EP2104871A1 - Dispositif de prelevement d'une pluralite de parties d'un faisceau lumineux - Google Patents

Dispositif de prelevement d'une pluralite de parties d'un faisceau lumineux

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EP2104871A1
EP2104871A1 EP07858133A EP07858133A EP2104871A1 EP 2104871 A1 EP2104871 A1 EP 2104871A1 EP 07858133 A EP07858133 A EP 07858133A EP 07858133 A EP07858133 A EP 07858133A EP 2104871 A1 EP2104871 A1 EP 2104871A1
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light beam
face
component
angle
sampling
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Eric Journot
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Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
    • G02B27/145—Beam splitting or combining systems operating by reflection only having sequential partially reflecting surfaces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/108—Beam splitting or combining systems for sampling a portion of a beam or combining a small beam in a larger one, e.g. wherein the area ratio or power ratio of the divided beams significantly differs from unity, without spectral selectivity
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    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
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    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/04—Prisms

Definitions

  • the present invention relates to a device for sampling a plurality of parts of a light beam, in particular a laser beam.
  • This device comprises at least one optical component which is designed to generate two optical samples of a parallel ray light beam, without any parasitic image.
  • the invention is particularly applicable to the diagnosis of laser beams.
  • the above-mentioned component makes it possible to generate three diagnostic channels that are distinct, completely decoupled and without parasitic image.
  • the photometry of the channels can be managed in a conventional manner, by the type of semi-reflective treatment that is deposited on each side of the component.
  • a blade in English, flat 2 (FIG. 1) having two plane and parallel faces, or a prismatic plate 4 (FIG. 2), or a beam splitter cube (in English, beamsplitter cube) 6 (FIG. 3), or a diffractive component 8 (FIG. 4).
  • FIGS. 1 to 3 generate only one sampling channel 10 from an incident light beam 12, and the diffractive component 8 generates as many samples 14 as there are diffraction orders.
  • the blade with flat and parallel faces 2 generally generates several parasitic beams.
  • Figure 1 we see one of these, which is parallel to the beam 16 transmitted by the cube 2, and two other parasitic beams 18 which are parallel to the beam 10 reflected by this cube.
  • FIG. 2 shows that the parasitic beams 20 and 22 have directions which are respectively separated from that of the reflected beam 10 and that of the transmitted beam 24, but the separation is weak and the transmitted beam 24 is deflected, which complicates the mechanical integration of the analysis system (not shown) using the prismatic plate.
  • the beam splitter cube 6 solves the problem of parasitic imaging quite well. Indeed, we see in Figure 3 two parasitic beams 26 and 28 which are respectively parallel to the reflected beam 10 and the transmitted beam 30, and the maximum parasitic amplitude is typically one hundred times lower than that of the incident beam 12. But the cube 6 generates only a sample.
  • the diffractive component 8 generates, for its part, several samples 14 and perfectly solves the problem of parasitic imaging. However, it temporally alters a pulsed light beam and scatters a beam that is not perfectly monomode. It is then necessary to use two diffractive components to partially solve these problems of alteration and dispersion.
  • the object of the present invention is to overcome the above disadvantages by proposing a device which is capable of providing at least two samples devoid of parasitic images, from an incident light beam, and which allows the easy integration of a system. beam diagnostics using this device.
  • the present invention relates to a device for sampling a plurality of parts of a light beam, this device being characterized in that it comprises at least one optical component comprising a blade of material transparent to the light beam , this blade having first and second faces which are plane and parallel, and a third face which is flat and forms a dihedron with the first face, the angle of this dihedral being equal to ⁇ - ⁇ , with
  • n the refractive index of the material, so that by sending the light beam on the first face, at an angle of incidence equal to Arcsin (n.sin ( ⁇ )), recovering a first part taken and a second part removed and most of the light beam.
  • the third face is made reflective vis-à-vis the light beam.
  • the first and second faces can be processed so as to have reflection coefficients determined vis-à-vis the light beam.
  • the angle ⁇ may be equal to Arcsin (V2 / (2n)).
  • the device according to the invention may comprise at least two copies of said component, placed one after the other, so as to increase the number of parts removed.
  • the present invention also relates to a method of sampling a plurality of parts of a light beam, this method using the device object of the invention.
  • FIGS. 1 to 4 are schematic views of known beam picking devices and have already been described
  • FIG. 5 is a schematic top view of a particular embodiment; of the device which is the subject of the invention.
  • FIG. 6 is a schematic view of another device according to the invention.
  • the device according to the invention which is schematically represented in FIG. 5, comprises a single optical component 32.
  • This component is capable of producing two samples devoid of a parasitic image from an incident light beam 34 which is monochromatic and parallel, that is to say whose rays are parallel, such as for example a laser beam.
  • the component allows the easy integration of a diagnostic device comprising this component.
  • the component 32 is a prism that results from a flat-faced and parallel plate which has been truncated.
  • the prism 32 is made of a material that is transparent to the incident beam 34; and it has a first face 36 and a second face 38 which are flat and parallel to each other.
  • the prism has a third face 40 which forms a dihedron with the first face 34.
  • the faces 36, 38 and 40 are thus perpendicular to the plane of this figure 5.
  • the angle A of the dihedral is equal to ⁇ - ⁇ where ⁇ is the truncation angle of the blade, the truncated portion being delimited by dotted lines on FIG. 5. This angle ⁇ is such that:
  • n the refractive index of the material, at the wavelength of the beam 34.
  • a first portion 44 of the beam 34 is picked up by reflection on the face 36 but the bulk of the beam 34 leads to the refracted beam 46.
  • the latter emerges from the face 38 along a beam 48 which is parallel to the beam 34.
  • the latter is propagated towards the face 40 in a straight line which is perpendicular to this face 40, and is therefore reflected in part on it, following the same line, then emerges from the face 38 along a beam 52 which constitutes a second portion taken from the incident beam 34.
  • Each of the beams 48 and 52 forms an angle i. with a normal 54 to the face 38.
  • the major part 56 of the beam 50 emerges from the face 40, perpendicular to the latter, and can thus constitute a third sampling path. However, the existence of this part 56 would lead to a low intensity for the second part taken, constituted by the beam 52.
  • the face 40 is made reflective, for example by forming a metal layer 58 on this face, so as not to lose a signal on the sampling path 52.
  • the two samples formed by the beams 44 and 52 each carry between 2% and 8% of the incident energy, according to the polarization of the beam 34.
  • this incident beam 34 can perform a treatment of the faces 36 and 38 to adjust the value of the reflection coefficient of these faces, if necessary.
  • the two sampling channels 44 and 52 are perpendicular to the incident beam 34, which facilitates the mechanical integration of the other components (not shown) of the beam diagnostic system.
  • the angle ⁇ is equal to Arcsin (1 / (n S)).
  • the compact component 32 generates two samples 44 and 52 from the beam 34, without any parasitic image for the analysis system, which is very interesting for analyzing the beam 34. Moreover, this component is monobloc and very simple to manufacture. , and it can be serialized to multiply the number of channels.
  • Figure 6 shows two components 70 and 72 which are placed one after the other. These components are of the type of the component 32.
  • This beam 80 reaches the component 72 whose first face is facing the second face of the component 70 and parallel thereto.
  • the component 72 provides two samples 82 and 84.
  • the beam transmitted by the component 72 has the reference 85.
  • parasitic light beams 86, 88 and 90 which result from reflections of the light in the prism 32.
  • the beam 88 is directed towards the face 92 of the prism, face which connects the faces 36 and 38 as seen. This face 92 is unpolished to prevent specular reflection of the beam 88.
  • the single parasite return (beam 90) undergoes two reflections, and is therefore very weak; in addition, it returns to the source (not shown) of the beam 34, which does not disturb the measurement. If necessary, a slight modification of one of the angles i or ⁇ makes it possible to modify the direction of this parasitic return.
  • the component 32 laterally shifts the main beam: the beam 48 is shifted relative to the beam 34. But this can be corrected by a second component identical to the component 32 and mounted symmetrically. In this case, and repeating the notations of FIG. 6, the beam 85 emerges in the extension of the beams 74. It should also be noted that, like all the reflection sampling diagnostics, the component 34 can modify the state of polarization of a beam if the incident electromagnetic field is not TE or TM.
  • the device according to the invention can be used with any laser beam on which it is desired to make several samples.

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Abstract

Dispositif de prélèvement d'une pluralité de parties d'un faisceau lumineux. Ce dispositif comprend au moins un composant optique (34) comprenant une lame en matériau transparent au faisceau lumineux, cette lame ayant des première et deuxième faces (36, 38) qui sont planes et parallèles, et une troisième face (40) qui est plane et forme un dièdre avec la première face, l'angle de ce dièdre étant égal à p-a, avec 0 < a <_Arcsin (1/n) où n est l'indice de réfraction du matériau, de sorte qu'en envoyant le faisceau lumineux sur la première face, sous un angle d'incidence égal à Arcsin (n.sin(a) ), on récupère une première partie prélevée (44) et une deuxième partie prélevée (52) ainsi que la majeure partie (48) du faisceau lumineux. Ce dispositif s'applique notamment au diagnostic d'un faisceau laser.

Description

DISPOSITIF DE PRELEVEMENT D'UNE PLURALITE DE PARTIES D'UN FAISCEAU LUMINEUX
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif de prélèvement d'une pluralité de parties d'un faisceau lumineux, en particulier d'un faisceau laser .
Ce dispositif comprend au moins un composant optique qui est conçu pour engendrer deux prélèvements optiques d'un faisceau lumineux à rayons parallèles, sans aucune image parasite.
L'invention s'applique notamment au diagnostic des faisceaux lasers.
Dans ce domaine, il est souvent nécessaire de disposer de plusieurs prélèvements distincts d'un faisceau pour caractériser complètement ce dernier.
Indiquons dès à présent que le composant mentionné ci-dessus permet de générer trois voies de diagnostic qui sont distinctes, totalement découplées et sans image parasite. La photométrie des voies peut être gérée de manière classique, par le type de traitement semi-réfléchissant que l'on dépose sur chaque face du composant.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Pour prélever une ou plusieurs parties d'un faisceau lumineux, notamment d'un faisceau laser, il est connu d'utiliser une lame (en anglais, plate) 2 (figure 1) ayant deux faces planes et parallèles, ou une lame prismatique 4 (figure 2), ou un cube séparateur de faisceau (en anglais, beamsplitter cube) 6 (figure 3), ou un composant diffractif 8 (figure 4) .
Les composants représentés sur les figures 1 à 3 ne génèrent qu'une seule voie de prélèvement 10 à partir d'un faisceau lumineux incident 12, et le composant diffractif 8 génère autant de prélèvements 14 que d'ordres de diffraction.
En outre, en plus du prélèvement 10, la lame à faces planes et parallèles 2 engendre généralement plusieurs faisceaux parasites. Sur la figure 1, on voit l'un 15 de ces derniers, qui est parallèle au faisceau 16 transmis par le cube 2, et deux autres faisceaux parasites 18 qui sont parallèles au faisceau 10 réfléchi par ce cube.
L'amplitude du plus important des faisceaux parasites vaut typiquement 10% du faisceau incident 12, ce qui peut s'avérer problématique avec un faisceau cohérent, à cause des interférences qui en résultent. La lame prismatique 4 résout partiellement ce problème : on voit sur la figure 2 que les faisceaux parasites 20 et 22 ont des directions qui sont respectivement séparées de celle du faisceau réfléchi 10 et de celle du faisceau transmis 24, mais la séparation est faible et le faisceau transmis 24 est dévié, ce qui complique l'intégration mécanique du système d' analyse (non représenté) utilisant la lame prismatique .
Le cube séparateur de faisceau 6 résout assez bien le problème de l'imagerie parasite. En effet, on voit sur la figure 3 deux faisceaux parasites 26 et 28 qui sont respectivement parallèles au faisceau réfléchi 10 et au faisceau transmis 30, et l'amplitude parasite maximale est typiquement cent fois plus faible que celle du faisceau incident 12. Mais le cube 6 ne génère qu'un prélèvement.
Le composant diffractif 8 génère, quant à lui, plusieurs prélèvements 14 et résout parfaitement le problème de l'imagerie parasite. Cependant, il altère temporellement un faisceau lumineux impulsionnel et disperse un faisceau qui n'est pas parfaitement monomode. Il faut alors utiliser deux composants diffractifs pour résoudre partiellement ces problèmes d'altération et de dispersion.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents en proposant un dispositif qui est apte à fournir au moins deux prélèvements dénués d'images parasites, à partir d'un faisceau lumineux incident, et qui permet l'intégration aisée d'un système de diagnostic de faisceau utilisant ce dispositif.
De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de prélèvement d'une pluralité de parties d'un faisceau lumineux, ce dispositif étant caractérisé en ce qu' il comprend au moins un composant optique comprenant une lame en matériau transparent au faisceau lumineux, cette lame ayant des première et deuxième faces qui sont planes et parallèles, et une troisième face qui est plane et forme un dièdre avec la première face, l'angle de ce dièdre étant égal à π-α, avec
0 < α < Arcsin (1/n) où n est l'indice de réfraction du matériau, de sorte qu'en envoyant le faisceau lumineux sur la première face, sous un angle d'incidence égal à Arcsin (n.sin(α) ) , on récupère une première partie prélevée et une deuxième partie prélevée ainsi que la majeure partie du faisceau lumineux .
De préférence, la troisième face est rendue réfléchissante vis-à-vis du faisceau lumineux.
Les première et deuxième faces peuvent être traitées de manière à avoir des coefficients de réflexion déterminés vis-à-vis du faisceau lumineux.
L'angle α peut être égal à Arcsin (V2 / (2n) ). Le dispositif objet de l'invention peut comprendre au moins deux exemplaires dudit composant, placés l'un à la suite de l'autre, de manière à augmenter le nombre de parties prélevées.
La présente invention concerne aussi un procédé de prélèvement d'une pluralité de parties d'un faisceau lumineux, ce procédé utilisant le dispositif objet de l'invention.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : les figures 1 à 4 sont des vues schématiques de dispositifs connus de prélèvement de faisceau et ont déjà été décrites, la figure 5 est une vue de dessus schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, et
- la figure 6 est une vue schématique d'un autre dispositif conforme à l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Le dispositif conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 5, comprend un seul composant optique 32.
Ce composant est apte à réaliser deux prélèvements dénués d'image parasite à partir d'un faisceau lumineux incident 34 qui est monochromatique et parallèle, c'est-à-dire dont les rayons sont parallèles, comme par exemple un faisceau laser. En outre, le composant permet l'intégration aisée d'un dispositif de diagnostic comportant ce composant.
Le composant 32 est un prisme qui résulte d'une lame à faces planes et parallèles dont on a tronqué une partie.
Plus précisément, le prisme 32 est fait d'un matériau qui est transparent au faisceau incident 34 ; et il comporte une première face 36 et une deuxième face 38 qui sont planes et parallèles l'une à l'autre. En outre, le prisme comporte une troisième face 40 qui forme un dièdre avec la première face 34. On voit la trace de ce dièdre ainsi que l'arête I de ce dernier sur la figure 5 qui est une vue de dessus du composant. Les faces 36, 38 et 40 sont ainsi perpendiculaires au plan de cette figure 5. L'angle A du dièdre est égal à π-α où α est l'angle de troncature de la lame, la partie tronquée étant délimitée par des pointillés sur la figure 5. Cet angle α est tel que :
0 < α < Arcsin (1/n) où n représente l'indice de réfraction du matériau, à la longueur d'onde du faisceau 34.
On précise que le composant 32 est utilisé en envoyant le faisceau 34 sur la première face 36 de façon que ce faisceau forme, avec une normale 42 à cette face, un angle d'incidence i. (0 < i £ π/2) tel que : sin(i) = n.sin(α) ou i = Arcsin (n . sin (α) ).
Comme on le voit sur la figure 5, une première partie 44 du faisceau 34 est prélevée par réflexion sur la face 36 mais l'essentiel du faisceau 34 conduit au faisceau réfracté 46. Ce dernier émerge de la face 38 suivant un faisceau 48 qui est parallèle au faisceau 34.
Le faisceau réfracté 46, qui forme l'angle α avec la normale 42 (d'après la loi de Snell- Descartes, l'angle de réfraction est tel que sin(i) = n.sin(α) ) , se réfléchit également en partie sur la deuxième face 38 pour donner un faisceau réfléchi 50. Ce dernier se propage vers la face 40 suivant une ligne droite qui est perpendiculaire à cette face 40, et se réfléchit donc en partie sur celle-ci suivant la même ligne, puis émerge de la face 38 suivant un faisceau 52 qui constitue une deuxième partie prélevée du faisceau incident 34. Chacun des faisceaux 48 et 52 forme un angle i. avec une normale 54 à la face 38. Précisons en outre que la majeure partie 56 du faisceau 50 émerge de la face 40, perpendiculairement à cette dernière, et peut ainsi constituer une troisième voie de prélèvement. Cependant, l'existence de cette partie 56 conduirait à une faible intensité pour la deuxième partie prélevée, constituée par le faisceau 52.
C'est pourquoi la face 40 est rendue réflectrice, par exemple en formant une couche métallique 58 sur cette face, pour ne pas perdre de signal sur la voie de prélèvement 52.
Précisons en outre que si l'on ne traite pas les faces d'entrée et de sortie 36 et 38 du composant, les deux prélèvements constitués par les faisceaux 44 et 52 transportent chacun entre 2% et 8% de l'énergie incidente, selon la polarisation du faisceau 34.
Quelles que soient les caractéristiques de polarisation de ce faisceau incident 34, on peut réaliser un traitement des faces 36 et 38 pour adapter la valeur du coefficient de réflexion de ces faces, si cela est nécessaire.
Dans le cas particulier où i vaut 45° (π/4 radians) les deux voies de prélèvement 44 et 52 sont perpendiculaires au faisceau incident 34, ce qui facilite l'intégration mécanique des autres composants (non représentés) du système de diagnostic de faisceau. Dans ce cas, l'angle α est égal à Arcsin (1/ (n S ) ) .
Remarquons aussi un cas particulier peu intéressant : lorsque α est égal à la valeur-limite Arcsin (1/n), i. est égal à π/2.
Le composant compact 32 génère deux prélèvements 44 et 52 à partir du faisceau 34, sans aucune image parasite pour le système d'analyse, ce qui est très intéressant pour analyser le faisceau 34. De plus, ce composant est monobloc et très simple à fabriquer, et il peut être mis en série pour multiplier le nombre de voies.
La figure 6 montre deux composants 70 et 72 qui sont placés l'un à la suite de l'autre. Ces composants sont du genre du composant 32. On voit un faisceau laser incident 74 qui arrive sur la première face du composant 70 et les deux prélèvements 76 et 78 correspondant à ce composant 70. Le faisceau transmis a la référence 80. Ce faisceau 80 atteint le composant 72 dont la première face est en regard de la deuxième face du composant 70 et parallèle à celle-ci. Le composant 72 fournit deux prélèvements 82 et 84. Le faisceau transmis par le composant 72 a la référence 85. En revenant à la figure 5, on voit des faisceaux lumineux parasites 86, 88 et 90 qui résultent de réflexions de la lumière dans le prisme 32.
Le faisceau 88 se dirige vers la face 92 du prisme, face qui relie les faces 36 et 38 comme on le voit. Cette face 92 est non polie pour empêcher la réflexion spéculaire du faisceau 88. L'unique retour parasite (faisceau 90) subit deux réflexions, et il est donc très faible ; en outre, il retourne vers la source (non représentée) du faisceau 34, ce qui ne perturbe pas la mesure. Si nécessaire, une légère modification de l'un des angles i ou α permet de modifier la direction de ce retour parasite.
Remarquons que le composant 32 décale latéralement le faisceau principal : le faisceau 48 est décalé par rapport au faisceau 34. Mais cela peut être corrigé par un second composant identique au composant 32 et monté symétriquement. Dans ce cas, et en reprenant les notations de la figure 6, le faisceau 85 émerge dans le prolongement du faisceaux 74. Remarquons aussi que, comme tous les diagnostics de prélèvement à réflexion, le composant 34 peut modifier l'état de polarisation d'un faisceau si le champ électromagnétique incident n'est pas de type TE ou TM. Le dispositif objet de l'invention peut être utilisé avec n' importe quel faisceau laser sur lequel on souhaite faire plusieurs prélèvements.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de prélèvement d'une pluralité de parties d'un faisceau lumineux (34), ce dispositif étant caractérisé en ce qu' il comprend au moins un composant optique (32, 70, 72) comprenant une lame en matériau transparent au faisceau lumineux, cette lame ayant des première et deuxième faces (36, 38) qui sont planes et parallèles, et une troisième face (40) qui est plane et forme un dièdre avec la première face, l'angle de ce dièdre étant égal à π-α, avec
0 < α < Arcsin (1/n) où n est l'indice de réfraction du matériau, de sorte qu'en envoyant le faisceau lumineux sur la première face, sous un angle d'incidence égal à Arcsin (n.sin(α) ) , on récupère une première partie prélevée (44) et une deuxième partie prélevée (52) ainsi que la majeure partie (48) du faisceau lumineux.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la troisième face (40) est rendue réfléchissante vis-à-vis du faisceau lumineux (34) .
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel les première et deuxième faces (36, 38) sont traitées de manière à avoir des coefficients de réflexion déterminés vis-à- vis du faisceau lumineux (34) .
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'angle α est égal à Arcsin(V2 / (2n) ) .
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant au moins deux exemplaires (70, 72) dudit composant, qui sont placés l'un à la suite de l'autre, de manière à augmenter le nombre de parties prélevées.
6. Procédé de prélèvement d'une pluralité de parties d'un faisceau lumineux (34), ce procédé utilisant le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
EP07858133A 2006-12-28 2007-12-24 Dispositif de prelevement d'une pluralite de parties d'un faisceau lumineux Ceased EP2104871A1 (fr)

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