dessin annexé, on a représenté à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 représente schématiquement un dispositif de dédoublement du faisceau con, forme à la technique antérieure.
La fig. 2 représente très schématiquement une première forme d'exécution de l'objet de la présente invention.
La fig. 3 est une vue schématique en coupe suivant l'axe optique d'une deuxième forme d'exécution.
La fig. 4 montre une vue schématique en coupe d'une troisième forme d'exécution.
La fig. 5 est une vue schématique en coupe d'une quatrième forme d'exécution.
Les fig. 6 et 7, représentent les images observées pour les mesures interférométriques, avec les interféromètres représentés aux figures 3 et 5.
Les fig. 8 et 9 illustrent l'emploi d'un étalon dans l'étude d'une surface réfléchissante.
En fig. 1, la lumière provenant d'une fente
F, située au foyer d'un collimateur C, traverse un polariseur P, orienté à 450. On obtient ainsi une onde plane Z polarisée à 450 du plan de la figure et qui rencontre une lame de spath L dont les faces sont parallèles à J ? et qui est taillée suivant des faces de clivage, l'axe cristallographique étant parallèle au plan de la figure.
L'onde plane z se divise à l'intérieur du spath en deux ondes : une JO appelée onde ordinaire, est polarisée dans le plan de la figure, l'autre Ce, appelée onde extraordinaire , est polarisée dans le plan perpendiculaire à la figure.
A la sortie du spath, les deux ondes restent planes et parallèles à l'onde incidente, mais l'onde extraordinaire est déplacée paral- lèlement à elle-même.
Si d désigne l'épaisseur de la lame et ç l'angle entre les directions des deux ondes or dinaire et extraordinaire, le déplacement 1 est donne par : 1 = d tg. I1 en résulte qu'on ne peut obtenir de déplacement important qu'en utilisant des lames biréfringentes épaisses. De telles lames, sans défaut, sont d'un prix élevé.
Dans l'interféromètre représenté à la fig. 2, le faisceau incident, après avoir traversé le polariseur Pr orienté à 45O par rapport au plan de la figure, se présente sous la forme d'une onde plane f parallèle à la face d'entrée d'un prisme q biréfringent, par exemple un prisme en spath ou en quartz.
En 1, à la sortie du prisme, le rayonnement est dédoublé car la déviation du rayon ordinaire est différente de celle du rayon extraor- dinaire. L'angle a, entre les directions des deux faisceaux ordinaire et extraordinaire, est proportionnel à l'angle a du prisme et ne dé- pend pas de l'épaisseur de ce dernier. Après avoir traversé une lentille C dont le foyer objet est en/,. les deux faisceaux sont parallèles et la distance 1 qui les sépare est donnée par : 1 = fe e, en désignant par fe la distance focale de la lentille C. La valeur de la distance 1 peut donc être rendue très grande puisqu'il suffit d'accroître la valeur de fe.
Dans l'interféromètre représenté à la fig 3 du dessin, le faisceau lumineux, issu d'une source non figurée sur le dessin, traverse tout d'abord un polariseur PI, orienté à 450 du plan de la figure, puis atteint un prisme biréfringent q, dont l'axe perpendiculaire à l'arrête est dans le plan de la figure et dont la face d'entrée est parallèle à l'axe. Ce prisme est, par exemple, en quartz et son angle dièdre a est de l'ordre de 200 par exemple. A un rayon incident correspondent, à la sortie du prisme, deux rayons polarisés à angle droit.
Les directions de ces rayons font entre elles un angle qui, dans le cas où a, est petit, a pour valeur :
e = al (ne-n), n et nô étant respectivemen, les indices de réfraction correspondant aux ondes extraordinaire et ordinaire. Si l'épaisseur du prisme au centre est dl, le retard de l'onde extraordinaire est : d = di (n,-n"),
La déviation moyenne des deux faisceaux est réduite à zéro par un prisme q2 qui peut être soit un prisme en verre dont l'indice a une valeur moyenne comprise entre les deux indices ne et nO, soit un prisme biréfringent dont l'axe est alors perpendiculaire à celui du prisme ql.
La déviation entre le rayon extraordinaire et le rayon ordinaire est doublée dans ce dernier cas. L'ensemble 9 qui constitue un prisme de Wollaston, est placé au foyer d'un con tenseur C. Les deux rayons isogènes sont rendus parallèles et traversent l'objet étudié X, une préparation par exemple, en deux points
A et B tels que : AB = ± f, où fe est la distance focale du condenseur. Après avoir traversé l'objet, les deux faisceaux atteignent un objectif O qui les réunit dans son plan focal.
Dans ce plan se trouve un deuxième assemblage de prismes Q analogue au premier. Il est formé d'un prisme biréfringent Q, associé soit à un second prisme en verre, soit à un second prisme biréfringent Q2 dont les axes sont orientés comme l'indique la figure. Pour que les directions des deux faisceaux ordinaire et extraordinaire se confondent en une seule à la sortie du prisme, il faut, si les biréfringences de q, et Ql sont égales, que l'an- gle a,, du prisme Q satisfasse à la condition ou où est la distance focale de l'objectif O.
Les deux rayons interférents provenant de deux points distincts de la préparation fusionnen, après le prisme Q et parviennent en un seul point A, B, du plan-image X'. La différence de marche est nulle si les épaisseurs des assemblages q et Q sont identiques en des points correspondants et en l'absence de l'objet.
Cette différence de marche est égale à la différence des épaisseurs optiques que présente l'objet en ces deux points distants de 1
1 = ai (n,,-n.)-f,, fe = a2 (nenO) fo
Dans de telles conditions, l'épaisseur de l'objet est comparée interférométriquement avec celle du même objet déplacé dans son ensemble d'une quantité 1. Les deux ondes étant polarisées à angle droit, il faut un deuxième polariseur l de sortie orienté à 450 des plans de polarisation de ces ondes pour que le phé- nomène soit visible. Le moyen le plus simple pour effectuer la mesure interférométrique consiste à mesurer le décalage par la déformation d'un système de franges rectilignes.
Il suffit pour cela d'obtenir un système de franges lo calisées dans un plan conjugué du plan-image puisque l'interféromètre utilise la lumière poarisée. Le compensateur K de Babinet, après une rotation de 90 autour de l'axe optique du système permet d'obtenir ce résultat.
A la figure 6, on a représenté une image interférentielle d'une plage rectangulaire dont la surépaisseur est une fraction de longeur d'onde. AZBI, et A, B2 sont les deux images superposées et décalées l'une par rapport à l'autre. L'orientation du compensateur K étant à 90"decelledosprismes < ? < g, on obtient des franges parallèles à la direction AIA2 du glissement des images. Ces franges restent, comme en l'absence de surépaisseur, dans la région commune aux deux images. L'interférométrie consiste à mesurer le déplacement des franges dans la région du dédoublement, entre AIBI et A2B, par rapport aux franges situées à l'extérieur de cette région.
L'interféromètre représenté à la fig. 3 n'exige par la collimation du faisceau d'éclai- rage, à condition toutefois que les différences de chemin optique mesurées restent faibles : en effet, les deux prismes agissent de la même façon sur les rayons passant par tous les points de l'ouverture utile du condenseur qui peut être égale à celle de l'objectif, et l'ensemble du condenseur et de l'objectif assure la conjugaison entre les paires des points où les épaisseurs des deux prismes sont identiques, ce qui permet la compensation simultanée pour l'ouverture entière.
Dans le cas où le champ-objet a une certaine étendue non négligeable, on tient compte de l'influence de l'épaisseur absolue des prismes q et Q.Soit w (fig. 3) le demi-angle de champ : w = y/f0 o¯ y est le rayon du champ-objet utilisé et si d2 est l'épaisseur du prisme Q, comme la biréfringence du quartz est égale à
X = (nen") d2 X cos w = W2
(n,-na) d2 (1 2 + si l'on développe en série la variation de chemin optique dans le champ-image, due à la biréfringence lorsque le demi-angle de champ passe de zéro à la valeur w, est approximati- wu vement :
d2 (n-n,,)---. Pour éviter de fausser la mesure, par cette variation, de chemin optique, on peut utiliser à la place des prismes q et Q simples Ides doublets accolés qlq2 et 662 qui sont à peu près équivalents chacun à un prisme simple d'épaisseur nulle.
Un tel doublet est tout à fait identique à un prisme biréfringent de Wollaston connu en soi et composé de deux prismes collés et formant une lame à faces planes et parallèles.
Les axes cristallographiques de ces deux prismes sont croisés tout en étant parallèles aux faces extérieures du prisme de Wollaston assemblé.
Dans l'interféromètre représenté à la figure 4 l'objet n'est pas éclairé en lumière polarisée.
Il reçoit en effet un éclairage cohérent au moyen d'un collimateur. Comme dans le cas de la fig. 3, le faisceau lumineux traverse tout d'abord un polariseur P, puis les prismes accolés q et Q qui sont situés ensemble à une distance t du plan focal de l'objectif.
Dans ces conditions, l'image de la source se trouve dédoublée ; la distance des deux images cohérentes Sl et S2 de la source est SIS., = et, e étant la déviation double du prisme
Q q. Ces deux sources secondaires cohérentes donnent naissance à des franges non localisées mais leur orientation est toujours perpendicu- laire à la direction du décalage des deux images jumelles de l'objet. L'image interférentielle obtenue est schématisée en figure 7. La mesure du décalage se fait comme dans le cas des figures 3 et 6 (les franges non localisées ont les mêmes propriétés que les franges localisées par un compensateur de Babinet).
L'interféromètre représenté à la figure 5 comprend un prisme de Wollaston qlq2-QIQ2 disposé dans le plan focal de l'objectif d'un microscope métallographique. Par autocolli- mation sur l'objet, l'image de ce prisme se forme sur lui-même ; le prisme unique de Wol- laston utilisé ici joue donc d'abord le rôle du prisme qlq., et ensuite celui du prisme QlQ,.
Dans ce cas comme dans les variantes précé- demment décrites, les montages comportant les deux prismes, l'un avant et l'autre après l'ob- jet, n'exigent pas de limitation du faisceau d'éclairage fourni par le dispositif habituel. La lecture interférométrique se fait, au moyen des franges localisées d'un compensateur de Babinet K placé par exemple dans le plan XO du diaphragme de champ conjugué de l'objet, la glace G assurant la rotation de 900 nécessaire.
Dans le cas d'une, surface réfléchissante de qualité médiocre, l'étude peut être grandement facilitée par l'emploi d'un étalon représenté en coupe schématique à la figure 8. Sur une moitié d'une lame de verre V, on dépose une couche réfléchissante métallique M présentant une limite nette, et on met en contact la lame avec l'échantillon, la métallisation contre la surface à étudier.
On peut alors observer, à l'aide de l'ap- pareil représenté en figure 5, des franges dé- formées dans la zone du dédoublement de l'image de l'étalon M (fig. 9) et éventuellement effectuer les mesures correspondantes.