FR2541447A1

FR2541447A1 - Procede de mesure de chemin optique et interferometre laser pour sa realisation

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Publication number: FR2541447A1
Application number: FR8302823A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-02-22
Filing date: 1983-02-22
Publication date: 1984-08-24
Also published as: FR2541447B1; DE3306709C2; US4558952A; DE3306709A1

Abstract

LE PROCEDE DE MESURE DU CHEMIN OPTIQUE EST BASE SUR L'INTERFERENCE A RAYONS MULTIPLES DE FAISCEAUX DE LUMIERE COHERENTE. L'INTERFEROMETRE LASER METTANT EN OEUVRE LE PROCEDE COMPORTE : UN LASER 4, UN DISPOSITIF 6 POUR DECALER LA FREQUENCE OPTIQUE, DES ELEMENTS REFLECHISSANTS 1 ET 2, UN ELEMENT POLARISATEUR 11 ET UN CONVERTISSEUR PHOTOELECTRIQUE 9 DE LA LUMIERE INTERFEREE EN UN SIGNAL ELECTRIQUE, AINSI QU'UN BLOC 10 DE MESURE DE PHASE DU SIGNAL ET UNE LAME BIREFRINGENTE 3 PLACEE ENTRE LES ELEMENTS REFLECHISSANTS 1 ET 2. APPLICATION DANS LE DOMAINE DE L'OPTIQUE POUR CONTROLER LES SURFACES D'ELEMENTS OPTIQUES ET L'HOMOGENEITE DE MATERIAUX OPTIQUES.

Description

PROCEDE DE MESURE DE CHEMIN OPTIQUE ET

INTERFEROMETRE LASER POUR SA REALISATION

La présente invention s'applique dans le do-

maine des mesures, et plus particulièrement, des procédés de mesure du chemin optique de la lumière et concerne également les interféromètres laser pour réaliser ces procédés. L'invention peut être appliquée dans divers domaines: dans l'aérodynamique, lors des études des champs de densité d'un gaz au cours de son écoulement

dans des canaux ou sur un appareil volant; dans l'hydro-

mécanique, lors des études des ondess uperficielles ou du mouvement de liquides stratifiés; dans l'optique, pour contrôler la forme des surfaces d'éléments optiques et l'homogénéité des matériaux optiques; dans la mécanique et dans la construction mécanique, pour déterminer les

paramètres géométriques d'objets d'usage divers, les pa-

ramètres de leurs déplacements et déformations, ainsi que

dans d'autres domaines de la science et de la technique.

La présente invention peut être utilisée avec

une efficacité maximale dans les cas o l'on doit réali-

ser une mesure automatique de précision sans contact du chemin optique de la lumière ou d'une grandeur reliée à ce chemin optique d'une façon univoque en présence de

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sollicitations extérieures mécaniques, acoustiques, thermiques, etc.

Le chemin optique 6 de la lumière sur un inter-

valle du parcours suivi par un rayon de lumière est défi-

ni par la longueur géométrique " 2," de cet intervalle et par la répartition de l'indice de réfraction N du milieu

sur le parcours du rayon dans les limites de cet inter-

valle. 2 rrfl ( 1) o X est la longueur d'onde de la lumière Si la longueur géométrique Z de l'intervalle de parcours du faisceau de lumière est connue, le résultat de la mesure du chemin optique 6 de la lumière permet de déterminer l'indice de réfraction N moyen du milieu pour tout l'intervalle donné de parcours de la lumière Cet

indice, à son tour, permet de déterminer la masse volu-

mique moyenne d'un liquide ou d'un gaz, l'homogénéité de matériaux optiques ou d'une composition chimique, etc,

ainsi que la répartition de ces valeurs dans les direc-

tions perpendiculaires au-rayon de lumière et leurs va-

riations dans le temps.

Si l'on connaît la répartition de l'indice de réfraction N du milieu, le chemin optique 6 mesuré de la lumière permet de déterminer la longueur géométrique L de l'intervalle parcouru par la lumière et peut servir de base pour la détermination des paramètres géométriques de l'objet étudié et de son mouvement La mesure du chemin optique de la lumière est un problème actuel, bien

qu'assez complexe, de la technique moderne.

Il existe un grand nombre de procédés et de dispositifs pour mesurer le chemin optique de la lumière,

-qui utilisent: les phénomènes de diffraction, de réfrac-

254 154-4 ? -t

tion, d'interférence, la technique du laser et l'hologra-

phie, l'électronique et les moyens de calcul.

Il existe les méthodes des ombres de Dvorak et de Tepler pour localiser les variations du chemin optique en section transversale d'un faisceau de lumière (cf, par exemple, I Reinhardt "Contrôle de l'homogénéité des matériaux optiques", revue "Jenaer Rundschau" No 3, 1978, p 137) Dans le procédé de Dvorak, le milieu à étudier est placé entre une source de lumière de faible diamètre et un écran Une variation du chemin optique de la lumière sur son parcours à partir de la source jusqu'à

l'écran dans le sens-perpendiculaire au faisceau de lu-

mière,entraîne la variation de la direction de sa pro-

pagation Par conséquent, dans la zone de l'écran qui se situe sur le prolongement du rayon de lumière ayant

traversé une hétérogénéité optique, apparaissent des va-

riations de l'intensité de la lumière qui se trouvent en dépendance directe de la seconde dérivée a du chemin optique de la lumière sur une coordonnée spatiale

p=(x,y) dans la section transversale du faisceau de lu-

mière La relation précise entre l'intensité,et le chemin optique de la lumière est très complexe ce qui rend impossible l'obtention directe de données quantitatives

dans ce procédé.

Dans la méthode des ombres de Tepler, le fais-

ceau de lumière qui a traversé le milieu étudié est foca-

lisé jusqu'à obtenir l'image de la source de lumière et ensuite transformé jusqu'à l'apparition de l'image de l'objet étudié sur l'écran Dans le plan d'obtention de l'image de la source, on effectue une filtration optique et dans la plupart des cas, l'image sans distorsions de la source n'arrive pas à l'écran et les faisceaux de lumière qui ont subi une déviation sous l'action d'une hétérogénéité optique créent sur l'écran une image de cette hétérogénéité optique sous la forme d'un contour

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clair sur un fond sombre Ce procédé est sensible à la première dérivée du chemin optique de la lumière sur la coordonnée spatiale, autrement dit, au gradient du chemin optique dans la section du faisceau: grad 6 La valeur du gradient peut être fixée de façon partiellement quan- titative par la pose de filtres de lumière de zone ou de membranes à orifices multiples dans le plan de l'image de la source La précision de la mesure dans le procédé de Tepler est très faible et les études quantitatives du chemin optique dans les milieux optiques homogènes sont impossibles. Il existe des procédés de mesure du chemin optique de la lumière utilisant l'interférence de deux

*faisceaux de lumière dont l'un traverse le milieu à étu-

dier et l'autre, constituant le faisceau de référence traverse un milieu d'ordinaire homogène à indice de réfraction et longueur géométrique du parcours de la lumière connus On connaît également les interféromètres à double faisceau de Michelson, de Mach-Zehlnder, etc, pour réaliser ces procédés (cf, A A Michelson,Amer J. Sei, 22, 120, 1881; Phil Mag 13, 236, 1882, ainsi que L Zehnder, Z f Instrkde, 11, 275, 1891; L Mach,

Z.f Instrkde, 12, 89, 1892).

La lumière du faisceau de référence qui a par-

couru un intervallée connu de longueur qéométrique O, dans un milieu d'indice connu N acquiert un retard de o phase de l'onde de lumière égal au chemin optique d O de la lumière sur cet intervalle de références = 2 no Zo La lumière du faisceau de mesure est retardée en phase d'une valeur égale au chemin optique 6 de la lumière sur l'intervalle de mesure de longueur géométrique t dans le

milieu avec un indice de réfraction n Les faisceaux lu-

mineux de mesure et de référence sont mis en coïncidence par les fronts d'onde, ce qui conduit à leur interférence

-et il apparaît un tableau d'interférence avec réparti-

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tion périodique de l'intensité J (P) en section transver-

sale des faisceaux de mesure et de référence en interfé-

rence, cette répartition étant liée à la répartition du chemin optique de la' lumière dans la section du faisceau de mesure (p) = N (p) Z (p) par une relation: J(p) = JO(P) Il + cos 6 (p)-60 I O o P est le rayon vecteur des coordonnées des points en section transversale des faisceaux en interférence; JO (p) est la répartition de l'intensité moyenne de

l'image interférentielle.

L'image interférentielle se présente sous la forme d'une famille de franges alternées sombres (J(p) O) et claires lJ(p) = 2 JO(p)lqui sont les lignes de valeur égales de chemin optique 6 N(p) du faisceau lumineux de mesure

6 N<P) = 5 e EN = const, (N = O, 1, 2, +).

Les inconvénients communs à ces procédés et à ces interféromètres à deux faisceaux sont les suivants la variation de la différence d'es chemins optiques des faisceaux lumineux de mesure et de référence est de signe indéterminé

lé décodage de l'image interférentielle est com-

plexe, long et pénible à cause de la nécessité d'un enre-

gistrement photographique de cette image interférentielle suivi du décodage de l'interférogramme qui se fait dans la plupart des cas "manuellement", c'est-à-dire par le comptage visuel des franges d'interférence la faible précision de la mesure qui est due à la nécessité de mesurer l'intensité de la lumière dans le champ d'interférence ou bien la densité de noircissement

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de la couche de photoémulsion sur l'interférogramme, les résultats de ces mesures étant sensiblement influencés par l'irrégularité du rayonnement, par l'instabilité de l'intensité de la source de lumière, par l'encrassement du système optique de l'interféromètre, par des défauts

tels que le grain et la non-linéarité du matériau photo-

graphique, ainsi que par la présence d'un facteur subjec-

tif au décodage "manuel" de l'interférogramme, la valeur connue du chemin optique du faisceau lumineux de référence <S est d'obtention difficile, de même que la constance eri section transversale et dans le temps, du faisceau de référence surtout-si les mesures sont effectuées dans des conditions de fortes vibrations, de parasites acoustiques, de fluctuations des paramètres du milieu ambiant tels que:_ température, pression, densité, en présence des courants d'air, etc

la complexité et le coût élevé des systèmes opti-

ques des interféromètres à deux faisceaux qui assurent une stabilité suffisante, et surtout, des interféromètres

à grands champs à étudier.

Il existe un procédé de mesure du chemin opti-

que par interférence de deux faisceaux de lumière cohé-

rente, l'un de mesure et l'autre de référence, la vitesse angulaire optique de l'un étant décalée par rapport à celle-de l'autre d'une valeur donnée 9 se situant dans la gamme des fréquences radio Lors de l'enregistrement de

l'image interférentielle,on réalise une conversion photo-

électrique de la lumière interférée et on mesure la phase de la composante alternative du signal électrique obtenu, laquelle sert à évaluer le chemin optique du faisceau de

mesure Il existe également un interféromètre laser ser-

vantà réaliser ce procédé ( cf, par exemple, N A Massie,

-Applied Optics, 19, 1, 1980, pp 154 à 160).

Le procédé et le fonctionnement de l'interféro-

mètre consistent ensce qu'on crée à l'aide d'un laser et

2541447 X

d'un modulateur de fréquence optique un faisceau de lu-

mière cohérente à deux composantes, qu'on décale la vi-

tesse angulaire optique de l'une de ces composantes par rapport à la vitesse angulaire optique W Xde l'autre d'une valeur déterminée Q, on divise lesdites composantes de fréquences différentes de façon à obtenir un faisceau de référence et un faisceau de mesure, on fait parcourir au faisceau de mesure l'intervalle à étudier, alors que le faisceau de référence parcourt un intervalle sur lequel le chemin optique 60 est connu et ensuite, on réunit les faisceaux Le résultat de l'interférence de deux ondes de lumière de vitesses angulaires différents X et+SQ et de

phases différentes 6 O et 6 (p) est une image inter-

férentielle dont l'intensité en chaque point r est décrite par l'expression suivante J <pt) = JO(P) l + cos I St ( 5 (P)-6 &J

o t est le -temps.

Le signal électrique obtenu par conversion pho-

toélectrique de la lumière en ce point possède, comme on le déduit de l'expression précédente, une composante alternative de vitesse angulaire N égale à la différence des vitesses angulaires wet w+ Àet une phase égale à'la différence des phases A 6 = 6 (p) O des faisceaux en interférence. Un tel procédé n'exige pas un enregistrement photographique suivi du décodage de l'image Le résultat de la mesure de la phase du signal électrique peut être,

sorti en code numérique sur un dispositif de visualisa-

tion numérique ou être directement introduit dans un ordinateur, pour traiter les données en temps réel et les mémoriser La précision de la mesure de la phase du signal électrique par des moyens de mesure de phase par

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radio est très bonne, les mesures se font automatiquement sans acune influence d'un facteur subjectif ce qui rend également l'information sur le chemin optique plus précise et plus sûre Ce procédé permet de déterminer le signe de variation du chemin optique. Pourtant ce procédé et cet interféromètre ne

sont pas exempts d'inconvénients propres aux interféro-

mètres à deux faisceaux tels que complexité et coût considérable du système optique, nécessité d'assurer la

stabilité et l'insensibilité aux parasites dans des con-

ditions difficiles en présence de perturbations mécani-

ques, acoustiques, thermiques etc.

Il existe un procédé de mesure du chemin opti-

que par interférence de plusieurs faisceaux dans lequel on crée un faisceau de lumière cohérente à partir duquel on forme des faisceaux interférants de façon que chaque faisceau interférant suivant soit formé par séparation d'une partie de lumière du faisceau interférant précédent en laissant cette partie de lumière séparée parcourir le même intervalle à étudier, et on enregistre l'image interférentielle obtenue (cf, par exemple, M Born,

E.Wolf, Principles of Optics, Pergamon Press, 1968).

En général, cet intervalle à parcourir par la lumière est délimité par deux éléments réfléchissants dont les facteurs de réflexion sont inférieurs à 1 Le faisceau de lumière cohérente passe à travers le premier élément réfléchissant et parcourt l'intervalle donné jusqu'au deuxième élément réfléchissant, èn acquiérant un retard de phase 6 égal au chemin optique recherché sur cet intervalle Une partie de-la lumière avec retard de phase 6 traverse le deuxième élément réfléchissant, alors que l'autre partie de la lumière est réfléchie et parcourt de

nouveau l'intervalle donné jusqu'au premier élément ré-

fléchissant, en-acquiérant ainsi un retard de phase sup-

-plémentaire 6 Une partie de la lumière dont le retard

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de phase est de 2 Sressort, alors que la partie restante se réfléchit et parcourt de nouveau l'intervalle donné en

attaquant le deuxième élément réfléchissant avec un re-

tard de phase égal à 3 6 De nouveau, une partie de la lumière ressort, et la partie restante se réfléchit pour parcourir l'intervalle donné jusqu'au premier élément réfléchissant et vice versa, en obtenant à chaque passage

un retard de phase supplémentaire égal à 2 6 Une multi-

tude de faisceaux de lumière en interférence quitte l'in-

tervalle donné du parcours délimité par les éléments ré-

fléchissants tant du côté du premier élément réfléchis-

sant que du côté du deuxième élément réfléchissant Les phases des faisceaux successifs, dans l'ordre de division

des faisceaux, sont décalées de 2 &, alors que leurs am-

plitudes diminuent en progression géométrique La rela-

tion reliant l'intensité de la lumière interférée et le chemin optique sur l'intervalle donné du parcours de la

lumière est exprimée par une fonction périodique non si-

nusoldale avec une période A 6 = 21 r, alors que nombre

entier de périodes, c'est-à-dire l'ordre de l'interfé-

rence D = int ( est égal au nombre entier de-lon-

gueur d'ondes-n de la lumière dans l'intervalle donné et les coordonnées des points de la courbe traduisant la variation de l'intensité d'éclairement d"une frange d'interférence, constituent la partie fractionnaire de cette valeur du chemin optique d= 2 w(d_+ D) ( 2) Dans ce procédé de mesure du chemin optique de la lumière, tous les faisceaux en interférence parcourent

le même trajet optique et on n'a pas besoin d'un fais-

ceau de référence supplémentaire suivant un autre trajet.

A la différence des procédés utilisant une interférence à 2541447 t deux faisceaux, ce procédé n'introduit pas d'erreurs de

mesure dues à l'erreur de détermination et à l'instabi-

lité de la valeur de chemin optique du faisceau de réfé-

rence Le processus de mesure et l'interprétation des ré-

sultats s'en trouvent simplifiés.

Pourtant, l'ordre de l'interférence et la cour-

be traduisant la variation de l'internsité d'éclairement d'une frange d'interférence lors de la mesure des parties entière-et fractionnaire de la valeur de chemin optique sont déterminés soit pas comptage visuel du nombre de franges, soit par photométrie de l'image interférentielle

ou de sa présentation photographique en interféroqramme.

Dans le premier cas, des erreurs de caractère subjectif

sont possibles, alors que dans le deuxième cas apparais-

sent des erreurs dues au bruit de fond du courant d'ex-

ploration photographique et aux oscillations de l'inten-

sité de la lumière interférée provoquées par les facteurs perturbants extérieurs cités ci-dessus Il en résulte une précision et une fiabilité insuffisantes des mesures du

chemin optique.

En outre, la précision de la détermination de la partie fractionnaire est faible a cause d'une forme complexe, non sinusoïdale de la courbe de la frange d'interférence d'o il résulte que l'intensité mesurée de la lumière interférée varie considérablement lorsque la

valeur de chemin optique est très proche d'un nombre en-

tier et reste pratiquement invariable sur la plus grande partie de la frange d'interférence Sur cette partie de

frange, on n' a pas la possibilité d'identifier l'inten-

sité de la lumière interférée ni de déterminer le chemin optique Ceci limite la précision de la mesure de la

partie fractionnaire.

En outre, le procédé connu n'est pas sensible au signe de variation du chemin optique ce qui limite considérablement les possibilités du procédé lors des mesures de la répartition de la valeur de chemin optique en section transversale des faisceaux en interférence et

de la variation du chemin optique dans le temps -

Le décodage des interférogrammes obtenus par l'interférence à faisceaux multiples est aussi compliqué, pénible et long que dans le cas de l'utilisation de

l'interférence à deux faisceaux.

Le plus proche, par sa nature physique de l'interféromètre selon l'invention, ust un interféromètre à faisceaux multiples de Fabry-Perot ou de Fizeau qui

comporte une source de lumière cohére:nte sur l'axe opti-

que de laquelle sont installés, l'un en face de l'autre,

deux éléments réfléchissants, servant à créer des fais-

ceaux de lumière en interférence, et un enregistreur photoélectrique de l'image interférentielle obtenue (cf.

C.Fabry, A Perot, Ann Chim Phys, 16, 115, 1899).

Cet interféromètre laser présente tous les inconvénients propres audit procédé connu de mesure du chemin-optique utilisant l'interférence à faisceaux multiples On peut ajouter que l'interféromètre laser connu décrit ci-dessus ne permet pas d'automatiser le processus de mesure du chemin optique essentiellement à cause de sa faible immunité aux parasites lors de la mesure de la lumière interférée, de l'impossibilité de

déterminer le signe de variation de l'intensité en fonc-

tion du signe de variation de la valeur de chemin optique mesurée, d'un faible rapport signal/bruit de fond lors de l'étude de la répartition des valeurs de chemin optique

dans un grand champ de section des faisceaux en inter-

férence à haute résolution spatiale.

L'invention vise à créer un-tel procédé de me-

sure du chemin optique sur un intervalle -de parcours de

lumière déterminé, de la répartition des valeurs de che-

min optique dans la section du faisceau de lumière et de sa variation dans le temps, qui permettrait, à l'aide

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d'une interférence à faisceaux multiples, de réaliser avec une haute précision la conversion de l'information sur la valeur de chemin optique mesurée directement,en un code numérique et de traiter cette information en temps réel L'invention vise également à fournir un tel inter- féromètre laser pour réaliser ce procédé qui permettrait de mesurer avec une haute précision la valeur de chemin optique en tenant compte du signe de sa variation, ainsi que de réaliser une commande automatique du processus de détermination des variations de la valeur de chemin optique.

Le problème posé est résolu à l'aide d'un pro-

cédé de mesure du chemin optique sur un intervalle de parcours de la lumière consistant à créer un faisceau de

lumière cohérente qui sert à former une série de fais-

ceaux d'interférence, chaque faisceau lumineux d'interfé-

rence suivant étant formé en séparant une partie de la

lumière du faisceau d'interférence précédent et en fai-

sant parcourir à la partie de lumière séparée le même

intervalle, à faire coïncider les faisceaux d'interfé-

rence et à enregistrer l'image interférentielle obtenue, ledit procédé étant caractérisé en ce que l'on crée un

faisceau de lumière cohérente à deux composantes coliné-

aires de polarisations différentes indépendantes, l'on

décale la vitesse angulaire optique de l'une de ces com-

posantes par rapport à la vitesse angulaire optique de l'autre et l'on forme chaque faisceau de lumière suivant

à partir du faisceau précédent, dans chaque paire de com-

posantes de lumière, on transforme la polarisation d'une composante de la lumière en polarisation de la deuxième composante et la polarisation de la deuxième composante, en polarisation de la première composante, on met en coïncidence'des faisceaux lumineux en interférence en divisant leur lumière en deux faisceaux avec lesdites polarisations indépendantes,-et l'on enregistre l'image 2541447 l

interférentielle, on réalise la conversion photoélec-

trique de la lumières interférée de chacune de deux pola-

risations indépendantes séparément, et ensuite on mesure les phases des signaux électriques obtenus qui permettent de connaître la valeur de chemin optique sur l'interval-

le donné.

Ceci donne une possibilité, en utilisant une interférence à faisceaux multiples, de réaliser avec une bonne précision la transformation de l'information sur la valeur de chemin optique à mesurer sur l'intervalle donné

de parcours de la lumière directement en un code numéri-

que et de traiter ces informations en temps réel.

Il est utile, après cette transformation réci-

proque de la polarisation d'une paire de composantes de

la lumière, de supprimer la lumière d'une des polarisa-

tions mentionnées et de réaliser une conversion photo-

électrique de la lumière interférée avec l'autre polari-

sation. Ceci permet d'élever la linéarité de conversion

de la valeur du chemin optique mesurée en un code numé-

rique ce qui augmente la précision des mesures.

Il est également utile d'enregistrer les varia-

tions dans le temps des phases mesurées des composantes alternatives des signaux électriques, qui permettent de déterminer les variations dans le temps du chemin optique. Ceci permet de mesurer les variations dans le temps du chemin optique et d'étudier ainsi le déroulement dans le temps des processus qui sont caractérisés par les

variations du chemin optique.

Il est souhaitable de réaliser la conversion photoélectrique de la lumière interférée au moins en deux

points de l'image interférentielle et, suivant les résul-

tats des mesures de la phase des signaux électriques -obtenus en ces points, de déterminer la répartition des 2541,44 ? l valeurs de chemin optique en section transversale des

fa.isceaux en int-er Irence.

Ceci per-met dev msurur la r 6 l),rrtition des va-

leurs de chemin optique en section transversale des fais-

ceaux de lumière en interférence et d'étudier ainsi la

répartition des valeurs des grandeurs physiques caracté-

risées par le chemin optique de la lumière passant par un

objet à étudier.

Il est également souhaitable de mesurer les différences de phases des signaux électriques résultant de la conversion photoélectrique de la lumière interférée en des points différents-de l'image interférentielle, ces

différences de phase permettant de déterminer les gra-

dients du chemin optique de la lumière en section trans-

versale des faisceaux en interférence.

Ceci permet de localiser les irrégularités des

grandeurs physiques dans le champs de l'objet à étudier.

Il est possible de prédéterminer au moins une

valeur de consigne de la phase d'au moins un signal élec-

trique, à laquelle correspond au moins une valeur connue du chemin optique, de modifier ce chemin optique et, lorsque la phase du-signal de mesure obtenu au moins en un point de l'image interférentielleatteint l'une des valeurs de consigne de la phase,d'enregistrer la valeur de

ladite variation du chemin optique, ensuite, de déter-

miner le chemin optique recherché sur l'intervalle donné au point respectif p de la section transversale des faisceaux en interférence, puis de soustraire la valeur enregistrée de la variation du chemin optique à la valeur

connue du chemin optique.

Ceci permet d'augmenter la sensibilité et la

précision des mesures du chemin optique et de rendre pos-

sible une stabilisation et une régulation automatiques du

23541447 3

chemin optique sur l'intervalle donné ainsi que des va-

leurs physiques et des processus caractérisés par ce che-

min optique.

Il est avantageux de procéder comme suit créer un faisceau de lumière cohérente de longueur d'onde

connue et mesurer les phases des signaux électriques res-

pectifs, ensuite, modifier au moins une fois la longueur d'onde de la lumière cohérente d'une valeur également, connue et mesurer de nouveau les phases des signaux électriques respectifs, et ensuite déterminer le chemin

optique d'après le rapport des valeurs des phases mesu-

rées aux différentes longueurs d'ondes connues de la lumière. Ainsi, on peut déterminer à l'aide d'une série de mesures successives, la partie entière et la partie fractionnaire du chemin optique sur l'intervalle donné du

parcours de la lumière -

Il est aussi possible à la formation du fais-

ceau de lumière cohérente de créer une lumière avec au

moins deux valeurs connues des longueurs d'ondes, de réa-

liser une conversion photoélectrique de la lumière inter-

férée pour chaque longueur d'onde connue séparément et de mesurer les phases des signaux électriques respectifs,

ensuite, d'après le rapport des valeurs des phases mesu-

rées aux différentes longueurs d'ondes connues de la lu-

mière, de déterminer le chemin optique.

Ceci permet de déterminer aux instants donnés la partie entière et la partie fractionnaire d'un chemin

optique variable.

Le problème est également résolu à l'aide d'un interféromètre laser qui comporte, instaliés l'un derrière l'autre suivant la marche du rayon de lumière, un laser,au moins deux éléments réfléchissants délimitant

* un intervalle déterminé du parcours de la lumière et ser-

vant à former et à faire coïncider les faisceaux de 254144 ? t -16 lumière en interférence, ainsi qu'un enregistreur photo-

graphique de l'image interférentielle obtenue, ledit in-

terférométre étant caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif pourséparer deux composantes colinéaires de la lumière ayant des polarisations indépendantes et un dispositif pour décaler la fréquence optique de l'unedes

composantes par rapport à la fréquence optique de l'au-

tre, ces dispositifs étant installés entre le laser et

les éléments réfléchissants, un oscillat-eur pilote bran-

lfl ché sur le dispositif pour décaler la fréquence optique,

une lame biréfrinqente, placée entre los éléments réflé-

chissants, et un élément polarisant installé sur l'axe optique de la lumière interférée devant l'enregistreur

photographique qui se présente sous la forme d'un conver-

tisseur photoélectrique de la lumière interférée, ainsi qu'un bloc de mesure de la phase des signaux électriques

raccordé à ce convertisseur photoélectrique.

Un tel interféromètre permet de mesurer avec une haute précision le chemin optique sur un intervalle de

2 n parcours de la lumière délimité par les éléments ré-

fléchissants, et d'automatiser le processus de mesure, la construction de l'ensemble d'interférence étant très

simple -

Il-est utile que ledit dispositif pour isoler les composantes de la lumière, sépare les composantes de

la lumière avec polarisations circulaires dont les vec-

teurs du champ électrique sont de sens de rotation op-

posés. Ad-e Ceci permet de transformer d'une façon simple

le chemin optique mesuré en un code numérique.

Selon un autre mode de réalisation, l'inter-

féromètre lasur est muni d'une lame quart d'onde placée

sur le trajet de la lumière interférée en amont de l'élé-

ment polarisant, ledit dispositif pour séparer les compo-

santes de la lumière isolant des composantes ayant des 2541447 t

polarisations linéaires réciproquement perpendiculaires.

Ceci permet d'élargir les possibilités techno-

logiques de l'interférométrre.

Il est aussi utile de munir l'interféromètre laser d'un élément de séparation de lumière pour séparer les faisceaux de lumière en interférence réfléchis sur les éléments réfléchissants installés entre le dispositif

pour décaler la fréquence optique et les éléments réflé-

chissants, en aval duquel sont installés lesdits éléments polarisant et enregistreurs photographiques sur le trajet

de la lumière interférée réfléchie.

Ceci permet d'améliorer l'agencement de l'in-

terféromètre et d'élargir le domaine de son utilisation,

par exemple, en permettant d'étudier avec un tel inter-

-15 féromètre des objets opaques.

Le dispositif pour isoler les composantes de lumière peut séparer les composantes de lumière ayant

des polarisations linéaires réciproquement perpendicu-

laires. Ceci permet de transformer d'une façon simple le chemin optique mesuré en un code numérique lors de

l'étude des objets opaques.

L'interféromètre laser peut comporter une lame

quart d'onde placée sur le trajet de la lumière interfé-

rée en amont de l'élément polarisant, alors que ledit dispositif pour isoler les composantes de-la lumière doit

séparer les composantes de la lumière avec des polarisa-

tions circulaires à vecteurs de champ électrique ayant

des sens de rotation opposés.

Ceci permet d'élargir le domaine d'utilisation de l'interféromètre laser et, par exemple, de l'utiliser

pour étudier des objets à anisotropie optique.

Comme laser, comme dispositif pour séparer les composantes de lumière à polarisations circulaires et comme dispositif pour décaler la fréquence optique d'une

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des composantes-séparées, on peut utiliser un laser à

deux fréquences utilisant l'effet Zeeman.

Ceci permet de simplifier les ensembles servant à former le faisceau initial de la lumière cohérente ainsi que l'interféromètre lui-même. Le dispositif pour séparer les composantes de

la lumière avec polarisations linéaires peut être réa-

lisé sous la forme d'un interféromètre polarisant à deux

faisceaux dont un bras comporte le dispositif pour déca-

ler la fréquence optique.

Le dispositif pour décaler la fréquence optique

peut se présenter sous la forme d'un modulateur de fré-

quence électro-optique.

Le dispositif pour décaler la fréquence de la lumière peut se présenter sous la forme d'un modulateur

de fréquence opto-acoustique.

Ces dispositions permettent d'unifier les ensembles de l'interféromètre, de réduire son coût et

d'améliorer sa technologie -

L'interféromètre laser peut comporter un pola-

risateur installé entre les éléments réfléchissants après

la lame biréfringente.

Ceci permet d'améliorer la linéarité de la con-

version de la valeur du chemin optique en un code numé-

rique.

L'élément de polarisation peut se présenter sous la forme d'un polarisateur qui permet de diviser facilement la lumière des faisceaux en interférence en

faisceaux lumineux de différentes polarisations.

L'élément polarisant peut prendre la forme d'un séparateur de lumière polarisant servant à diviser le faisceau de lumière en deux faisceaux à polarisations linéaires réciproquement perpendiculaires, alors que l'enregistreur photographique peut être réalisé sous la forme de deux convertisseurs photoélectriques branchés 2541447 i

sur un bloc de mesure de phase, le premier desdits con-

vertisseurs étant installé sur l'axe optique de l'un des

faisceaux et l'autre, sur l'axe optique de l'autre.

Ceci permet d'augmenter l'efficacité de l'uti-

lisation de la lumière et de doubler la sensibilité de l'interféromôt Lru ce qui le rend plus économique tout en

améliorant la précision des mesures.

Lesdits éléments réfléchissants peuvent être installés à un intervalle donné l'un en face de l'autre sur un même axe, alors que la lame biréfringente peut

être une lame quart d'onde.

Ceci permet de former avec-plus de facilité les faisceaux en interférence et d' délimiter I'intervalle de

parcours de la lumière.

Il paraît rationnel d'installer au moins trois éléments réfléchissants aux angles d'une ligne brisée fermée constituant l'intervalle prédéterminé du parcours

de la lumière.

Ceci permet d'élargir les possibilités de l'interféromètre à la mesure du chemin optique sur un

intervalle o le parcours de la lumière n'est pas droit.

La lame biréfringente peut être une lame demi-

onde.

Ceci permet de transformer avec plus de facili-

té les polarisations des composantes de la lumière.

Les éléments réfléchissants peuvent être réa-

lisés sous la forme de miroirs à réflexion partielle,ce

qui peut contribuer à améliorer la faisabilité et à dimi-

nuer le coût des interféromètres créés.

Au moins l'un des éléments réfléchissants peut se présenter sous la forme d'un réseau de diffraction installé de f-açon à faire coïncider l'axe du faisceau de lumière de l'un des ordres de diffraction dudit réseau

254144 ? 1

avec l'axe reliant les éléments réfléchissants conjugués,

afin d'élargir les possibilités techniques de l'interfé-

romètre -

Il est également possible d'installer une lame biréfringente à proximité du réseau de diffraction et d'assurer une différence entre des déphasages des ondes de lumière passant par deux ordres de diffraction utiles,

égale à un quart d'onde.

Ceci permet d'assurer avec plus de facilité la

conversion des polarisations des composantes de la lumiè-

re en cas d'utilisation de réseaux de diffraction comme

éléments réfléchissants.

Le réseau de diffraction peut être réalisé sous la forme d'un hologramme, ce qui permet d'obtenir une

meilleure faisabilité et de réduire le coût de l'inter-

féromètre, tout en assurant la possibilité de compenser la répartition de la valeur du chemin optique de la lumière.

L'interféromètre laser peut comporter un sys-

tème optique pour étaler le faisceau de lumière, installé

devant les éléments réfléchissants.

Ceci permet d'obtenir la dimension voulue de la section des faisceaux lumineux en interférence lors de la mesure-de la répartition de la valeur du chemin optique

dans cette sectioin.

Il est possible de munir le convertisseur photoélectrique d'un dispositif pour réaliser le balayage de l'image interférentielle On peut ainsi mesurer la répartition de la valeur du chemin optique recherchée par déplacements successifs du convertisseur photoélectrique

sur les points déterminés de la section transversale.

L'interféromètre laser peut comporter un élé-

ment optique qui sépare une partie de la lumière-des

faisceaux en interférence, installé en amont de photo-

enregistreur, alors qu'un enregistreur photographique est

254144 ? I

installé sur l'axe optique du faisceau constitué par la

partie séparée de la lumière.

Cette particularité constructive permet d'enre-

gistrer les oscillations et l'irrégularité de phase du faisceau lumineux initial et de prendre en considération les variations générales pour l'image interférentielle toute entière de la répartition du chemin optique recherché.

Le convertisseur photoélectrique peut se pré-

senter sous la forme d'un photodétecteur unitaire.

Ceci permet de réaliser avec plus de facilité

la conversion du signal optique en-un signal électrique.

Le convertisseur photoélectrique peut être

réalisé sous la forme d'une matrice constituée par plu-

sieurs photodétecteurs branchés par l'intermédiaire d'un

commutateur sur un bloc de mesure de la phase.

Ceci assure une conversion simultanée du signal optique en un signal électrique en plusieurs points de la

section transversale des faisceaux en interférence.

Le convertisseur photoélectrique peut être réalisé sous la forme d'une matrice constituée par plusieurs photodétecteurs dont chacun est branché sur son

propre bloc de mesure de phase.

Ceci permet de réaliser une mesure simultanée du chemin optique en plusieurs points de la section

transversale des faisceaux en interférence -

Au moins l'un des photodétecteurs d'un enregis-

treur photographique auxiliaire peut être-branché au moins sur un bloc de mesure de phase de l'enregistreur

photographique principal.

Ceci permet de compenser les oscillations de phase de l'onde de lumière du faisceau initial en des points donnés de la section transversale des faisceaux en interférence. 2541447 j

L'interféromètre laser peut comporter un dis-

positif pour déplacer le faisceau de lumière parallèle-

ment à lui-même daàns deux directions réciproquement per-

pendiculaires, ce dispositif étant installé devant les éléments réfléchissants.

Ceci permet d'augmenter l'efficacité de l'uti-

lisation de la lumière, le rapport entre le signal élec-

trique obtenu et le bruit de fond, et d'assurer des me-

sures de précision constante sur toute la section trans-

versale des faisceaux en interférence.

Le dispositif pour déplacer le faisceau de lu-

mière peut être relié au dispositif de balayage de l'image interférentielle, ce qui permet d'augmenter la fiabilité du fonctionnement de l'interféromètre en régime

de balayage.

Le dispositif pour déplacer le faisceau de lu-

mière peut être relié à un commutateur, ce qui permet

d'améliorer la fiabilité du fonctionnement de l'interfé-

romètre comportant une matrice de photodétecteurs.

L'interféromètre laser peut comporter: au moins un dispositif pour modifier le chemin optique dans

l'intervalle à parcourir par la lumière,ce dispositif-

étant muni d'un détecteur de variation du chemin optique et étant installé entre les éléments réfléchissants, un bloc de consigne fournissant des valeurs de phases de consigne correspondant aux valeurs connues du chemin optique, un bloc de comparaison des phases-ayant ses

entrées branchées, respectivement, sur le-bloc de consi-

gne de valeurs de phases, et, au moins sur un bloc de mesure de phase approprié, et sa sortie, branchée au moins sur un dispositif modifiant le chemin optique dans l'intervalle à parcourir par la lumière, ainsi qu'un

dispositif calculateur branché sur le détecteur de varia-

tion du chemin optique et sur ledit bloc de consigne

fournissant les valeurs de phases de référence.

2541447 I

Ceci permet d'élargir les possibilités fonc-

tionnelles et le domaine d'utilisation de l'interféro-

mètre laser, en particulier, dans des systèmes de régu-

lation de processus agjissant sur le chemin optique -

L'interféromètre laser peut comporter un modu-

lateur d'intensité de lumière installé en'amont de l'en-

registreur photographique auxiliaire et un générateur d'impulsions électriques relié au modulateur d'intensité de lumière, l'enregistreur photographique auxiliaire de l'image interférentielle étant réalisé dans ce cas sous la forme d'un enregistreur de l'image du tableau d'interférence. Ceci élargit les possibilités fonctionnelles de l'interféromètre laser, rend ce dernier plus universel et en particulier, permet d'observer et de fixer l'image d'interférence simultanément avec les mesures du chemin optique.

Il est utile de coupler le générateur d'impul-

sions électriques à l'oscillateur pilote et de mettre en

* synchronisme leurs impulsions.

Ceci facilite le réglage et l'utilisation de l'interféromètre laser car il devient possible d'observer

visuellement l'image d'interférence.

La source de lumière cohérente peut avoir une longueur d'onde 'réglable, ce qui permet-de déterminer la partie entière et la partie fractionnaire du chemin optique. L'interféromètre laser peut aus*si comporter un ensemble optique pour diviser le faisceau de lumière

interférée en faisceaux séparés en fonction de la lon-

gueur d'onde et installé en aval de l'élément polarisant, et sur l'axe optique-de chaque faisceau séparé mentionné on peut installer son propre enregistreur photoélectrique,

de l'image interférentielle, la source do lumière cohé-

rente émettant de la lumière-avec au moins deux longueurs

d'ondes connues.

2541447 t tion et l'injection du faiscuau initial de lumière sous

un angle de diffraction palr rapport à l'un de ces ré-

seaux, conformément à l'invention;

la figure 13 b illustre le cas o le photoenre-

qistreur est installé-sur l'axe de l'un des faisceaux ayant subi la diffraction, conformément à l'invention la figure 14 représente un schéma de l'une des variantes d'exécution de l'interféromètrelaser dans lequel l'intervalle prédéterminé à parcourir par la lumière, se présente sous la forme d'une ligne brisée fermée formée par trois éléments réfléchissants installés aux angles de rebroussement de cette ligne, conformément à l'invention; la figure 15 représente la même chose pour une

variante o deux des éléments réfléchissants se présen-

tent sous la forme de réseaux de diffraction, conformément à l'invention; la figure 16 représente un schéma de l'une des variantes possibles de l'interféromètre laser pour mesurer la répartition de la valeur du chemin optique en section transversale des faisceaux en interférence, comportant un système optique pour étaler le faisceau initial, conformément à l'invention; la figure 17 illustre une partie enregistreuse

d'interféromètre laser avec un enregistreur photographi-

que auxiliaire pour exclure les distorsions de phase dans le faisceau initial, conformément à l'invention la figure 18 est un schéma plus détaillé du branchement d'une matrice de photodétecteurs au bloc de mesure de phase par l'intermédiaire d'un commutateur, conformément à l'invention; la figure 19 est un schéma illustrant de façon détaillée le branchement d'une matrice de photodétecteurs sur l'ensemble des blocs respectifs de mesure de phase, conformément à l'invention; 2541447 t la figure 20 représente un schéma de l'une des variantes d'exécution de l'interféromètre laser destiné à mesurer la répartition de la valeur-du chemin optique, conformément à l'invention la figure 21 représente un schéma synoptique d'une variant possible d'exécution de l'interférmètre

laser fonctionnant avec balayage de l'image interféren-

tielle par un mince pinceau de lumière et comportant un

convertisseur photoélectrique, conformément à l'inven-

tion; la figure 22 illustre l'utilisation d'une lentille pour diriger un mince pinceau de lumière sur un convertisseur photoélectrique immobile, conformément à l'invention; la figure 23 représente un schéma synoptique d'une variante possible d'exécution de l'interféromètre laser avec balayage de l'image interférentielle par un

mince pinceau de lumière utilisant une matrice de photo-

détecteurs et un commutateur, conformément à l'invention; la figure 24 représente un schéma d'utilisation d'un enregistreur photographique auxiliaire pour obtenir l'image statique du tableau d'interférence, conformément à l'invention la figure 25 représente un schéma d'exécution possible de l'ensemble optique de la partie enregistreuse pour séparer le faisceau de lumière d'interférence en faisceaux isolés en fonction des longueurs d'ondes,

conformément à l'invention.

Le procédé selon l'invention de mesure du che-

min optique sur un intervalle donné à parcourir par la lumière va maintenant être exposeé Une interférence à rayons multiples a lieu lorsqu'on mélange plusieurs, (plus de deux) faisceaux

colinéaires de lumière cohérente Ces faisceaux en inter-

férence se forment à partir d'un faisceau initial de lu-

mière cohérente de la façon suivante: chaque faisceau

254144 ? 1

d'interférence suivant est formé à partir du faisceau précédent par séparation d'une partie relative de lumière

à amplitude relative r et en faisant parcourir à la par-

tie séparée le même intervalle que le faisceau initial.

En ce cas, il se forme une série de faisceaux de lumière dont l'amplitude diminue en progression géométrique La

théorie de l'interférence des rayons multiples est exa-

minée en détail, par exemple, dans le livre de M Born,

E.Wolf Principles of Optics Pergamon Press, 1968.

L'essence du procédé proposé réside dans le

fait que le faisceau initial S' (fig 1) de lumière cohé-

rente est formé avec deux composantes colinéaires I et II de polarisations indépendantes a et et de vitesses angulaires différentes, respectivement W et W+ Q, qui diffèrent l'une de l'autre d'une valeur SQ se situant dans la gamme des fréquences radio Examinons un cas o les polarisations initiales des composantes de lumière

sont linéaires et réciproquement perpendiculaires Décri-

vons le champ électrique du faisceau de lumière initial sous la forme vectorielle à l'aide de la fonction Es du signal optique . (-t = -ist) o le membre supérieure de la fraction est représentatif

de la composante de polarisation a et le membre infé-

rieur, représentatif de la composante de polarisation e.

Admettons que le premier faisceau d'interférence est sé-

paré avec une amplitude relative r O et des polarisations invariables et prenons sa phase pour origine du comptage du retard de phase de l'onde lumineuse Chaque faisceau

2541447 1

suivant a une amplitude qui diffère de la précédente de r fois, le retard de phase supplémentaire est égal à 6 et

subit une modification de la polarisation.

Le signal optique EK du Kème faisceau lumi-

neux est décrit par le vecteur: SK= KOCK-i 1-i 5 (K-1)+ (-1)KI-(-1)K ia ror K -I) 1 ( (-1)K Les signaux optiques de tous les faisceaux en interférence sont additionnés:

CE = EK

K=l

et sont divisés en composantes S et Es d'après les pola-

risation a et B

K;( E) = (K Z

Comme à chaque passage les polarisations des composantes s'échangent,dans chacune des composantes Es

et ús sont additionnées les ondes de lumière alternative-

ment de la composante I à une vitesse anqulaire O et de la composante II à une vitesse angulaire(U + 52 Par

suite de l'interférence,dans chacune des composantes ap-

2541447 t paraissent les battements d'intensité de la lumière interférée à la vitesse S et avec une phase t dépendant du chemin

optique 6 de l'intervalle donné.

Examinons en détail une telle interférence à rayons multiples sur l'exemple de l'interféromètre de Fabry Pérot (fiq 2 a) l,L'intervalle à parcourir par la lumière est délimité par deux miroirs à réflexion partielle des éléments réfléchissants 1 et 2 installés à

une distance L l'un en face de l'autre, perpendiculaire-

ment à l'axe de coordonnée OZ Désignons par le symbole n l'indice de réfraction moyen pour cet intervalle Suivant la composante I, la distance optique 6 de l'intervalle

de parcours est égale à 2-n Pour mesurer sur l'in-

* tervalle donné Z, conformément à l'invention, on produit

-un faisceau initial S' en formant préalablement un fais-

ceau S de lumière cohérente avec la longueur d'onde qu'on sépare en deux éléments colinéaires I et II ayant la vitesse angulaire de lumière '3 _ 2 i C et les X

polarisations indépendantes différentes (linéaires ortho-

gonales a' et e' ou circulaire c et e dont les vecteurs du champ électrique ont des sens de rotation opposés) et on décale la fréquence optique de l'une des composantes isolées, par exemple, de la composante II, par rapport à la vitesse angulaire optique de l'autre composante (la composante I) d'une valeur Produit de cette manière, le faisceau initial S' de lumière décrit par le vecteur es est dirigé le long de l'axe OZ vers les surfaces réflectrices des éléments réfléchissants 1 et 2 ayant les coefficients d'amplitude de réflexion r 1, r 2 et de transmission T 1 et T 2,

2 = 2 2

respectivement (Tl + Y 1 = 1;T 2 +r 2 = 1).

A la réflexion multiple sur les éléments réflé-

chissantsl et 2 de la lumière allant dans les directions de transmission et de réflexion, il se forme deux séries de faisceaux d'interférence Dans la section o une lame 2541447 t biréfringente 3 est placée a lieu, à chaque passage, la conversion des polarisations linéaires en polarisations

circulaires et des polarisationscirculaires en polarisa-

tions linéaires.

Dans la direction de la lumière réfléchie,se

forme une série de faisceaux d'interférence avec poiari-

sations linéaires a' et B' présentées dans le tableau 1.

TABLEAU 1

N du Amplitude Multipli Fréquence optique de fais relative cateur la composante avec ceau Facteur polarisation de phase a

1 2 3 4 5

i ? r 1 2 r 2 -i 26 Ti 2 e Tl 2 2 (ri r 2) c-546 T 1 -e 2 2 e-i 465 T lr 2 rl-r 2)z e-int e-int i Rt e it e-int i (j:ilîPair e it (j:pai r) e-i 2 t (j: impair) 1 (j:pair) J T 2 r 2 (ri r 2 i -y(,-i 2 (j -1)

2541447 1

Dans la direction de la lumière transmise par les surfaces dés éléments réfléchissants 1 et 2 il se

forme une série de faisceaux avec polarisations circulai-

res aoet Roprésentée dans le tableau 2.

* Tabl:eau 2 N du Amplitude Facteur de Facteur exprimant la fais relative phase fréquence de lumière ceau avec polarisation a Ou

1

J Tl T 2 (r 1 r 2) J-1

T 1 T 2

T 1 T 2 (rl r 2) e 1 i 36 e-i 52 t e-içt e-içt -r 1 r 2 (r 1 r 2 '-i 56 T 1 T 2 ( ri r 2)e C Ir 2 (r, Y 2/ -i 76 1 i e i it

(j:impair) e-i t(j:impair-

(j:pair) 1 (j:pair)

De deux c 6 té de l'intervalle donné, les fais-

ceaux d'interférence sont mélangés La lumière des fais-

ceaux mélangés est divisée d'après les polarisations in-

dépendantes: la lumière des faisceaux réfléchis mélangés

est divisée en faisceaux Es et EX avec polarisations li-

néaires orthogonales et la lumière des faisceaux transmis

O O

mélangés est divisée en faisceaux c< ete avec polarisa-

tions circulaires opposées Avec chacun des faisceaux nouvellement formés on obtient une interférence d'une

série de faisceaux provenant de reflexions et transmis-

sions multiples et dans cette série un faisceau lumineux suivant est en retard de phase par rapport au précédent, ce retard étant égal au chemin optique double 2 M et dif- fère du faisceau précédent par sa vituss, angulaire qui prend alternativement les valeurs de&Met de W +, L'intensité J = E E * de la lumière interférée dépend du temps t et du chemin optique 6 sur l'intervalle donné: Dans la lumière transmise, les intensités JO (t,ô 6) JO (t,6) des composantes respectives de la lumière sont données par: JO(t,ô)=A( 6)+B( 6)CoslQt+ 26 + ( 6) i ( 3) Jo(t,d)=A( 6)+B( 6)Cosl 62 t-23-c P($)1 l Dans la lumière réfléchie, les intensités J& (t,6) et J(t,6) des composantes respectives sont donnés par: J'(t,6)= 1-A( 6)-B( 6)Cosl 2 t+ 26 +q( 6)l aj ( 3 ') J(t%)-1-A( 6)-B( 6)CoslQt+ 26- %( 6)l

Les valeurs-A ( 6), B ( 6) et O ( 6) sont les fonc-

tions périodiques du chemin optique 6 dépendant en para-

mètres des coefficients de réflexion 1 et r des surfaces des éléments réfléchissants 1 et 2 Sur la figure 3 sont représentées les courbes de variations des A( 6), B ( 6) et t( 6) en fonction dus pour différentes valeurs de r 1 et r 2. Les intensités JO O J O J et J' de la lumière

interférée pour chaque faisceau sont converties en si-

gnaux électriques La composante "continue" du signal électrique est proportionnelle à A( 6), l'amplitude de la composante alternative est proportionnelle à B( 6) et la phase de la composante alternative est égale à:

2541447 ?

2 Ij+ip 51) ( 4) Il découle des expressions( 3) et ( 3 ') et des

courbes de la figure 3 que lorsque les facteurs de ré-

flexion r et 2 sont petits, la composante "continue" et l'amplitude de la composante alternative du signal électrique varie peu avec les variations de & Dans la lumière réfléchie, la composante "continue" est proche de l'amplitude du signal, c'est-à-dire que la profondeur de la modulation du signal électrique est proche de 1 Dans la lumière transmise, la composante "continue" dépasse considérablement l'amplitude du signal ce qui fait que la profondeur de la modulation du signal est faible Dans ce cas, les distorsions de phase P ( 6) sont faibles et

l'équation ( 4) est sensiblement linéaire.

A l'augmentation des valeurs des coefficients r et r 2, les variations de la composante continue, de

l'amplitude ainsi que des distorsions de phase, augmen-

tent considérablement La profondeur de la modulation du signal obtenuepar une conversion photoélectrique de la lumière réfléchie interférée diminue, alors que celle du signal obtenu par la conversion photoélectrique de la lumière transmise interférée augmente La non-linéarité

de l'équation ( 4) augmente également. Afin de déterminer le chemin optique 6 sur l'intervalle donné,

conformément à l'invention, on mesure la phase 50 des signaux électriques obtenus et on trouve la valeur recherchée de 6 parrésolution de l'équation

( 4)8 = 5 (f).

Il faut faire attention au fait suivant: si

l'on isole du faisceau initial les polarisations circu-

lairesxoet 6 oaux vecteurs du champ électrique qui tournent

en sens opposés, les faisceaux en interférence de la lu-

mière réfléchie ont les polarisations circulaires a O et WO ce qui fait que la lumière des faisceaux réfléchis mélangés doit être divisée en composantes set Ec avec polarisations circulaires, alors que dans la lumière transmise ils ont les polarisa ions linéaires a ' et (' ce qui fait que la lumière des faisceaux transmis o o mélangés doit être divisée en composantes úaet Es avec polarisations linéaires La forme des signaux électriques et la séquence des opérations du procédé proposé ne

changent pas.

Une autre variante possible du procédé proposé

consiste en ce que, conformémt lnt à l'invention, on af-

fiche la valeur de phase de colnsigne e= 2 6 à la-

quelle correspond la valeur co(unuu dlu chemin optiquu 6 e On modifie le chemin optique 6 de l'intervalle, par exemple en déplaçant l'une des surfaces réflectrices ou en modifiant l'indice de réfraction sur un tronçon connu de l'intervalle donné, et on mesure la valeur de

variation du chemin optique de l'intervalle.

Simultanément, on mesure la phase t du signal électrique et on compare la valeur mesurée avec celle de consigne t Au moment de la coïncidence des valeurs mesurées > =, on enregistre la valeur respective A 6 de variation du chemin optique de l'invervalle à parcourir

par la lumière.

La valeur recherchée du chemin optique 6 est déterminée par soustraction de la valeur enregistrée Aâ e variation du chemin optique de la valeur connue 6 de ce dernier: =, = Ad ( 5) Cette variante du procédé proposé peut être utilisée pour réaliser un réglage automatique du chemin

optique 6 donné de l'intervalle à parcourir par la lumiè-

2541447 i

re I,o signal d'écart peut êltrr la valeur UI proportion-

nelle à la différence des phases comparées U-J'*.

Il découle de l'équation ( 4) qu'une variation ir du chemin optiqueâ correspond à une variation moyenne 27 de la phase Edes signaux électriques Ceci signifie que la sensibilité moyenne l_ 11 "oy de ce procédé est égale à 2. Pourtant, l non-lin 6,arité de l'équation ( 4) fait qu' ti Lour dus vadlur 6 m d Chelnill optique recherché m de l'intervalle égales à:

= 4 ( 21111 '), ( 6)

ou m est un nombre entier, la sensibilité ( a Y/ D 6)m peut dépasser de plusieurs fois la valeur moyenne ( D/D 6)MOY Par exemple dans lecasou moy le cas oả 0,4 et r = 1, à la mesure du chemin optique aux environs des points, la sensibilité dépasse deux fois sa valeur moyenne, autrement dit: __kp A 2 (_ 4 Da 6 moy Va 1/o Jy Cette particularité peut être utilisée pour augmenter la précision de la mesure du chemin optique, si dans la deuxième variantedécrite du procédé, on mesure au préalable la valeur de phase t du signal électrique et on prend pour la valeur de phase de consigne r l'une des valeurs ri 1 = 26 m =n/2 ( 2 m 1), notamment celle la plus

proche de la valeur T mesurée au préalable.

A la valeur de'consigne If= ym correspond la

valeur connue 6 m du chemin optique.

m La valeur recherchée 5 du chemin optique est déterminée par soustraction de la valeur enregistrée Ad de la variation de chemin optique de l'intervalle à la

valeur connue ô conformément à l'équation ( 5).

m L'inconstance des valeurs A( 6) et B( 6) ainsi que la non-linéarité de l'équation ( 4) peuvent devenir une source d'erreur dans la mesure du chemin optique, surtout dans les cas o les surfaces réfléchissantes

possèdent de hauts facteurs de réflexion.

Ceci n'a pas lieu lorsque, conformément à l'in-

vention, après une conversion réciproque des polarisa-

tions des composantes I et II de la lumière sur l'inter-

valle donné de son parcours, on supprime la lumière à une des' polarisations (fig 2 b) Les composantes I et II du

faisceau initial S' de lumière ont des polarisations cir-

culaires cf et e' Le premier faisceau réfléchi d'interfé-

rence comporte les deux composantes avec polarisations inchangées a' ete En aval de la section o se situe la lame biréfringente 3, les composantes de la lumière qui étaient transmises par la surface réfléchissante de l'élément réfléchissant 1 acquièrent des polarisations linéaires réciproquement perpendiculaires: la lumière avec polarisation initialeacacquiert la polarisation et

et la lumière avec polarisation initiale 5, la polari-

sation e' La composante de lumière à une des polarisa-

tions linéaires, par exemple a ', est supprimée et la surface de l'élément réfléchissant 2 n'est atteinte que

par une seule composante de lumière avec polarisation e'.

Une partie de celle-ci passe à travers la sur-

face de l'élément réfléchissant 2 et l'autre partie se réfléchit et durant le parcours en sens inverse subit

dans la section de la lame biréfringente 3 la conver-

sion de la polarisation linéaire s' en polarisation cir-

culairea dont le sens de rotation du vecteur du champ

électrique est opposé par rapport à la polarisation cir-

culaire initiales O de cette composante Une partie de la lumière de cette composante passe à travers la surface de l'élément réfléchissant-l en formant le deuxième faisceau

d'interférence La partie restante de la composante con-

sidérée de lumière subit durant son parcours de la source de l'élément réfléchissant 1 vers la surface de l'élément réfléchissant 2 une conversion de la polarisationa en

polarisation linéaire a', perpendiculaire à la polarisa-

tion linéaire e' de cette composante de lumière qui exis-

tait durant le premier passage de la lumière entre la surface de l'élément réfléchissant 1 et la surface de

l'élément réfléchissant 2 La lumière restante avec pola-

risation a' de la composante considérée est supprimée.

Ainsi, il n'existe qu'un seul faisceau de lumière trans-

mise et aucune image interférentielle n'apparaît.

Quant à la lumière réfléchie, on réalise le mé-

lange desdeux faisceaux de lumière formés et on divise la lumière avec différentes polarisations circulaires en deux faisceaux lumineux dont un ne comporte qu'une seule

composante de lumière et l'image interférentielle n'ap-

paraît pas, mais l'autre faisceau devient siège de

l'interférence à deux rayons.

La composante continue et l'amplitude de la composante alternative du signal électrique obtenu en cas

d'interférence à deux rayons ne dépend pas du chemin op-

tique S à l'intervalle donné et ne représente pas de source d'erreur La liaison de la valeur recherchée de S avec la phase du signal électrique Yest expriméepar un simple rapport linéaire:

C= 26 ( 7)

Cette équation est facilement résolue; 6 (f) = f/2 Dans ce cas, on n'observe pas d'élévation de la sensibilité, mais la dépendance linéaire \= 2 6 assure des mesures à précision égal dans toutu Id gamme des

variations de la valeur de chemin optique 6 sur l'inter-

valle donné. Si le chemin optique 6 à mesurer varie dans le temps ( 6 = 6 (t), la phase %f(t) des signaux électriques

obtenus varie parallèlement En mesurant et en enregis-

trant d'une façon continue les variations de la valeur

(t)en tant que fonction du temps, on étudie les varia-

tions du chemin optique en temps réel.

Dans un grand nombre de cas, il est très inté-

ressant d'étudier l'imaqe intcrférennticellc en tant que répartition bidimensionnelle du chemin optique 6 (p) = 6

(x, y) dans le plan des coordonnées OXY en section trans-

versale des faisceaux en interférence Dans ce cas, la conversion photoélectrique de la lumière interférée se fait en une multitude de points P) = (x, y) de l'image interférentielle, on mesure les valeurs des phases 7 (P)P (x, y) des signaux électriques obtenus en tous les points et suivant la répartition des valeurs des phases % (x, y) en section transversale des faisceaux en interférence, on trouve la répartition recherchée de la valeur de

chemin optique 6 (x, y) dans cette section.

Dans ce cas, si on mesure les différences de phases des paires de signaux correspondant aux paires de

points en section transversale choisis le long des direc-

tions présentant de l'intérêt sur l'interféerogramme, on obtient les valeurs des gradients du chemin optique le

long de ces directions.

On doit noter que la vialeur de, phase du signal, dans le sens auquel on l'entendait plus haut, est constituée dans le cas général du nombre entier F de cycles 2 Â et d'une partie fractionnaire f du cycle dans

des limites entre O et 2 f-

T = 2 if(F+f) ( 8) A la mesure de la phase du signal électrique, on détermine d'une façon univoque seulement la partie fractionnaire f, alors que le nombre entier F de cycles de la phase reste indéterminé. En substituant les expressions ( 2) et ( 8) à l'équation ( 4) ou ( 7) et en prenant en considération la périodicité de la grandeur O ( 6),on obtient la relation: F = 2 D et l'expression suivante pour le chemin optiques recherché: &= 277 (ú)-+Il: ( 9) O d(f) est la solution de l'équation ( 4) ou( 7)pour f =

et d= 6 '.

De telles mesures de la phase permettent de mesurer seulement les variations du chemin optique AM = d

dans le temps ou dans le champ de l'image interférentiel-

le Pour cela, les intervalles de temps entre les lectu-

res et les distances entre les points de mesure sont choisis de façon que les phases des signaux à mesurer diffèrent d'une valeur inférieureà 2 i et on réalise un comptage des cycles de phase dans les sens direct et inverse en fonction du signe de variation de la phase Y

Pour déterminer le nombre entier F de cycles d,.

phase du signal, on a proposé, conformément à l'inven-

tions, de réaliser additionnellement les mesures de la

partie fractionnaire f X de la phase du signal aux dif-

férentes longueurs d'ondes Xde la lumière cohérente Le nombre p de mesures auxiliaires et les longueurs d'ondes X supplémentaires sont définiespar l'étendue de la mesure ax du chemin optique et par l'erreur de mesurede la max

partie fractionnaire f du cycle de phase du signal.

Le procédé de mesure du chemin optique total sur l'intervalle à parcourir par la lumière consiste,

conformément à l'invention, dans les operations sui-

vantes: On produit un faisceau de lumière cohérente

avec une longueur d'onde O connue et on mesure la par-

o tie fractionnaire f O de la phase; On produit simultanément ou successivement p faisceaux de lumière cohérente avec des longueurs d'ondes

l O, À 2, À 3 ' A Xp répondant à la condi-

tion:

( 10)

1 p +)l J 1-X o P = int l 1 + In ( 6 Max /2 X)/ln ( 1/x)l, (int lal: max partie entière du nombre a), est défini par l'étendue max de mesure du chemin optique; max x < 1 est la valeur qui dépend de l'erreur de mesure de

la partie fractionnaire f du cycle.

On mesure pour chaque longueur d'onde la valeur f respective de la partie fractionnaire du cycle de la phase; On détermine la valeur Afj à l'aide de la formule: 1 fo-fi Afj fo " f j + -v( abs (f f 1) On détermine la valeur F à 'aide de la J formule: F = int ( _ Afj+l) j x 2 On détermine le nombre entier F = F+ 1 de p+ 1 cycles de la phase suivant la formule ( 11) ol p+i = p+ 1 f O; On trouve la valeur recherchée du chemin

2541447,

optique de l'intervalle,donnéc en utilisant la relation ( 9) 6 = 2 ' d(f 0) + 1 Fp

L'interféromètre laser selon l'invention réali-

sant le procédé selon l'invention de mesure du chemin optique sur l'intervalle donné comporte (fig 4):

un laser 4 qui produit un faisceau S de lu-

mière cohérente à une longueur d'onde ? connue; un dispositif 5, installé en aval du laser 4

suivant la marche du faisceau de lumière cohérente, ser-

vant à isoler deux composantes coliiiénaires 1 et II de la lumière avec polarisations indépendantes a et 8;

un dispositif 6 pour décaler la vitesse angu-

laire optique de l'une desdites composantes par rapport à la vitesse angulaire optique de l'autre composante d'une valeur N, ce dispositif étant installé en aval du laser 4 suivant la marche du faisceau S de lumière cohérente et fonctionnellement lié au dispositif 5; un oscillateur pilote 7 fournissant un signal

électronique à une fréquence radio,branché sur le disposi-

tif 6 de décalage de la vitesse angulaire optique; deux éléments réfléchissants 1 et 2 installés l'un en aval de l'autre suivant la marche du faisceau de lumière sur l'intervalle donné; et en face de l'autre,

et servant à produire une série de faisceaux d'interfé-

rence par réflexion multiple de la lumière entre eux; une lame biréfringente 3 installée entre les éléments réfléchissants 1 et 2 et servant à convertir

d'une façon réciproque les polarisations a et e desdi-

tes composantes I et II de la lumière;

un photoenregistreur 8 constitué par un con-

vertisseur photoélectrique quadratique 9, par exemple, une photocellule ou un photomultiplicateur, et un bloc 10 pour mesurer la phase du signal électrique de fréquence, branché sur la sortie du convertisseur photoélectrique 9; un élément polarisant 11 installé en amont de l'enregistreur photoélectrique 8 et servant à diriger

vers l'enregistreur photoélectrique une partie de la lu-

mière interférée de l'une des polarisations a ou; un dispositif calculateur 12 bran:hé sur l a sortie du bloc mesureur de phase 10.

L,'intert: roinmtru fonctionnl de 'la f;a;çon sui-

vante. Le faisceau S de lumière cohérente produit par

le laser 4 arrive d ns le dispositil 5 qui isole d(lu fais-

ceau S deux composantes I et II avec différentes polari-

sations inddpendantes a et: linéairus, réciproquement

perpendiculaires, ou circulaires, dont les vecteurs de -

rotation du champ électrique de la lumière sont opposés.

Le dispositif 6 réalise le décalage du la vitesse angulai-

re d'une des composantes, par exemple de la composante

II, d'une valeur a se situant dans la gamme des fréquen-

ces radio Le dispositif 5 divise les composantes I et II dans l'espace en faisceaux divers, mais après le décalage de la fréquence optique les faisceaux sont de nouveau superposés en section et en sens de propagation Il est

important de former après les dispositifs 5 et 6 un fais-

ceau S' avec deux composantes colinéaires I et II

dotées de polarisations indépendantes a et 3 et de vites-

ses angulaires différentes et X + Q Le faisceau S'

est soumis à une interférence due'à une réflexion multi-

ple sur les éléments 1 et 2 ce qui fait que, conformément

à la théorie, dans la lumière transmise et réfléchie in-

terférée apparaissent, à chaque polarisation des batte-

ments d'intensité à-la vitesse angulaire N et avec une phase T liées à la valeur recherchée 6 par l'équation ( 4). Le convertisseur photoélectrique 9 convertit les battements d'intensité en un signal électrique à une vitesse angulaire a dans la gaimne des fréquences radio et avec une phase T, alors que le bloc 10 mesure la phase

2541447.

dle ce sijnail lt, dli:,pu):iitil c'I ll L t U 1 12 trouve la,sol u-

tion de l' quation ( 4) qui est 11 ecllhlin optique 6 ro-

cheiche de l'intervalle donne à parcourir par la lumière.

délimlitc par les élémlents reúléehisslnts l et 2.

Le dispositif 5 peut-être r 3 talisé de façon à pouvoir isoler les comllposantes I e L 1 i de la lumière avec polarisations circulaires opposéesa ut f O par exemple,

si au lieu des dispositifs 4, 5 et 6 on utilise dans l'in-

teritr Olihtre propose un laser à deux l iquences à effet Zeeman pour isoler les composantes l et II de lumière et

décaler la fréquence de luuiire de l'unu des composantes.

Dans ce cas, les composantes I et II des faisceaux d'in-

terférence de la lumière qui a été transmise par les élé-

menllts retl-1 chissaii Lts 1 et 2,ontt les pol irisations li-

néaires a ' et 6 ' réciproquement perpendiculaires L'élé-

ment polarisant 11 divise le faisceau de lumière interfé-

rée en deux faisceaux avec polarisations linéaires indi-

quées a ' et '

Si le dispositif 5 est réalisé de façon à pou-

voir dégager les composantes I et II de lumière avec pola-

risations linéaires a ' et ' réciproquement perpendicu-

laires, par exemple sous la forme d'un interféromètre polarisant à deux faisceaux (comme il est décrit dans l'article de Massie N A publié dans la revue Applied Optics, vol 19, nq 1, 1980, pp 154-160),' les composantes des faisceaux en interférence de la lumière qui a été transmise par les éléments réfléchissants 1 et 2,ont les polarisations circulaires a O et f o Dans cette variante de l'interféromètre laser, on doit installer en amont de l'élément polarisant 11 une lame quart d'onde 13 (fig 5)

qui transforme les polarisations circulaires en polarisa-

tions lirnaires réciproquement perpendiculaires.

Il découle du procédé décrit plus haut que lors-

que les coefficients de transmission T 1 et t 2 des

éléments réfléchissants 1 et 2 sont grands, les batte-

ments d'intensité de la lumière interi:frée ont une faible profondeur de modulation Q=B/A ce qui fait que le rapport entre le signal électrique de fréquence radio et le bruit de fond est faible et, par conséquent, qlu'il apparaît une

grande erreur de mesure de la phase 4 du signal Aux fai-

bles coefficients de transmission T 1 et T 2 des élé- ments réfléchissants 1 et 2, on observe une non-linéarité importante du rapport ( 4) entre la phase f du signal électrique et le chemin optique 6 recherché de l'intervalle. Pour enregistrer l'image interférentielle en lumière réfléchie, entre le dispositif G pour décaler la fréquence optique et l'élément rtléclhissant 1,on place

un élément séparateur de lumière 14 pour séparer les fais-

ceaux de lumière en interférence, et l'élément polarisant 11 et l'enregistreur photoélectrique 8 sont mis sur l'axe

optique des faisceaux en interférence séparés par l'élé-

ment séparateur de lumière 14 Si les polarisations des composantes du faisceau initial S' sont linéaires, les

polarisations des composantes des faisceaux en interfé-

rence réfléchis sont également linéaires Dans ce cas, l'interféromètre doit avoir le schéma représenté sur la

figure 6.

Si les polarisations des composantes du fais-

ceau initial S' sont circulaires, les composantes des faisceaux en interférence réfléchis ont également les polarisations circulaires Dans ce cas, on doit installer en amont de l'élément polarisant 11 une lame quart d'onde

13 (cf fig 5).

L'élément polarisant 11 de l'une des variantes d'exécution se présente sous la forme d'un polarisateur qui laisse passer sur le photoenregistreur la lumière

interférée de l'une des polarisations linéaires indépen-

dantes a' ou ' indiquées et supprime la lumière avec

l'autre polarisation (fig 4 à 6).

L'élément polarisant 11 peut se présenter égale-

ment sous la forme d'un séparateur de lumière polarisant

11, par exemple d'un prisme de Glan, d'un prisme de Wol-

* laston, etc, qui divise le faisceau de lumière interfé-

rée en deux faisceaux avec polarisations linéaires a' et -e' réciproquement perpendiculaires Dans ce cas, l'en- registreur photoélectrique est réalisé sous la forme de deux convertisseurs photoélectriques 9 dont le premier est installé sur l'axe optique de l'un des faisceaux séparés et le second, sur l'axe optique de l'autre faisceau (fig 7) Il découle des expressions ( 3) et < 3 ') que les signaux électriques à fréquence radio obtenus par suite de la conversion photoélectrique de la lumière interférée desdits faisceaux séparés sont similaires, mais que leurs phases Ye ont des signes opposés Les deux convertisseurs photoélectriques'9 sont branchés sur un seul bloc de mesure de phase 10: l'un sur l'entrée de mesure, l'autre sur l'entrée de référence Dans ce cas, le résultat de la mesure de la phase dépasse deux fois la

valeur de la phase de chaque signal pris séparément.

Dans cette variante d'exécution de l'élément polarisant et de l'enregistreur photoélectrique, l'interféromètre laser a une double sensibilité par comparaison avec les

variantes de l'interféromètre laser décrit plus haut.

Il est connu qu'on peut élever la sensibilité de l'interféromètre en utilisant la non-linéarité de la relation ( 4) Un tel interféromètre (voir la figure 8) comporte

un dispositif 15 pour modifier le chemin op-

tique & de l'intervalle donné du parcours de la lumière avec un détecteur 16 permettant d'enregistrer la valeur Ad de cette modification; un bloc 17 pour fournir les valeurs de phase de consigne Yl* correspondant aux valeurs d* connues du chemin optique de l'intervalle, branché sur là sortie du bloc de mesure de phase 10; un bloc 18 pour comparer les phases mesurées

et de consigne dont les entrées sont respectivement bran-

chées sur le bloc 10 et sur le bloc 17 Le dispositif calculateur 12 est branché sur le détecteur 16 et sur le

bloc 17.

Dans cette variante, l'inteo ({:omètre laser

fonctionne de la façon suivante.

A l'état initial, le dispositif 15 se trouve dans un état neutre pour lequel l'intervalle doit trouver un chemin optique Le bloc 10 mesure la phase Ydu signal

électrique correspondant au chemin optique 6 de l'inter-

valle donné La valeur de la phase y arrive dans le bloc 17 qui impose la valeur ' + fm la plus proche de > et à laquelle correspond, conformément à l'expression ( 6), la

valeur d* = ô m connue du chemin optique de l'interval-

le La valeur de phase ? mesurée et la valeur de phase de

consigne y* attaquent l'entrée du bloc 18 de comparai-

son des phases Dans le bloc 18, les valeurs y et a*

sont comparées et il se produit un signal d'écart U pro-

portionnel à la différence des phases comparées: U^ T T* Sous l'action du signal d'écart U, le

dispositif 15 modifie le chemin optique de l'intervalle.

Simultanément, la valeur de phase du signal électrique à fréquence radio à la sortie du bloc 10 varie avec la valeur du signal d'écart U La modification du chemin optique de l'intervalle s'effectue jusqu'au moment o la valeur de la phase a à la sortie du bloc -10 devient égale à la valeur de la phase de consigne, et le signal d'écart U devient nul Sur le signal U = O fourni par le

bloc 18, le dispositif calculateur 12-réalise la soustrac-

tion depuis la valeur 6 * connue, correspondant à la valeur de phase de consigne,*, de la valeur AS de variation du chemin optique de l'intervalle enregistrée

par le détecteur 16.

Pour modifier le chemin optique de l'intervalle parcouru par la lumière, le dispositif 15 peut être réali sé sous la forme d'une cellule étanche 15 ' d'une longueur

connue et qui est installée entre les éléments réfléchis-

sants 1 et 2 et remplie, d'un gaz connu, avec un compres-

seur 15 " pour modifier à température constante la pres-

sion P du gaz dans la cellule Le détecteur 16 de modifi-

cation du chemin optique peut se présenter dans ce cas sous la forme d'un capteur de pression de gaz 16 '

(fig 9).

Le même dispositif 15 peut être réalisé sous la forme d'une cellule 15 III en un matériau connu, d'une longueur connue et d'un élément chauffant 15 installés entre les éléments réfléchissants 1 et 2 Le détecteur 16 peut se présenter dans ce cas sous la forme

d'un capteur de température T 16 " (fig 10).

Les blocs 17 et 18 peuvent être réalisés sous

la forme de dispositifs électroniques numérique ou analo-

giques autonomes, comme il est montré sur la figure 8,

mais leurs fonctions peuvent aussi être remplies directe-

ment par le dispositif calculateur 12, qui peut être un

ordinateur Le schéma d'un tel interféromètre est repré-

senté sur la figure 11.

Le dispositif décrit peut être utilisé avec succès pour stabiliser un chemin optique prédéterminé de l'intervalle parcouru par la lumière délimité par les

éléments réfléchissants 1 et 2.

Si l'on réalise les mesures du chemin optique

de l'intervalle donné par un interf 6 romètre-laser en uti-

lisant la fonction non linéaire ( 4), les différentes va-

leurs 6 seront mesurées avec des précisions différen-

tes Pour assurer le rapport linéaire ( 7), conformément à

l'invention, l'interféromètre laser comporte un polarisa-

teur 19 installé entre les éléments réfléchissants 1 et 2, en aval de lalame biréfringente 3 (fig l 2) Pour assurer un fonctionnement stable de cette variante de l'interféromètre, le dispositif 5 doit, à la formation du faisceau initial de lumière, isoler les polarisations circulaires à vecteurs de rotation du champ électrique

254144 ?

opposé Le premier faisceau d'interférence est dû à la réflexion sur l'élément réfléchissant 1 Au passage de la lumière à l'intérieur de l'intervalle donné à partir de l'élément réfléchissant 1 vers l'élément réfléchissant 2, les polarisations circulaires des composantes de la lu-

mière du faisceau initial se transforment en polarisa-

tions linéaires réciproquement perpendiculaires et une

composante est supprimée par le polarisateur 19 La deu-

xième composante revient vers l'élément 1 en subissant

dans la lame 2 la conversion de sa polarisation linéaire.

Une partie de la lumière de cette composante passe à tra-

vers l'élément 1 en formant le deuxième faisceau d'inter-

férence La partie restante de la lumière de la deuxième composante est supprimée au deuxième passage de l'élément

1 vers l'élément 2 Les premier et deuxième faisceaux ré-

fléchis sont mélangés en produisant une interférence à deux faisceaux; dans ce cas, la dépendance entre la phase y des battements d'intensité de la lumière interférée et le chemin optique 6 de l'intervalle,est linéaire et est

définie par l'expression ( 7).

Les éléments réfléchissants -1 et 2 délimitant

et déterminant ainsi l'intervalle à parcourir par la lu-

mière et formant des faisceaux d'interférencepeuvent -être installés, comme on a vu ci-dessus-(fig 4, 6, 8) pour les cas les plus simples, à une distance donnée l'un en face de l'autre sur le même-axe optique OZ du faisceau de lumière initial S' Les faisceaux d'interférence sont formés lors d'une réflexion multiple de la lumière dans

l'intervalle entre les surfaces réfléchissantes des élé-

ments réfléchissants 1 et 2 Les meilleures caractéristi-

ques de l'interféromètre, dans ce cas, sont obtenues lors-

que la lame biréfringente se présente sous la forme d'une lame quart d'onde En particulier, les éléments réfléchis-

sants 1 et 2 peuvent se présenter sous la forme des mi-

roirs partiellement réflecteurs plats ou de forme plus compliquée.

254144 ?

Au moins l'un des éléments réfléchissants 1 ou

2 peut se présenter sous la forme d'un réseau de diffrac-

tion 1 ' ou 2 ' installé de façon que l'axe du faisceau lumineux de l'un des ordres de diffraction coîncide avec l'axe sur lequel se trouvent les éléments réfléchissants. Le faisceau initial S' de lumière peut être introduit dans l'intervalle entre les réseaux de diffraction 1 ' et 2 ' soit à travers l'un des réseaux de diffraction 1 ' ou 2 ', comme dans le cas des miroirs (fig 4, 6), soit sous

1-Q l'angle de diffraction par rapport au réseau de diffrac-

tion 1 ' (fig 13 a) L'enregistreur photoélçctrique 8 peut être installé également soit sur l'axe du faisceau, comme dans le cas des surfaces réfléchissantes (fig 4, 6), soit sur l'axe d'un des faisceaux soumis à la diffraction

par le réseau de diffraction 2 ' (fig 13 b) Le fonctionne-

ment de l'interféromètre dans ce cas est le même que dans

lescas décrits ci-dessus.

Les éléments réfléchissants au nombre de trois ( 1, 2 et 2 ") et plus peuvent être installés aux angles d'une ligne brisée fermée, représentant un intervalle

déterminé de parcours de la lumière (fig 14) Le fais-

ceau de lumière initial passe à travers l'élément 1 par-

tiellement réfléchissant et ensuite, effectue un parcours suivant la ligne brisée fermée dans un seul sens en se

réfléchissant successivement sur les éléments 2, 2 " et 1.

A chaque passage, la lumière acquiert un déphasage supplé-

mentaire de l'onde de lumière égale au chemin optique_ 6 de

la ligne brisée fermée et subit une conversion de la pola-

risation due à la lame biréfringente 3 A chaque passage, une partie de la lumière séparée par l'élément 1 quitte l'intervalle fermé en formant un faisceau d'interférence suivant L'enregistreur photoélectrique 8 est installé

sur l'axe des faisceaux d'interférence quittant l'inter-

valle fermé Dans cette variante d'exécution, les meil-

leures caractéristiques de l'interféromètre sont obtenues

dans le cas o la lame biréfringente est une lame X/2.

Le réseau de diffraction 1 ' et 2 ' utilisé en tant qu'élément réfléchissant 1 ou 2 dans cette variante d'exécution de l'intervalle déterminé de parcours de la lumière, est installé de telle façon que le faisceau de lumière réfléchi selon l'un des ordres de diffraction,

par exemple le premier, arrive sur l'élément réfléchis-

sant suivant selon la marche du faisceau de lumière, no-

tamment, sur le troisième élément réfléchissant 2 " (fig.

15).

Examinons le fonctionnement de l'interféromètre

dont le schéma est présenté sur la figure 15 Comme pre-

mier élément réfléchissant 1, on utilise un réseau de

diffraction 1 ' partiellement transparent En face du ré-

seau 1 ' est installé le deuxième élément réfléchissant

sous la forme d'un réseau de diffraction réflecteur 2 '.

Comme troisième élément réfléchissant 2 ", on peut utili-

ser une surface de glace totalement réfléchissante.

Le faisceau lumineux initial S' passe à travers le réseau transparent 1 ' et se divise en une série de faisceaux de diffraction Le faisceau d'ordre zéro passe vers le réseau réflecteur 2 ' o il est de nouveau divisé

en une série de faisceaux d'ordres croissants Le fais-

ceau du premier ordre de diffraction fourni par le réseau 2 ' arrive sur le troisième élément réfléchissant 2 ", s'y réfléchit et revient en faisceau incident sur le réseau 1 ' sous un angle de diffraction d'ordre 1 En interaction avec le réseau 1 ', le'faisceau est de nouveau divisé en une série de faisceaux de diffraction dont une partie quitte l'intervalle donné en traversant le réseau 1 ', alors que l'autre partie s'y réfléchit Réfléchi sur le

réseau 1 ', le faisceau d'ordre l suit le parcours du fais-

ceau initial d'ordre zéro et son parcours se répète de

façon multiple.

La lame biréfringente 3 est soit une lame À/2, si elle laisse passer seulement les faisceaux d'un seul ordre de diffraction, soit une lame ayant une différence de déphasage des ondes de lumière selon deux degrés de travail, par exemple dans l'ordre zéro et dans l'ordre 1,

égale à A/4-dans le cas o la lame 3 est installée à pro-

ximité de l'un des réseaux de diffraction.

Dans chaque faisceau de diffraction qui a quit-

té l'intervalle à travers le réseau 1 ', on observe une

interférence de lumière à rayons multiples décrite par la-

théorie du procédé proposé L'enregistreur photoélectri-

que 8 de l'image interférentielle à rayons multiples peut être disposé sur l'axe de parcours d'un ou de plusieurs

faisceaux de diffraction.

Un tel schéma d'organisation de l'intervalle donné de parcours de la lumière peut être utilisé dans le *cas o on a besoin de mesurer le chemin optique sur un intervalle curviligne ou de faire passer le faisceau de

lumière suivant l'intervalle donné dans un seul sens.

Pour les réseaux de diffraction 1 ' et 2 ', on

peut utiliser, par exemple, des hologrammes.

Dans la plupart de problèmes résolus à l'aide

de l'interféromètre, on doit mesurer la forme ou la défor-

mation du front d'onde de lumière qui a parcouru l'inter-

valle donné, autrement dit on doit mesurer les chemins optiques de l'intervalle donné suivant la marche des rayons passant par les points déterminés P (x, y) de la

section transversale des faisceaux en interférence.

Ce problème est résolu par l'interféromètre laser proposé qui, conformément à l'invention, comporte un système optique 20 pour étaler le faisceau de lumière initial S' installé devant les éléments réfléchissants

(fig 16).

Dans ce cas, l'enregistreur photographique doit

avoir la possibilité de transformer l'intensité de la lu-

miëre interférée aux différents points de la section des faisceaux en interférence A cet effet le convertisseur photoélectrique 9 est muni d'un dispositif de balayage 21 de l'image interférentielle (fig 16) Ce dispositif de balayage 21 peut se présenter sous la forme d'un ensemble mécanique destiné à déplacer le convertisseur photoélec- trique par les points de l'image interféruntielle, soit

d'un déflecteur optoélectronique ou acoustique, d'un ana-

lyseur, etc. Le signal de référence à li mesure de la phase

du signal électrique est un signal fourni par l'oscilla-

teur pilote 7 Le dispositif 5 isolant les composantes de

lumière du faisceau initial S' et le dispositif 6 déca-

lant la fréquence optique de l'une des composantes peu-

vent alors être à l'origine de l'erreur altérant le résul-

tat des mesures de phase Les composantes systématiques

d'une telle erreur sont supprimées à l'étalonnage ini-

tial, mais des perturbations accidentelles de phase surve-

nant lors du balayage de l'image interférentielle provo-

quent des distorsions de la répartition mesurée de la

valeur de chemin optique de l'intervalle.

Afin de supprimer cette perturbation, l'interfé-

romètre laser comporte un élément optique séparateur de lumière 22 installé devant l'enregistreur photographique 8, servant à séparer une partie de la lumière interférée renvoyée vers un enregistreur photographique auxiliaire

23, ce dernier étant constitué par un convertisseur photo-

électrique auxiliaire 24 et un bloc de mesure de phase auxiliaire 25 (fig 17) Le signal électrique fourni par le convertisseur photoélectrique auxiliaire 24 peut être utilisé en signal de référence pour mesurer la phase par le bloc 10 de l'enregistreur photographique principal La

suppression des perturbations de la phase peut être égale-

ment réalisée par le dispositif calculateur 12 qui sous-.

trait les résultats des mesures de phases réalisé par le photoenregistreur auxiliaire 23 de ceux réalisés par le

photoenregistreur principal 8, si le même signal est uti-

lisé à la mesure desdites phases pour les blocs 10 et 25, tel que par exemple, le signal fourni par l'oscillateur

pilote 7.

Le convertisseur photoélectrique principal 9, tout comme le convertisseur photoélectrique auxiliaire

24, peut se présenter sous la forme d'un détecteur photo-

électrique quadratique unitaire 9 ' et 24 ', par exemple un photomultiplicateur ou une photodiode, qui réalise la 1 o conversion de la lumière interférée en une série de

points de l'image interférentielle d'une façon séquen-

tielle au fur et à mesure du balayage.

Le convertisseur photoélectrique principal 9 et le convertisseur photoélectrique auxiliaire 24 peuvent

être réalisés sous la forme d'une matrice 26 et 26 ' cons-

tituée par plusieurs photodétecteurs 9 ' ou 24 ', alors que les sorties de tous les photodétecteurs sont branchés sur le bloc 10 ou 25 de mesure de phase par l'intermédiaire d'un commutateur 27 de signaux électriques Le balayage de l'image interférentielle est effectué, en plus des moyens de balayage décrits plus haut, par le commutateur 27 du photoenregistreur principal par commutation des

signaux de sortie fournis par les photodétecteurs unitai-

res 9 ' (fig 18).

Un tel interféromètre peut servir pour mesurer le chemin optique de l'intervalle en statique ou au cours

des modifications stables.

Pour mesurer le chemin optique de l'intervalle lors des modifications transitoires, la sortie de chaque détecteur photoélectrique unitaire 9 ' de la matrice 26 est branchée sur son propre bloc principal 10 ' de mesure de

phase (fig 19), alors que la sortie de chaque photodétec-

teur unitaire 24 ' de la matrice auxiliaire 26 ' peut être branchée sur son propre bloc auxiliaire 25 ' de mesure de phase (fig 20) Un système multivoies de mesure de phase

28 mesure simultanément les phases des signaux correspon-

dant à une série de points de l'image interférentielle.

L'enregistrement des valeurs des phases peut se faire simultanément sur un signal de synchronisation extérieur fourni par un temporisateur, par le dispositif calcula- teur 12 ou par toute autre source Ces valeurs de phases sont introduites dans le dispositif calculateur 12 et donnent un tableau de répartition instantanée du chemin

optique de l'intervalle en section transversale des fais-

ceaux en interférence.

Les mesures de la phase par les blocs 10, 10 ', et 25 ' peuvent se faire par rapport au signal fourni par l'oscillateur pilote 7 A cet effet, les entrées de référence des blocs doivent être branchées sur la sortie dudit oscillateur pilote 7 En outre, il est utile de

mesurer les phases des signaux fournis par certains pho-

todétecteurs 9 ' de l'enregistreur photoélectrique princi-

pal 8 par rapport à un ou à plusieurs signaux fournis

par les photodétecteurs 24 ' de la matrice 26 ' de l'enre-

gistreur photoélectrique auxiliaire 23 A cet effet, au moins un photodétecteur unitaire 24 ' de l'enregistreur photoélectrique auxiliaire 23 doit être branché au moins

sur un bloc 10 ' de mesure de phase de l'enregistreur pho-

toélectrique principal 8 La meilleure variante d'un tel

interféromètre est représentée sur la figure 20.

Si l'interféromètre comporte au moins un dispo-

sitif 15 modifiant le chemin optique de l'intervalle, un détecteur 16 de variation du chemin optique, un bloc 17

fournissant la phase de consigne et un bloc 18 de compa-

raison des phases reliés suivant le schéma décrit plus haut (fig 8) au moins à l'un des photodétecteurs, on

peut effectuer la stabilisation de l'image interféren-

tielle au moins en un point correspondant à la position

dudit photodétecteur.

41447

A la mesure de la répartition du chemin optique de l'intervalle en section transversale des faisceaux de grand-diamètre en interférence, mesure réalisée avec une

haute résolution dans le champ de l'image interférentiel-

s le, le convertisseur photoélectrique 9 reçoit peu de lu-

mière ce qui fait qu'à la sortie,on obtient un faible rapport entre le signal de fréquence radio utile et le bruit de fond Ceci entraîne une erreur importante à la

mesure de la phase t En outre, le faisceau de rayon-

nement du laser 4 a un profil d'intensité en section pro-

che de la courbe de Gauss C'est pourquoi l'intensité moyenne de la lumière interférée en section des faisceaux en interférence varie fortement d'un point à l'autre Il y a par conséquent une grande différence de précision à la mesure de la phase au centre et à la périphérie de

l'image interférentielle.

Afin d'élever la précision de la mesure du che-

min optique de l'intervalle et d'assurer les mesures avec

la même précision dans tout le champ de l'image interfé-

rentièelle,-l'interféromètre laser comporte, conformément à l'invention, un dispositif 29 pour déplacer le faisceau initial S' de lumière parallèlement à lui-même dans deux

directions réciproquement perpendiculaires X et Y perpen-

diculaires à l'axe OZ-du faisceau {fig 21) Ce disposi-

tif est installé entre les dispositifs 5 et 6 formant le

faisceau initial d'un côté et les éléments réfléchis-

sants 1 et 2 de l'autre côté Au déplacement du faisceau S' soumis à un déplacement parallèlement à lui-même, le front d'onde de la lumière reste toujours parallèle à un plan représentant le front d'onde d'un faisceau large soumis-à un déplacement parallèle La répartition des phases t(P) = <(x, y) des battements d'intensité de la lumière interférée reste la même que dans le cas d'un

faisceau large fixe soumis à un déplacement parallèle.

Pourtant, la densité du flux lumineux aux points de limage interférentielle balayés par un mince pinceau de lumière est des dizaines ou des centaines de fois plus forte, c'est pourquoi le rapport signal/bruit à la sortie

du convertisseur photoélectrique est aussi plus élevé.

La lumière du mince pinceau de balayage peut être dirigée sur le convertisseur photoélectrique, par

exemple, par un objectif convergent 30 installé à la dis-

tance focale de l'enregistreur photoélectrique (fig 22).

Le-mince pinceau de balayage de la lumière interférée peut tomber directement sur le convertisseur

photoélectrique 9 si le dispositif 29 déplaçant le fais-

ceau de lumière parallèlement à lui-même est lié lors de son mouvement au dispositif de balayage 21 de l'image

interférentielle (fig 21).

Dans le cas o le convertisseur photoélectrique 9 de l'enregistreur photoélectrique 8 se présente sous la

forme de la matrice 26 constituée de plusieurs photodé-

tecteurs unitaires 9 ' branchés sur le bloc de mesure de phase par l'intermédiaire du commutateur 27, il est utile de relier le dispositif 29, pour déplacer le faisceau de

lumière,au commutateur 27 afin d'assurer leur fonction-

nement conjugué (fig 23)-.

Au réglage de l'interféromètre laser et lors

des mesures, il s-' avère souvent qu'il faut observer vi-

suellement l'image interférentielle ou l'enregistrer.

Pourtant les battements d'intensité de la lumière ont une très haute fréquence et l'image interférentielle reste invisible Afin d'assurer la possibilité d'enregistrer

l'image du tableau d'interférence, l'interféromètre com-

porte un modulateur d'intensité de lumière 31 installé devant'l'enregistreur photoélectrique auxiliaire 23 et un

générateur d'impulsions électriques 32 branché sur le mo-

dulateur d'intensité-de lumière 31 Dans ce cas, l'enre-

gistreur photoélectrique auxiliaire 23 est réalisé sous-

la forme d'un enregistreur 23 de l'image du tableau

d'interférence (fig 24).

254144 ?

Afin d'observer visuellement l'image interfé-

rentielle en statique, le générateur d'impulsions électriques 32 est relié à l'oscillateur pilote 7 et ils sont synchronisés quant à la fréquence de répétition des impulsions (fig 24) L'image interférentielle dont les

franges sont en mouvement continu est projetée sur l'en-

registreur photoélectrique 23 seulement aux instants o les franges en se déplaçant d'un pas occupent la même position Par suite d'une telle fixation, l'enregistreur

* photoélectrique reçoit une image interférentielle immobi-

le qui peut être observé visuellement ou,à l'aide de

moyens vidéo, ou peut être photographiée, etc Pour aug-

menter la stabilité de l'image interférentielle observée, le générateur d'impulsions électriques 32 peut être

relié à l'un des photodétecteurs 9 ' ou 24 '.

Le bloc de mesure de phase 10 permet de mesurer

la phase du signal électrique dans les limites d'une pé-

riode, c'est-à-dire, la partie fractionnaire f de la valeur recherchée de la phase Dans ce cas, tous les interféromètres laser décrits permettent de mesurer un chemin optique de l'intervalle donné du parcours de la lumière qui ne dépasse pas une période entière de longueur

d'onde de la lumière dans le milieu remplissant l'inter-

valle donné ainsi que les modifications du chemin optique recherché dans de larges limites à condition qu'on effectue une poursuite continue des variations de phase et qu'on réalise un comptage du nombre de cycles de phase dans le sens direct ou inverse en fonction du signe des

variations de phase.

Pour déterminer le nombre entier D = int( 6 /25 12) de périodes d'onde dans l'intervalle donné ce qui, avec la mesure de la partie fractionnaire d conformément à

l'expression ( 2), donne la valeur totale du chemin opti-

que sur l'intervalle donné dans une large étendue 6 4 5 l'interféromètre laser comporte, conformément à max ' l'invention, le laser 4 avec la longueur d'onde X réglable de la lumière émise (fig 4) La gamme de réglage doit assurer la production d'un faisceau de lumière cohérente avec des longueurs d'ondes de À O à alors que l'erreur relative 5 i\/A du réglage de la longueur d'onde À ne doit pas dépasser la valeur xid J max Les longueurs d'onde nécessaires À du rayonnement sont introduites d'une façon séquentielle et la mesure des parties fractionnaires f du cycle de la phase se fait J

également d'une façon séquentielle.

S'il est nécessaire de réaliser simultanément les mesures de fj sur toutes les longueurs d'onde À simultanément, le laser 4 doit avoir la possibilité d'émettre la lumière de toutes les longueurs d'ondes

6, Ap indiquées simultanémentOutre cela, un tel -

interféromètre laser comporte un ensemble optique 33 pour diviser le faisceau de lumière interférée en faisceaux isolés en fonction des longueurs d'ondes À et sur l'axe J optique de chaque faisceau isolé est installé un enregistreur photoélectrique principal approprié 8 comportant un convertisseur photoélectrique principal 9 et un bloc 10 de mesure de phase branché sur le dispositif calculateur 12 (fig 25) Les résultats de mesure des parties fractionnaires fj sont introduits dans ,le dispositif calculateur qui réalise le calcul conformément au procédé décrit, du nombre entier D d'ondes de lumière dans l'intervalle donné du parcours de la lumière et l'addition suivant la formule ( 2) du nombre D à-la partie fractionnaire d également déterminée par le dispositif calculateur 12 à partir des résultats de * mesure de la partie fractionnaire f O du cycle de la phase correspondant à la longueur d'onde Le procédé de mesure du chemin optique sur

l'intervalle donné parcouru par la lumière selon l'inven-

tion permet, pour la première fois dans -la pratique de telles mesures, de déterminer directement en temps réel le chemin optique entre les deux éléments réfléchissants avec obtention du résultat sous la forme numérique, le dispositif selon l'invention mettant en oeuvre le procédé étant caractérisé par une simplicité maximale de cons- truction, une haute stabilité, un réglage facile et par

une faible sensibilité aux perturbations extérieures.

Le procédé selon l'invention ouvre des perspec-

tives pour créer une nouvelle classe d'interféromètres laser à faisceaux multiples numériques travaillant en

temps réel, permettant de résoudre avec une haute préci-

sion et un haut rendement les problèmes de mesure des distances, des déplacements, de la densité optique des

milieux transparents, d'intervenir dans la commande auto-

matique de processus dans lesquels le chemin optique sur un intervalle déterminé peut servir de paramètre de contrôle. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes, accessibles à l'homme

de l'art, sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'inven-

tion.

Claims

REVENDICATIONS

1 Procédé de mesure du chemin optique ( 6) sur un intervalle-déterminé parcouru par la lumière consistant à créer un faisceau (S) de lumière cohérente à partir duquel on forme une série de faisceaux d'inter-

férence, chaque faisceau lumineux d'inteirférence sui-

vant étant formé en séparant une partie de la lumière

du faisceau d'interférence précédent et en faisant par-

courir à la partie de lumière séparée le même inter-

valle, à faire coïncider les faisceaux en interférence

et à enregistrer l'image interférentielle obtenue, ca-

ractérisé en ce que l'on crée un faisceau de lumière cohérente à deux composantes colinéaires (I et II) de polarisations différentes indépendantes ( aet À), l'on décale la vitesse angulaire optique (w + n) de l'une de

ces composantes par rapport à la vitesse-angulaire opti-

que (? de l'autre composante et, l'on forme chaque

faisceau de lumière suivant à partir du faisceau précé-

dent, dans chaque paire de composantes de lumière, on transforme la polarisation (a) d'une composante de la lumière en polarisation (<) de la deuxième composante

de lumière et la polarisation (<) de la deuxième comipo-

sante de lumière en polarisation (a) de la première

composante de lumière, on met en coïncidence des fais-

ceaux en interférence en divisant leur lumière en deux

faisceaux possédant respectivement lesdites polarisa-

tions indépendantes ( a et g) et l'on enregistre l'image interférentielle, on réalise une conversion photoélectrique de la lumière interférée de chacune des

deux polarisations indépendantes séparément, et ensui-

te, on mesure les phases (y) des signaux électriques obtenus qui permettent de connaître la valeur du chemin

optique ( 6) sur l'intervalle donné.

2 Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'après la transformation réciproque des pola-

risations ( aet B) d'une paire de composantes (I et II)

de lumière, on supprime la lumière de l'une des polarisa-

tions mentionnées et on réalise une conversion photoélec-

trique de la lumière interférée ayant l'autre desdites polarisations.

3 Procédé selon l'une des revendications 1 et

2, caractérisé en ce qu'on enregistre les variations dans

le temps des phases (t) mesurées des composantes alterna-

tives des signaux électriques qui permettent de détermi-

ner les variations dans le temps (t) du chemin optique ( 6).

4 Procédé selon l'une des revendications 1 et

2, caractérisé en ce qu'on réalise une conversion photo-

électrique de la lumière interférée au moins en deux

points de l'image interférentielle et suivant les résul-

tats de la mesure de la phase ( 0) des signaux électriques

obtenus en ces pointson détermine la répartition du che-

min optique ( 6) en section transversale (p) des faisceaux

en interférence.

Procédé, selon la revendication 4, caracté- risé en ce qu'on mesure les différences de phases (y) des

signaux électriques résultant de la conversion photoélec-

trique de la lumière interférée en des points différents de l'image interférentielle d'après lesquels on détermine

les gradients du chemin optique ( 6) en section transver-

sale (p) des faisceaux en interférence.

6 Procédé selon la revendication 4, caractéri-

sé en ce qu'on affiche une valeur de consigne (t*) de

la phase d'au moins un signal électrique, à laquelle cor-

respond au moins une valeur connue ( 6 *) du chemin opti-

que, on modifie le chemin optique dudit intervalle de parcours de la lumière et, lorsque la phase mesurée (f)

du signal obtenu au moins en un point (P) de l'image in-

terférentielle atteint une des valeurs de consigne ()

de la phase, on enregistre la valeur (A 6) de ladite varia-

tion du chemin optique de l'intervalle de parcours de

lumière, ensuite, on détermine le chemin optique ( 6) re-

cherché sur l'intervalle donné au point respectif (P) de la section transversale des faisceaux d'interférence, puis on soustrait la valeur enregistrée de la variation ( 4) du chemin optique à la valeur connue ( 6 *) du chemin

optique -

7 Procédé, selon l'une quelconque des revendi-

cations de 1 à 5, caractérisé en ce que l'on crée un fais-

ceau (S) de lumière cohérente de longueur d'onde connue (ÀO) et on mesure les phases des signaux électriques

respectifs, ensuite, on modifie au moins une fois la-lon-

gueur d'onde de la lumière cohérente d'une valeur égale-

ment connue (Àj) et on mesure de nouveau les phases (Tj) des signaux électriques respectifs, après quoi on

détermine le chemin optique d'après le rapport des va-

leurs des phases mesurées (yj) aux différentes longueurs

d'ondes connues (j).

8 Procédé selon l'une quelconque des revendi-

cations de 1 à 5, caractérisé en ce qu'à la formation du faisceau de lumière cohérente,on crée une lumière avec

au moins deux longueurs d'ondes connues (X), on réali-

J

se une conversion photoélectrique de la lumière interfé-

rée pour chaque longueur d'onde connue (Àj) séparément J et on mesure les phases (Tj) des signaux électriques respectifs, ensuite, d'après le rapport des valeurs de phase (Yj) mesurées aux différentes longueurs d'ondes

connues (<j),on détermine le chemin optique ( 6).

9 Interféromètre lase pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comportant un laser

( 4), au moins deux éléments réfléchissants ( 1 et 2) ins-

tallés l'un derrière l'autre selon la marche du rayon de lumière, délimitant un intervalle déterminé de parcours de la lumière et destinés à former et à faire coïncider

les faisceaux de lumière en interférence, et un enregis-

treur photographique ( 8) de l'image interférentielle obte-

nue, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif ( 5) pour séparer deux composantes colinéaires de la lumière ayant des polarisations indépendantes et un dispositif ( 6) pour décaler la fréquence optique de l'une de ces

composantes par rapport à la fréquence de l'autre, instal-

lés entre le laser ( 4) et les éléments réfléchissants ( 1

et 2), un oscillateur pilote ( 7) branché sur le disposi-

tif de décalage de la fréquence optique ( 6), une lame

biréfringente ( 3) installée entre les éléments réfléchis-

sants ( 1 et 2) et un élément polarisant ( 11) installé sur

l'axe optique de la lumière interférée devant l'enregis-

treur photographique ( 8) qui se présente sous la forme

d'un convertisseur photoélectrique ( 8) de la lumière in-

terférée, ainsi qu'un bloc de mesure de phase ( 10) des

signaux électriques raccordés sur ce convertisseur photo-

électrique. Interféromètre laser selon la revendication

9, caractérisé en ce que ledit dispositif ( 5), pour iso-

ler les composantes de la lumière, sépare les composantes de la lumière avec des polarisations circulaires ayant

des vecteurs opposés de rotation du champ électrique.

11 Interféromètre laser selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est muni d'une lame quart d'onde installée sur le trajet de la lumière interférée

en amont de l'élément polarisant ( 11), et que ledit dis-

positif ( 5) pour séparer les composantes de lumière isole les composantes de lumière avec polarisations linéaires

réciproquement perpendiculaires.

12 Interféromètre laser selon la revendication

9, caractérisé en ce qu'il est mtni d'un élément de sépa-

ration de lumière ( 14), pour séparer les faisceaux de

lumière en interférence réfléchis sur les éléments réflé-

chissants ( 1 et 2), installé entre le dispositif de déca-

lage de fréquence optique ( 6) et les éléments réfléchis-

sants ( 1 et 2) et en ce qu'en aval de cet élément sur le trajet de la lumière interférée réfléchie, sont installés

lesdits éléments polarisant ( 11) et enregistreur photo-

graphique ( 8). 13 Interféromètre laser selon la revendication

12, caractérisé en ce que ledit dispositif ( 5) pour iso-

ler les composantes de lumière sépare des composantes de

lumière avec polarisations linéaires réciproquement per-

pendiculaires.

14 Interféromètre laser selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il est muni d'une lame quart

d'onde ( 13) installée sur le trajet de la lumière inter-

férée en amont de l'élément polarisant ( 11), et que ledit dispositif ( 5) pour isoler les composantes de la lumière sépare des composantes de la lumière avec polarisations circulaires à vecteurs de champ électrique ayant des sens

de rotation opposés.

Interféromètre laser selon l'une des reven-

dications 10 ou 14, caractérisé en ce que comme laser ( 4), comme dispositif ( 5) pour isoler les composantes de

lumière avec polarisations circulaires et comme disposi-

tif de décalage de fréquence optique ( 6) d'une des compo-

santes isolées, on utilise un laser-à deux fréquences.

16 Interféromètre laser selon l'une des reven-

dications 11 ou 13, caractérisé en ce que le dispositif

( 5) pour isoler les composantes de lumière avec polarisa-

tions linéaires est réalisé sous la forme d'un interféro-

mètre polarisant à deux faisceaux dont un bras comporte

le dispositif de décalage de fréquence optique ( 6).

17 Interféromètre laser selon la revendication 16, caractérisé en ce que le dispositif de décalage de

fréquence optique ( 6) est un modulateur de fréquence élec-

trooptique. 18 Interféromètre laser selon la revendication 16, caractérisé en ce que le dispositif de décalage de fréquence optique ( 6) est un modulateur de fréquence optoacoustique.

19 Interféromètre laser selon l'une des reven-

dications 1 ou 14, caractérisé en ce qu'il comporte un

polarisateur ( 19) installé entre les éléments réfléchis-

sants ( 1 et 2) en aval de la lame biréfringente.

Interféromètre laser selon l'une quelconque

des revendications de 9 à 14, caractérisé en ce que ledit

élément polarisant ( 11) se présente sous la forme d'un polarisateur. 21 Interféromètre laser selon l'une quelconque

des revendications de 9 à 14, caractérisé en ce que l'élé-

ment polarisant ( 11) se présente sous la forme d'un sépa-

rateur de lumière polarisant ( 11 ') pour diviser le fais-

ceau de lumière en deux faisceaux' à polarisations lineai-.

res réciproquement perpendiculaires, et en ce-que l'enre-

gisteur phctcraphique ( 8) est réalisé sous la forme de deux convertisseurs'photoélectriques ( 9) branchés sur le bloc de mesure de phase ( 10), l'un de ces convertisseurs étant installé sur l'axe optique de l'un des faisceaux et

l'autre, sur l'axe optique de l'autre faisceau lumineux.

22 Interféromètre laser selon l'une quelconque

des revendications de 9 à 21, caractérisé en ce que les-

dits éléments réfléchissants ( 1 et 2) sont-installés à une distance égale à l'intervalle donné l'un en face de

l'autre sur un même axe, et en ce que la lame biréfrin-

gente ( 3) est une lame quart d'onde.

23 Interféromètre laser selon l'une quelconque.

des revendications de 9 à 21, caractérisé en ce que les

éléments réfléchissants ( 1, 2 et 2 ") au moins au nombre de trois, sont installés aux angles d'une ligne brisée fermée constituant l'intervalle déterminé du parcours de

la lumière.

24 Interféromètre laser selon la revendication 23, caractérisé en ce que la lame biréfringente ( 3) est

une lame demi -onde (X/2).

Interféromètre laser selon l'une des reven-

dications 22 ou 24, caractérise un ce que les éléments réfléchissants ( 1, 2 et 2 ") sont des surfaces réfléchis-

saniles à rillexion partielle.

26 Interféromètre laser selon l'une des reven-

dications 22 ou 23, caractérisé en ce qu'au moins l'un des éléments réfléchissants ( 1, 2) se présente sous la forme d'un réseau de diffraction ( 1 ', 2 ') installé de façon à faire coincider-l'axe du faisceau de lumière de l'un des ordres de diffraction dudit réseau avec l'axe

reliant les éléments réfléchissants conjugués.

27 Interféromètre laser selon la-revendication 26, caractérisé en ce que la lame biréfringente ( 3) est installée à proximité du réseau de diffraction et assure une différence de déphasage des ondes de lumière passant par deux ordres de diffraction utiles égale à un quart

d'onde (</4).

28 Interféromètre laser selon l'une des reven-

dications 26 ou 27, caractérisé en ce que les réseaux de

diffraction sont réalisés sous la forme d'hologrammes.

29 Interféromètre laser selon l'une quelconque

des revendications de 9 à 28, caractérisé en ce qu'il

comporte un système optique ( 20) pour étaler le faisceau

de lumière et installé en amont des éléments réfléchis-

sants ( 1 et 2).

Interféromètre laser selon l'une des reven-

dications 4 et 29, caractérisé en ce que le convertisseur

photoélectrique ( 9) est muni d'un dispositif ( 21) effec-

tuant le balayage de l'image interférentielle.

31 Interféromètre laser selon la revendication 29, caractérisé en ce qu'il comporte un élément optique séparateur de lumière ( 22), qui sépare une partie de la lumière des faisceaux en interférence et est installé en amont du photoenregistreur ( 8) et un photoenregistreur auxiliaire ( 23) installé sur l'axe optique du faisceau

constitué par la partie séparée de la lumière.

À 32 Interféromètre laser selon l'une quelconque

des revendications de 9 à 31, caractérisé en ce que le

convertisseur photoélectrique ( 9, 24) sert de photodétec-

teur unitaire.

33 Interféromètre laser selon la revendication

4 ou l'une quelconque des revendications de 9 à 31, carac-

térisé en ce que le convertisseur photoélectrique ( 9) est réalisé sous la forme d'une matrice ( 26) constituée de

plusieurs photodétecteurs ( 9 ') branchés par l'intermé-

diaire d'un commutateur ( 27) sur le bloc de mesure de

phase ( 10).

34 Interféromètre laser selon la revendication

4 ou l'une quelconque des revendications de 9 à 31, carac-

térisé en ce que le convertisseur photoélectrique ( 9, 24)

est une matrice ( 26, 26 ') constituée de plusieurs photodé-

tecteurs ( 9 ', 24 ') dont chacun est branché sur son propre

bloc de mesure de phase ( 10 ', 25 ').

Interféromètre laser selon l'une des reven-

dications 4, 5 ou 31, caractérisé en ce qu'au moins l'un des détecteurs photoélectriques ( 24 ') de l'enregistreur photographique auxiliaire est branché au moins sur un

bloc de mesure de phase ( 10 ') du photoenregistreur prin-

cipal ( 8).

36 Interféromètre laser selon l'une des reven-

dications 4 ou 9, caractérisé en ce qu'il comporte un

dispositif ( 29) pour déplacer le faisceau de lumière pa-

rallèlement à lui-même dans deux directions réciproque-

ment perpendiculaires, ce dispositif étant installé de-

vant les éléments réfléchissants ( 1 et 2).

37 Interféromètre laser selon la revendication

36, caractérisé en ce que le dispositif ( 29) pour dépla-

cer le faisceau de lumière est relié au dispositif ( 21)

de balayage de l'image interférentielle.

38 Interféromètre laser selon la revendication

36, caractérisé en ce que le dispositif ( 29) pour dépla-

cer le faisceau de lumière est relié à un commutateur

( 27).

39 Interféromètre laser selon l'une des reven-

dications 6 et 34, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif ( 15) pour modifier le chemin optique

dans l'intervalle de parcours de la lumière avec un cap-

teur ( 16) de variation du chemin optique de l'intervalle de parcours de la lumière installé entre les éléments

réfléchissants ( 1, 2), un bloc ( 17) fournissant des va-

leurs de phase de consigne correspondant aux valeurs con-

nues du chemin optique, un bloc ( 18) de comparaison des phases qui a ses entrées branchées, respectivement, sur le bloc ( 17) fournissant les valeurs de phase de consigne

et au moins sur un bloc ( 10 ') de mesure de phase appro-

prié, et sa sortie branchée au moins sur un dispositif

( 15) modifiant le chemin optique de l'intervalle à par-

courir par la lumière, ainsi qu'un dispositif calculateur

( 12) branché sur le capteur de variation du-chemin opti-

que ( 16) et sur le bloc ( 17) fournissant les valeurs de

phase de consigne.

Interféromètre laser selon la revendication

31, caractérisé en ce qu'il comporte un modulateur d'in-

tensité de lumière ( 31) installé en amont de l'enregis-

treur photographique auxiliaire ( 23) et un générateur

d'impulsions électriques ( 32) relié au modulateur d'in-

tensité de lumière ( 31), le photoenregistreur auxiliaire

( 23) étant un enregistreur de l'image du tableau d'inter-

férence.

41 Interféromètre laser, selon la revendica-

tion 40, caractérisé en ce que le générateur d'impulsions électrique ( 32) et l'oscillateur pilote ( 7) auquel il est

relié sont synchronisés quant à la fréquence de répéti-

tion des impulsions.

42 Interféromètre laser selon l'une des reven-

dications 7 ou 9, caractérisé en ce que le laser ( 4) est

à longeur d'onde réglable.

43 Interféromètre laser selon l'une des reven- dications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble optique ( 33) pour diviser le faisceau de lumière interférée en faisceaux isolés en fonction de la longueur d'onde et installé en aval de l'élément polarisant ( 17),

sur le trajet du faisceau de lumière ayant subi une inter-

férence, et en ce que sur l'axe optique (le chaque fais-

ceau isolé mentionné est installé un enregistreur photo-

électrique ( 8) de l'image interférentielle, le laser ( 4) émettant une lumière à au moins deux longueurs d'onde

connues.

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