FR2570186A1 - Procede et dispositif de mesure du taux de polarisation - Google Patents
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Abstract
LA POLARISATION LINEAIRE D'UN FAISCEAU INCIDENT EST DETERMINEE EN FRACTIONNANT CE FAISCEAU EN AU MOINS TROIS FRACTIONS TRANSPORTANT DES ENERGIES LUMINEUSES SENSIBLEMENT EGALES. ON DIRIGE CHAQUE FRACTION SUR UN DETECTEUR 20 A TRAVERS UN ANALYSEUR FIXE DE POLARISATION 18. LES ANALYSEURS ONT DES DIRECTIONS DE POLARISATION DIFFERENTES, PAR EXEMPLE A 60 LES UNES DES AUTRES. UN ORGANE DE CALCUL 32 PERMET DE DETERMINER LE TAUX DE POLARISATION A PARTIR DES MESURES FOURNIES PAR LES DETECTEURS. LA MESURE DU TAUX DE POLARISATION EST NOTAMMENT UTILISABLE POUR DETERMINER LE COURANT DE SEUIL D'UNE DIODE LASER 10.
Description
,-ocedé et dispositif de mesure du taux de polarisation d'un rayonnement.
L'invention concerne la mesure en temps réel du taux de polarisation linéaire d'un faisceau de rayonnement, notamment d'un faisceau lumineux (ce dernier terme devant ëtre interprété comme recouvrant l'ultraviolet, le visible et l'infrarouge) et éventuellement la détermination de la direction de polarisation.
On sait déjà mesurer le taux de polarisation d'un rayonnement, à l'aide de dispositifs complexes qui comportent généralement des miroirs, des séparateurs de faisceau et des filtres analyseurs tournants associés à des moyens de détermination du minimum d'intensité lumineuse transmise. Ces solutions connues imposent des temps de mesure longs, peu compatibles avec un processus industriel de qualification ou d'évaluation de sources en grand nombre. Elles ne permettent que difficilement de mesurer à la fois le taux de polarisation et la direction de polarisation.
L'invention vise à fournir un procédé et un dispositif de détermination en temps réel du taux de polarisation répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'ils permettent une mesure précise et pouvant etre automatisée, en un temps bref et sans mise en oeuvre de composants mobiles.
Dans ce but l'invention propose notamment un procédé suivant lequel on fractionne le faisceau incident de rayonnement en au moins trois fractions transportant des énergies lumineuses sensiblement égales, on dirige chaque fraction sur un détecteur à travers un analyseur fixe de polarisation ayant une direction particulière de polarisation et on calcule le taux de polarisation à partir des mesures fournies par les détecteurs.
On prévoit avantageusement trois fractions dirigées vers trois analyseurs dont les directions de polarisation font des angles de 60'. Une quatrième fraction peut étre dirigée vers un detecteurde lumière, afin de permettre une évaluation directe de l'intensité totale du faisceau.
Un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus défini, comporte n voies (n étant un nombre entier au moins égal à 3) comportant chacune un analyseur ayant une direction de polarisation particulière et un détecteur fournissant un signal représentatif de la lumière qu il reçoit ainsi que des moyens de traitement des signaux permettant de déterminer le taux de polarisation et éventuellement la direction de polarisation à partir de ces signaux.
Le fractionnement du faisceau incident peut être réalisé par des moyens très divers, Dans le cas d'un faisceau de lumière, on peut notamment utiliser un organe réfléchissant en forme de pyramide régulière qui reçoit le faisceau incident suivant son axe de symétrie, chaque face renvoyant une fraction du faisceau vers une voie de mesure ; le fractionnement peut également etre réalisé à l'aide d'un disque comportant trois secteurs constitués par des polariseurs dont les plans de polarisation sont à 60' les uns des autres. La lumière peut se propager librement entre les moyens de fractionnement et les détecteurs. Elle peut également etre amenée par des fibres -optiques à maintien de polarisation.Dans le cas d'application de l'invention à un rayonnement microondes on pourra utiliser des moyens de fractionnement d'autre nature, de type en lul-meme connu.
L'invention est applicable chaque fois qu'il est intéressant de déterminer le taux de polarisation d'une onde. Elle trouve cependant une application importante -bien que non exclusive- dans la détermination du courant de seuil des lasers à semi-conducteur ou diodes laser,
On sait qu'une des caractéristiques importante des diodes laser est leur courant de seuil. défini comme le courant injecte dans le sens direct dans la jonction
PN pour lequel les pertes optiques de la cavite sont égales au gain d amplification obtenu par inversion de population. A partir de cette intensité de courant, la jonction PN émet, en régime stimulé, un rayonnement monomode transversalement, monomode ou multimode longi tudinalèment, qu'il est nécessaire de maintenir pour de nombreuses utilisations.
On sait qu'une des caractéristiques importante des diodes laser est leur courant de seuil. défini comme le courant injecte dans le sens direct dans la jonction
PN pour lequel les pertes optiques de la cavite sont égales au gain d amplification obtenu par inversion de population. A partir de cette intensité de courant, la jonction PN émet, en régime stimulé, un rayonnement monomode transversalement, monomode ou multimode longi tudinalèment, qu'il est nécessaire de maintenir pour de nombreuses utilisations.
Il est souvent nécessaire de connaitre le courant de seuil. En particulier, la valeur de ce courant donne aux utilisateurs un ordre de grandeur des conditions de fonctionnement à adopter, Elle fournit une valeur de référence permettant de vérifier ou de qualifier les lasers à semi-conducteur et d étudier leur vieillissement.
Or, si le courant de seuil fait l'objet d'une définition théorique précise, il est difficile à évaluer car on ne peut le mesurer directement. Dans la pratique, on le détermine à partir de l'allure de la courbe de variation de la puissance lumineuse émise par la diode à semi-conducteur en fonction du courant injecté.
Cette solution est peu satisfaisante : le calcul par extrapolation de deux parties de la courbe de variation de la puissance lumineuse fournie est peu commode et utilise une approche qui ne correspond que de très loin aux mécanismes physiques qui sont à l'origine même du phénoméne laser.
L'invention utilise le fait que l'on constate, en examinant les courbes de variation du taux de polarisation de la lumière émise (rapport entre l'intensité de lumière polarisée linéairement et l'intensité totale) qu'il y a augmentation brutale du taux de polarisation pour un courant de référence représentatif du courant de seuil et correspondant au passage du fonctionnement en diode électroluminescente {qu on peut qualifier de spontané et incohérent) au fonctionnement en diode laser, c'est-à-dire en régime stimulé.
L'invention propose en conséquence un procédé de détermination du courant de seuil par mesure de la variation du taux de polarisation en fonction du courant injecté, le courant de seuil correspondant à une valeur du taux de polarisation que l'on peut généralement déterminer avec une précision satisfaisante car il correspond à une variation rapide du taux.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'ac- compagnent, dans lesquels
- la figure 1 montre la variation de l'intensité polarisée I et de l'intensité totale I + I émise par une diode laser à une première temperature T1 (courbes en traits pleins) et à une seconde température T2, plus élevée (courbes en traits mixtes) en fonction du courant injecté i
- la figure 2 est un schéma de principe de la partie électrique d'un dispositif de mise en oeuvre de l'invention, dans son application à la mesure du courant de seuil d'une diode laser
- la figure 3 est un diagramme montrant la décomposition du vecteur représentatif de la composante polarisée du faisceau incident suivant les trois plans de polarisation des analyseurs du dispositif de la figure 2
- les figures 4 et 5 montrent deux réalisations possibles de la partie optique du dispositif de la figure 2
- la figure 6 est un chronogramme montrant les signaux qui apparaissent à divers emplacements du dispo sitif de la figure 2, dans un mode particulier de mise en oeuvre de ce dernier.
- la figure 1 montre la variation de l'intensité polarisée I et de l'intensité totale I + I émise par une diode laser à une première temperature T1 (courbes en traits pleins) et à une seconde température T2, plus élevée (courbes en traits mixtes) en fonction du courant injecté i
- la figure 2 est un schéma de principe de la partie électrique d'un dispositif de mise en oeuvre de l'invention, dans son application à la mesure du courant de seuil d'une diode laser
- la figure 3 est un diagramme montrant la décomposition du vecteur représentatif de la composante polarisée du faisceau incident suivant les trois plans de polarisation des analyseurs du dispositif de la figure 2
- les figures 4 et 5 montrent deux réalisations possibles de la partie optique du dispositif de la figure 2
- la figure 6 est un chronogramme montrant les signaux qui apparaissent à divers emplacements du dispo sitif de la figure 2, dans un mode particulier de mise en oeuvre de ce dernier.
Avant de décrire le dispositif suivant l'inven- tion, il peut être utile de rappeler quelques indications sur les diodes laser. Lorsque un courant électrique est injecté dans le sens direct dans une jonction PN, les recombinaisons électrons-trous permettent à ce courant de passer-mais peuvent aussi donner naissance à des photons. La probabilité d'apparition de ces photons est d'autant plus élevée que les transitions électroniques à travers la bande interdite se font directement de la bande de conduction à la bande de valence ou à un niveau situé très près du sommet de la bande de valence.
Le nombre des photons émis par ce mécanisme est proportionnel au nombre de porteurs à injecter donc au courant appliqué.
Si la structure de la jonction est telle que les photons émis soient guidés au voisinage de cette jonction et que le guide soit fermé aux deux extrémités pour constituer un résonnateur, le gain d'amplification obtenu par inversion de population devient égal aux pertes optiques de la cavité pour une valeur du courant injecté qu'on appelle le "courant de seuil". La jonction PN émet alors une radiation de spectre étroit. Pour cette valeur du courant, la courbe représentative de la variation de la puissance lumineuse émise en fonction du courant injecté présente un coude qui correspond au passage au régime stimulé de fonctionnement.
De nombreuses applications des diodes laser (vidéo-disques, fac-similé rapide, télécommunication sur fibres optiques) exigent que les lasers à semi-conducteur utilisés émettent un rayonnement monomode transversalement, monomode ou multimode longitudinalement. Ce rayonnement est effectivement émis par une diode laser, mais uniquement en régime stimulé, c' est-à-dire lorsque le courant injecté dépasse le courant de seuil. I1 est en conséquence nécessaire de connaitre ce courant de seuil ou du moins un courant de référence représentatif du courant de seuil.
Or, il est apparu que les modes longitudinaux émis par la jonction présentent une polarisation linéaire qui permet de déceler le passage au régime stimulé.
La figure 1 montre, à titre d'exemple, la variation de la composante polarisée I et de la puissance totale 1+1 en fonction du courant injecté i. On peut définir un courant de référence, représentatif du courant de seuil, comme étant celui pour lequel le rapport 1/1+1 atteint une valeur déterminée, par exemple 0,25 (soit 6 db). On voit sur la figure 1 que le courant de référence est de 90 milliampères pour T1 = 17 C, 97 milliampères pour T2= 27-C.
Le dispositif montré en figure 2 permet de déterminer la composante polarisée I et la composante non
v polarisée I émise par une diode laser 10, à un facteur de proportionnalité près. Le dispositif comporte un circuit 12 d'alimentation de la diode laser 10 qui, dans le mode de réalisation particulier qui sera décrit, fournit des créneaux rectangulaires de courant d'amplitude i réglable. On pourra utiliser un signal carré ayant une fréquence de l'ordre du kHz qui autorise une cadence de mesure rapide tout en permettant d'atteindre le régime permanent de la diode sur la quasi totalité de la durée d'un créneau.
v polarisée I émise par une diode laser 10, à un facteur de proportionnalité près. Le dispositif comporte un circuit 12 d'alimentation de la diode laser 10 qui, dans le mode de réalisation particulier qui sera décrit, fournit des créneaux rectangulaires de courant d'amplitude i réglable. On pourra utiliser un signal carré ayant une fréquence de l'ordre du kHz qui autorise une cadence de mesure rapide tout en permettant d'atteindre le régime permanent de la diode sur la quasi totalité de la durée d'un créneau.
Le faisceau de lumière 14 émis par la diode 10 est fractionné par un séparateur de faisceau 16 en plusieurs fractions sensiblement égales qui sont dirigées vers des voies séparées, mais de meme constitution, qu'on supposera au nombre de trois. Chaque voie comporte un analyseur de polarisation 18 suivi d'un detecteur de flux lumineux 20 associant un capteur à un amplificateur à gain fixe. Les capteurs peuvent être constitués par des diodes PIN, des photodiodes à avalanche, ou même des photorésistances.
Pour simplifier la constitution du dispositif, les trois voies optiques attaquent, par l'intermédiaire d'un multiplexeur 22, une voie électrique de traitement de signal commune. Cette voie commune comporte un amplificateur 24 à gain programmable par tension dont le râle apparaitra plus loin. Elle comporte ensuite un integrateur 26, un bloqueur 28 et un convertisseur analogique/ numérique 30. La sortie du convertisseur 30 est reliée à un organe de calcul 32, qui pourra être un microprocesseur.
Le principe mis en oeuvre par l'invention apparait sur la figure 3, ou Ox, Oy et Oz désignent les trois directions de polarisation des analyseurs 18, directions qui feront entre elles des angles des 60 . Le vecteur I représentatif de la composante polarisée et du faisceau incident présente, suivant ces trois directions, des composantes Ix, Iy et Iz. Le détecteur 20 permet de mesurer, sur chaque voie, l'intensité Ix, Iy et Iz du faisceau lumineux qui a traversé l'analyseur.
Chaque intensité est la somme de la projection de la composante polarisée sur l'axe correspondant et de la moitié de la composante non polarisée (puisque cette dernière a une valeur égale suivant chaque direction).
On a donc, en désignant par I la composante polarisée et
v par I la composante non polarisée :
Ix = I cos2e +
2 Iv
Iy = I cos 2 le - Tr/3) +
Iz = I cos (e + TT/3) + I/2
La résolution du système d'équation (1) donne
v par I la composante non polarisée :
Ix = I cos2e +
2 Iv
Iy = I cos 2 le - Tr/3) +
Iz = I cos (e + TT/3) + I/2
La résolution du système d'équation (1) donne
Les calculs de O, I et I peuvent être effectués aisément par un calculateur d'usage général programmé ou par un microprocesseur comportant une mémoire morte con tenant le programme de calcul.
Il est évidemment possible de prévoir un nombre n de voies supérieur à 3, de faire plusieurs calculs sur des triplés de mesure et enfin de prendre la moyenne. Il est également possible de prévoir une voie supplémentaire sur laquelle n'est pas monté un analyseur de façon à obtenir l'intensité totale I + I du faisceau.
Diverses constitutions peuvent être adoptées pour la partie optique du dispositif. Dans le mode de réalisation montré en figure 4, cette partie optique comporte un objectif d'entrée 34 qui fournit un faisceau de sortie parallèle. Le séparateur de faisceau 16 est constitué par une pyramide à trois faces réfléchissantes, correspondant chacune à une voie. Une seule des voies optiques est montrée sur la figure 4. Elle comprend un miroir 36 de renvoi du faisceau, à travers un diaphragme réglable 38 permettant d'équilibrer les trois fractions, vers l'analyseur 18 et le détecteur 20.
La figure 5 montre une variante de réalisation, dans laquelle l'objectif 34 illumine trois analyseurs 18 répartis régulièrement, de sorte qu'il n'est'plus nécessaire d'avoir un organe séparateur distinct. Une voie centrale 40 est prévue. Elle ne comporte pas d'analyseur et permet à l'aide d'un détecte'ur supplémentaire (non représenté) d'avoir une indication sur l'intensité globale.
D'autres solutions, mettant par exemple en oeuvre des fibres optiques, sont également possibles.
On décrira maintenant, en faisant référence aux figures 2 et 6, un mode particulier de mise en oeuvre du procédé, susceptible d'être automatisé et de donner une précision élevée, meme avec un organe de calcul 32 utilisant des mots à petit nombre d'éléments binaires, par exemple à huit bits.
On supposera dans ce qui suit que la dynamique de mesure requise pour le courant injecté va de 3 milli ampères à 300 milliamperes, cette plage étant représentative pour des diodes laser. Si la même voie de traitement est utilisée pour les trois voies optiques, on peut trouver, d'une voie à une autre, un écart atteignant 40 db lorsque le plan de polarisation du faisceau incident est sensiblement orthogonal à une des directions d'un analyseur. On arrive ainsi à une plage totale de mesure de 80 db.
L'amplificateur à gain variable 24 permet de réduire la dynamique. Un tel amplificateur peut en effet avoir un gain variable dans une plage de 10 db environ.
De plus la durée de sommation par 26 peut être commutable de façon à maintenir le résultat de la mesure dans une plage relativement étroite.
Une solution commode consistera à effectuer les mesures pour chaque intensité de courant i en deux phases, au cours desquelles la diode sera alimentée en impulsions carrées ayant la même amplitude i (première ligne de la figure 6). Une base de temps 42 associée à l'organe de calcul 32 provoque l'accumulation de la lu mièvre reçue sur chaque voie à son tour d'une part pendant une fraction tl de la période d'alimentation de la diode 10, d autre part pendant une fraction t2 ou la diode n'est pas alimentée. La seconde ligne de la figure 6 montre les périodes d'accumulation t1 et t2 pour l'une des voies, suivies d'une période de blocage par 28 au cours de laquelle s'effectue la conversion analogique/ numérique.L'accumulation de lumière pendant le temps t2 permet d'évaluer les effets parasites (lumière de fond, décalage des amplificateurs, courant d'obscurité... et d'effectuer une compensation, par exemple par le calcul.
L'accumulation pendant le temps tl permet à l'organe de calcul 32 de déterminer d'une part le gain approprié, d'autre part la période d'accumulation la mieux adaptee à la longueur de mot utilisée.
Avant la seconde phase de mesure, l'organe de calcul 32 ajuste le gain de l'amplificateur 24 par envoi d'un nombre représentatif du gain utilisé à un convertisseur numérique/analogique 44. Il commande ensuite la base de temps 42 pour déterminer t1, au cours de la seconde phase. Une valeur différente de tl peut d'ailleurs être utilisée pour chacune des trois voies optiques.
Enfin, les résultats du calcul effectué sont adressés à un organe de mémorisation ou de visualisation, tel qu'une imprimante 46.
On voit que l'invention permet de suivre la variation des propriétés de polarisation linéaires des modes longitudinaux émis par la jonction d'une diode laser en fonction du courant injecté i. Il est ainsi possible de déterminer, pour chaque diode essayée à son tour. un courant de référence représentatif du courant de seuil.
Il est également possible de suivre l'évolution dans le temps de la dégradation d'un laser, par exemple par diminution du taux de lumière polarisée I/I+I. La stratégie de mesure adoptée sera évidemment fonction du type de résultats recherché. Il pourra par exemple être plus avantageux dans certains cas, de travailler avec une intensité i décroissante d'une mesure à la suivante, jus qu'à ce que le taux de polarisation tombe au dessous d'une valeur déterminée. Dans d'autres cas on pourra au contraire essayer d encadrer de plus en plus près la valeur de référence du courant. Il va sans dire que la portée du présent brevet s'étend à toute mise en oeuvre respectant les principes de base qui ont été définis ci-dessus.
Claims (10)
1. Procédé de mesure du taux de polarisation d'un faisceau de rayonnement incident, caractérisé en ce qu'on fractionne le faisceau incident en au moins trois fractions transportant des énergies lumineuses sensiblement égales, on dirige chaque fraction vers un détecteur (20) à travers un analyseur fixe de polarisation ayant une direction de polarisation particulière et on calcule le taux de polarisation à partir des mesures fournies par les detecteurs (201.
2. Procéde selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on donne aux analyseurs (18) des directions de polarisation à 60 les unes des autres,
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, carac térisé en ce qu'on prélève sur le faisceau incident une fraction supplémentaire qu on dirige vers un détecteur sans interposition d'analyseur de façon à disposer d'une évaluation directe de l'intensité totale du faisceau.
4. Dispositif de mesure du taux de polarisation d'un faisceau de rayonnement incident, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (16) pour fractionner ce faisceau en au moins trois fractions transportant des éner- gies lumineuses sensiblement égales, au moins trois voies destinées à recevoir chacune l'une des fractions et comportant un analyseur fixe de polarisation (18) et un détecteur (20) fournissant un signal représentatif de la lumière qu'il reçoit, les analyseurs ayant des directions de polarisation différentes, et des moyens de traitement des signaux fournis par les détecteurs, permettant de déterminer le taux de polarisation et éventuellement la direction de polarisation à partir desdits signaux.
5. Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que les moyens de fractionnement comportent une pyramide régulière recevant le faisceau incident suivant son axe de symétrie, chaque face renvoyant une fraction du faisceau vers une des voies.
6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de fractionnement du faisceau sont constitués par les analyseurs fixes qui reçoivent chacun une fraction du faisceau.
7. Dispositif selon la revendication 4, 5 ou 6, caracterise en ce que les moyens de traitement des signaux comportent une chaine unique alimentée par les slge < des trois voies à travers un multiplexeur (22), ladite chaîne comportant des moyens d'accumulation du signal pendant une durée prédéterminée, des moyens de conversion analogique/numérique < 30) et un organe de calcul numérique < 32).
8. Dispositif selon la revendication 7, carac trois en ce que ladite chaine comprend, entre le multiplexeur (22) et les moyens d'intégration (26), un amplificateur à gain variable commandé par l'organe de calcul (32) en fonction de l'intensité lumineuse reçue par les détecteurs (20).
9. Dispositif selon 1 une quelconque des revendications 4 à 8, destiné à la mesure du taux de polarisation d'un faisceau de rayonnement émis par une diode laser, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des moyens d'injection dans la diode laser fournissant des créneaux rectangulaires de courant d'amplitude (i) reglable. l'organe de calcul (32) étant prévu pour modifier progressivement ladite amplitude.
10. Dispositif selon les revendications 7, 8 et 9, caractérisé en ce que 1 organe de calcul est prévu pour modifier la durée d'intégration en fonction du niveau d'éclairement reçu par chacun desdits détecteurs (20).
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|---|---|---|---|
| FR8413797A FR2570186B1 (fr) | 1984-09-07 | 1984-09-07 | Procede et dispositif de mesure du taux de polarisation |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2570186B1 (fr) | 1987-06-05 |
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