FR2738912A1 - Fourier transform infrared interferometer - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne un interféromètre par transformée de Fourier dans le domaine de l'infrarouge. The invention relates to a Fourier transform interferometer in the infrared domain.
Les interféromètres par transformée de Fourier sont couramment utilisés, notamment pour la spectroscopie dite par transformée de Fourier pour la mesure du spectre d'échantillons de natures diverses. Fourier transform interferometers are commonly used, especially for so-called Fourier transform spectroscopy for measuring the spectrum of samples of various types.
Plus précisément, un interféromètre de Michelson, schématisé sur la
Figure 1, permet d'obtenir deux faisceaux colinéaires portant des impulsions produites à partir d'une même impulsion d'origine et décalées l'une par rapport à l'autre dans le temps d'un retard T. A cet effet, le faisceau 1 émis par la source 2 est divisé par une lame semi-réfléchissante 3 en deux faisceaux 4 et 5, respectivement réfléchis par les miroirs 6 et 7.More precisely, a Michelson interferometer, schematized on the
FIG. 1, makes it possible to obtain two collinear beams bearing pulses produced from the same original pulse and offset with respect to each other in the time of a delay T. For this purpose, the beam 1 emitted by the source 2 is divided by a semi-reflecting plate 3 into two beams 4 and 5, respectively reflected by the mirrors 6 and 7.
Après recombinaison par la lame semi-réfléchissante 3 et transmission ou réflexion par un échantillon 11, les champs électriques correspondant à chacun des deux faisceaux 8, 9 s'écrivent E(t) et E(t r) où t représente le temps et T représente la différence de temps de propagation dans leurs parties non communes des faisceaux 8, 9. Un détecteur intégrateur 10 placé à la sortie de l'interféromètre de Michelson permet ainsi de mesurer le signal S(r)= i+g(z) où g(r) est la fonction d'autocorrélation normalisée du champ électrique:
avec g(O) = 1 où Re représente la partie réelle de l'expression complexe qui suit ce signe.After recombination by the semi-reflecting plate 3 and transmission or reflection by a sample 11, the electric fields corresponding to each of the two beams 8, 9 are written E (t) and E (tr) where t represents time and T represents the difference in propagation time in their non-common portions of the beams 8, 9. An integrating detector 10 placed at the output of the Michelson interferometer thus makes it possible to measure the signal S (r) = i + g (z) where g (r) is the normalized autocorrelation function of the electric field:
with g (O) = 1 where Re represents the real part of the complex expression that follows this sign.
Cette fonction dépend du spectre d'absorption ou de réflexion de l'échantillon 11. Ce spectre transmis ou réfléchi I(o), fonction de la fréquence o , peut être obtenu par une transformation de Fourier, calculée numériquement: I(o) IE(o))12 Cc
où 3 représente la transformée de Fourier de la fonction suivante. oc est le signe de proportionnalité. This function depends on the absorption or reflection spectrum of the sample 11. This transmitted or reflected spectrum I (o), a function of the frequency o, can be obtained by a Fourier transform, calculated numerically: I (o) IE (o)) 12 Cc
where 3 represents the Fourier transform of the following function. oc is the sign of proportionality.
La réalisation d'un interféromètre par transformée de Fourier dans le domaine de l'infrarouge (I.R.) présente des difficultés spécifiques tenant aussi bien à la réalisation de la source qu'à la réalisation des différents éléments de l'interféromètre lui-même. The realization of a Fourier transform infrared interferometer in the infrared (I.R.) domain presents specific difficulties pertaining both to the production of the source and to the realization of the various elements of the interferometer itself.
La source infrarouge habituellement utilisée est un corps noir qui présente une large bande spectrale d'émission. Sa brillance est relativement faible et il est difficile de focaliser le rayonnement qu'elle émet, sur un échantillon de faible dimension. De plus, pour pouvoir fonctionner convenablement dans le domaine de l'infrarouge, l'interféromètre doit être placé dans une atmosphère contrôlée, de manière à éviter l'absorption par la vapeur d'eau, du milieu ambiant. The infrared source usually used is a black body that has a broad emission spectral band. Its brightness is relatively low and it is difficult to focus the radiation it emits on a small sample size. In addition, in order to function properly in the infrared range, the interferometer must be placed in a controlled atmosphere, so as to avoid the absorption by water vapor of the ambient environment.
Pour éviter ces inconvénients, une nouvelle source de rayonnement infrarouge lointain a été développée utilisant le rayonnement électromagnétique engendré par un transitoire électrique très bref déclenché par une impulsion femtoseconde ou picoseconde. Le phénomène donnant naissance au transitoire électrique peut avoir des origines diverses comme par exemple la commutation électro-optique, le redressement optique ou encore la différence de fréquence dans un cristal non linéaire. Quel que soit le phénomène sur lequel il repose, le dispositif permettant d'engendrer une impulsion infrarouge à partir d'une impulsion brève initiale est appelé ici générateur infrarouge. Le rayonnement ainsi engendré présente l'avantage d'avoir une grande brillance et donc, de pouvoir remplacer avantageusement le corps noir utilisé dans un spectromètre par transformée de Fourier.Cette source infrarouge femtoseconde présente de plus l'avantage de fournir une excellente résolution temporelle pour des mesures qui doivent être résolues dans le temps. Ces principes ont également permis la réalisation d'une source dans le domaine de l'infrarouge moyen en mettant en oeuvre des impulsions optiques extrêmement brèves et des non-linéarités optiques ultra-rapides. To avoid these disadvantages, a new source of far-infrared radiation has been developed using the electromagnetic radiation generated by a very brief electrical transient triggered by a femtosecond or picosecond pulse. The phenomenon giving rise to the electrical transient may have various origins such as electro-optical switching, optical rectification or the frequency difference in a non-linear crystal. Whatever the phenomenon on which it rests, the device for generating an infrared pulse from an initial brief pulse is called here infrared generator. The radiation thus generated has the advantage of having a high gloss and therefore of being able to advantageously replace the black body used in a Fourier transform spectrometer. This femtosecond infrared source also has the advantage of providing an excellent temporal resolution for measures that need to be resolved over time. These principles have also allowed the realization of a source in the field of the average infrared by implementing extremely short optical pulses and ultra-fast optical non-linearities.
Un spectromètre par transformée de Fourier dans le domaine de l'infrarouge lointain a ainsi été réalisé et un montage simplifié illustré sur la
Figure 2 a été mis en oeuvre. Une source visible 20 émettant donc un faisceau lumineux dont le spectre est situé dans le domaine visible fournit des impulsions brèves femtosecondes. Le faisceau visible 21 ainsi produit est séparé par la lame 22 en deux parties 23, 24, respectivement réfléchies par les réflecteurs 25, 26.A Fourier Transform spectrometer in the far-infrared range has thus been realized and a simplified assembly illustrated on the
Figure 2 has been implemented. A visible source 20 thus emitting a light beam whose spectrum is in the visible range provides brief femtosecond pulses. The visible beam 21 thus produced is separated by the blade 22 into two parts 23, 24, respectively reflected by the reflectors 25, 26.
Après réflexion, chacun des faisceaux 27, 28 est adressé par l'une des optiques de conjugaison 29, 30 sur deux générateurs infrarouges distincts 31, 32. After reflection, each of the beams 27, 28 is addressed by one of the conjugation optics 29, 30 on two separate infrared generators 31, 32.
Ces générateurs produisent chacun l'un des faisceaux infrarouge 33, 34 qui, après réflexion par l'un des miroirs concaves 35, 36, sont superposés par une lame semi-transparente 37, focalisés par un miroir 38 sur un échantillon 39 et adressés par deux miroirs 40, 41 sur un détecteur infrarouge 42.These generators each produce one of the infrared beams 33, 34 which, after reflection by one of the concave mirrors 35, 36, are superimposed by a semi-transparent plate 37, focused by a mirror 38 on a sample 39 and addressed by two mirrors 40, 41 on an infrared detector 42.
Les impulsions visibles des faisceaux 27, 28 étant décalées d'un temps T, il en résulte le même décalage pour les impulsions infrarouges des faisceaux 33, 34 ultérieurement recombinés. Since the visible pulses of the beams 27, 28 are offset by a time T, the same offset results for the infrared pulses of the beams 33, 34 which are subsequently recombined.
Les champs infrarouges ainsi engendrés peuvent donc respectivement s'écrire E(t) et E(t - r) comme dans un interféromètre de Michelson. The infrared fields thus generated can therefore be written respectively E (t) and E (t - r) as in a Michelson interferometer.
Ce dispositif, décrit dans la publication de S. E. Ralph et
D. Grischkowsky, Appl. Phys. Lett 60, 1070 (1992), est donc simplifié par rapport à un interféromètre de Michelson I.R., puisqu'il ne comporte > dans sa partie infrarouge, aucune partie mobile nécessaire pour obtenir la variation de T. This device, described in the publication of HE Ralph and
D. Grischkowsky, Appl. Phys. Lett 60, 1070 (1992), is therefore simplified with respect to a Michelson IR interferometer, since it has> in its infrared part, no mobile part necessary to obtain the variation of T.
Cependant, ce montage nécessite l'emploi d'une lame semi-transparente 37 infrarouge à large bande. De plus, il implique l'alignement des faisceaux infrarouges 34, 33 pour obtenir leur recombinaison par cette lame semitransparente 37.However, this assembly requires the use of a broadband semi-transparent plate 37 broadband. In addition, it involves the alignment of the infrared beams 34, 33 to obtain their recombination by this semitransparent plate 37.
Le but de l'invention est de proposer un interféromètre par transformée de Fourier dans le domaine de l'infrarouge qui remédie aux inconvénients mentionnés plus haut. The object of the invention is to provide a Fourier transform infrared interferometer in the infrared field which overcomes the disadvantages mentioned above.
De manière plus générale, c'est un but de l'invention d'obtenir un interféromètre par transformée de Fourier dans le domaine de l'infrarouge qui soit simple dans sa structure et dans son utilisation et permette la réalisation de mesures spectrométriques. More generally, it is an object of the invention to obtain a Fourier transform infrared interferometer in the field of infrared that is simple in its structure and in its use and allows the realization of spectrometric measurements.
A cet effet, l'invention concerne un interféromètre par transformée de
Fourier dans le domaine de l'infrarouge comportant:
* des moyens de production de deux impulsions lumineuses infrarouges par dédoublement à partir d'une impulsion unique, décalées dans le temps l'une par rapport à l'autre d'une durée X variable,
* des moyens d'interférence de ces deux impulsions,
* des moyens d'interposition d'un échantillon sur le trajet de ces deux impulsions,
* un photorécepteur recevant le signal lumineux après interférence,
* des moyens de traitement recevant le signal électrique fourni par le photodétecteur et fournissant par transformée de Fourier, le spectre de l'impulsion.For this purpose, the invention relates to an interferometer
Fourier in the infrared field comprising:
means for producing two infrared light pulses by resolution from a single pulse, offset in time with respect to each other by a variable duration X,
means of interference of these two pulses,
means for interposing a sample on the path of these two pulses,
a photoreceptor receiving the light signal after interference,
processing means receiving the electrical signal supplied by the photodetector and providing, by Fourier transform, the spectrum of the pulse.
Selon l'invention, les moyens de production des impulsions infrarouges comportent:
* une source lumineuse visible d'impulsions,
* un dispositif décomposant chaque impulsion visible en deux impulsions décalées d'une durée X variable,
* un générateur unique de rayonnement infrarouge recevant les impulsions lumineuses visibles et émettant des impulsions lumineuses infrarouges,
* des moyens de suppression d'un flux lumineux infrarouge résultant des interférences des impulsions visibles.According to the invention, the means for producing the infrared pulses comprise:
* a visible light source of pulses,
a device decomposing each visible pulse into two pulses shifted by a variable duration X,
a single infrared radiation generator receiving the visible light pulses and emitting infrared light pulses,
means for suppressing an infrared light flux resulting from the interference of the visible pulses.
Ce dispositif comportant un générateur infrarouge unique recevant des impulsions visibles décalées les unes par rapport aux autres, permet d'éviter la mise en oeuvre d'une lame semi-transparente dans le domaine de l'infrarouge avec tous les inconvénients qu'une telle lame représente, c'est-à-dire d'une part, sa réalisation en elle-même et d'autre part, les réglages qu'elle implique qui sont toujours délicats à réaliser dans ce domaine. This device comprising a single infrared generator receiving visible pulses offset relative to each other, avoids the implementation of a semi-transparent blade in the infrared range with all the disadvantages that such a blade represents, that is to say, on the one hand, its realization in itself and on the other hand, the settings it implies that are always difficult to achieve in this area.
La suppression du flux lumineux infrarouge engendré par le flux résultant des interférences des impulsions visibles, aussi appelé flux croisé, permet d'obtenir un interféromètre ayant un comportement tout à fait comparable à celui d'un interféromètre de Michelson simple, répondant aux mêmes formalismes mathématiques et donc susceptible de fournir les mêmes informations spectrométriques. The suppression of the infrared luminous flux generated by the flux resulting from the interference of the visible pulses, also called cross flow, makes it possible to obtain an interferometer having a behavior quite comparable to that of a simple Michelson interferometer, responding to the same mathematical formalisms and therefore likely to provide the same spectrometric information.
Selon différents modes de réalisation préférés, l'interféromètre par transformée de Fourier de l'invention présente les caractéristiques suivantes, éventuellement pnses en combinaison:
- les deux impulsions visibles sont spatialement confondues au niveau du générateur infrarouge,
- les moyens de suppression du flux lumineux infrarouge résultant des interférences des impulsions visibles sont constitués par une fente. Par fente, on signifie ici un obstacle matériel arrêtant le flux lumineux considéré. Il peut s'agir d'un élément ménageant une ouverture allongée, mais cela peut aussi être simplement le barillet d'un système optique. According to various preferred embodiments, the Fourier transform interferometer of the invention has the following characteristics, possibly in combination:
the two visible pulses are spatially merged at the level of the infrared generator,
the means for suppressing the infrared light flux resulting from the interference of the visible pulses consist of a slot. By slot, here means a physical obstacle stopping the light flow considered. It may be an element forming an elongate opening, but it may also be simply the barrel of an optical system.
- les moyens de suppression du flux lumineux résultant des interférences des impulsions visibles sont constitués par une lame, l'angle d'incidence du flux lumineux résultant des interférences des impulsions visibles étant supérieur à l'angle limite, ladite lame étant solidaire du générateur infrarouge,
- le générateur de rayonnement infrarouge comporte un cristal remplissant une condition d'accord de phase et constituant les moyens de suppression du flux lumineux résultant des interférences des impulsions visibles,
- les deux impulsions visibles sont spatialement séparées sur le générateur de rayonnement infrarouge et une fente sélectionne le flux infrarouge contribuant à la formation d'une frange spatiale unique,
- il comporte un premier système optique infrarouge conjuguant l'échantillon avec le générateur de rayonnement et un deuxième système optique infrarouge conjuguant l'échantillon avec le photo détecteur,
- l'échantillon n'est interposé que sur le chemin de l'une des impulsions,
- les moyens d'interposition de l'échantillon permettent de placer celui-ci au contact direct du générateur de rayonnement infrarouge,
- le photodétecteur est directement au contact de l'échantillon.the means for suppressing the luminous flux resulting from the interference of the visible pulses are constituted by a plate, the angle of incidence of the luminous flux resulting from the interference of the visible pulses being greater than the limiting angle, said plate being integral with the infrared generator ,
the infrared radiation generator comprises a crystal fulfilling a phase-matching condition and constituting the means for suppressing the luminous flux resulting from the interference of the visible pulses,
the two visible pulses are spatially separated on the infrared radiation generator and a slot selects the infrared flux contributing to the formation of a single spatial fringe,
it comprises a first infrared optical system conjugating the sample with the radiation generator and a second infrared optical system combining the sample with the photo detector,
the sample is interposed only in the path of one of the pulses,
the means for interposing the sample make it possible to place it in direct contact with the infrared radiation generator,
the photodetector is directly in contact with the sample.
L'invention sera décrite plus en détail en référence aux Figures annexées dans lesquelles:
- la Figure 1 est une représentation schématique d'un interféromètre de
Michelson,
- la Figure 2 est une représentation schématique d'un interféromètre connu, fonctionnant par transformée de Fourier, dans le domaine de l'infrarouge,
- la Figure 3 est une représentation schématique de l'interféromètre de l'invention,
- la Figure 4 est une représentation des moyens de suppression du flux lumineux résultant des interférences des impulsions visibles selon un premier mode de réalisation de l'invention,
- la Figure 5 est une représentation des moyens de suppression du flux lumineux résultant des interférences des impulsions visibles selon un deuxième mode de réalisation de l'invention,
- la Figure 6 est une représentation partielle d'un mode de mise en oeuvre de l'invention dans lequel l'échantillon est en contact direct du générateur infrarouge,
- la Figure 7 est une représentation schématique de la mise en oeuvre du dispositif de l'invention avec deux sources infrarouges distinctes et espacées.The invention will be described in more detail with reference to the appended figures in which:
FIG. 1 is a schematic representation of an interferometer of
Michelson
FIG. 2 is a schematic representation of a known Fourier transform interferometer in the infrared field,
FIG. 3 is a schematic representation of the interferometer of the invention,
FIG. 4 is a representation of the means for suppressing the luminous flux resulting from the interference of the visible pulses according to a first embodiment of the invention,
FIG. 5 is a representation of the means for suppressing the luminous flux resulting from the interference of the visible pulses according to a second embodiment of the invention,
FIG. 6 is a partial representation of an embodiment of the invention in which the sample is in direct contact with the infrared generator,
- Figure 7 is a schematic representation of the implementation of the device of the invention with two separate infrared sources and spaced.
L'interféromètre par transformée de Fourier dans le domaine de l'infrarouge, représenté sur la Figure 3, est excité par une source laser femtoseconde 50 émettant dans le visible. On entend ici par "visible" un domaine spectral pouvant s'étendre dans le proche infrarouge, dans lequel la technologie des sources lumineuses permet la réalisation de sources de qualité. Cette source produit un faisceau 51 qui est divisé par une lame 52 en deux faisceaux 53, 54, respectivement réfléchis par les réflecteurs 55, 56, de façon à produire les faisceaux réfléchis 57, 58 parallèles aux faisceaux incidents, mais non confondus avec eux qui, par l'effet du réflecteur 60, produisent des faisceaux parallèles non confondus 61, 62. L'optique 63 focalise ces faisceaux en un même point sur le générateur infrarouge 64. Les réflecteurs 55, 56 sont des dièdres ou trièdres (coins de cube). The Fourier transform infrared interferometer in the infrared range, shown in Figure 3, is excited by a femtosecond laser source 50 emitting in the visible. Here is meant by "visible" a spectral range that can extend in the near infrared, in which the light source technology allows the realization of quality sources. This source produces a beam 51 which is divided by a plate 52 into two beams 53, 54, respectively reflected by the reflectors 55, 56, so as to produce the reflected beams 57, 58 parallel to the incident beams, but not confused with them. , by the effect of the reflector 60, produce non-coincident parallel beams 61, 62. The optic 63 focuses these beams at the same point on the infrared generator 64. The reflectors 55, 56 are dihedrons or trihedrons (cube corners ).
Ainsi, l'interféromètre 52, 55, 56, 60, 63 constitue un dispositif produisant, à partir d'une impulsion 65 émise par la source 50, deux impulsions visibles 66, 67 décalées d'une durée X variable dépendant de la différence de longueur entre les bras de l'interféromètre. Thus, the interferometer 52, 55, 56, 60, 63 constitutes a device producing, from a pulse 65 emitted by the source 50, two visible pulses 66, 67 shifted by a variable duration X depending on the difference of length between the arms of the interferometer.
En réponse aux impulsions visibles 66, 67, le générateur infrarouge 64 produit des impulsions infrarouges portées par un faisceau 68 de rayons marginaux 681 et 682 comportant deux impulsions 69,70 décalées l'une par rapport à l'autre du temps 1. In response to the visible pulses 66, 67, the infrared generator 64 produces infrared pulses carried by a beam 68 of marginal rays 681 and 682 having two pulses 69,70 offset with respect to each other from time 1.
Le faisceau 68 est adressé par les réflecteurs concaves 71 et 72 sur un échantillon 73, lui-même conjugué par les réflecteurs concaves 74 et 75 avec un photorécepteur infrarouge 76. The beam 68 is addressed by the concave reflectors 71 and 72 on a sample 73, itself conjugated by the concave reflectors 74 and 75 with an infrared photoreceptor 76.
Une unité de traitement U.T. reçoit les signaux électriques fournis par le photorécepteur 76 par la liaison 78 et pilote, par la liaison 79, le déplacement du réflecteur U.T. qui permet de faire varier la valeur de l'intervalle de temps x. A U.T. processing unit receives the electrical signals provided by the photoreceptor 76 via the link 78 and drives, via the link 79, the movement of the reflector U.T. which makes it possible to vary the value of the time interval x.
Cette unité de traitement U.T. communique avec l'opérateur par l'interface 80.This U.T. processing unit communicates with the operator via the interface 80.
I1 a été constaté qu'un flux infrarouge perturbateur est produit par le générateur infrarouge en réponse aux interférences des impulsions visibles, aussi appelé flux croisé. Il est émis avec un angle important par rapport à la bissectrice de l'angle formé par les deux faisceaux visibles 61, 62 incidents sur le générateur infrarouge, alors que les impulsions représentées par les champs infrarouges E(t) et E(t - r) sont émises dans le prolongement de ces faisceaux. It has been found that a disturbing infrared flow is produced by the infrared generator in response to interference from visible pulses, also called cross flow. It is emitted with a large angle with respect to the bisector of the angle formed by the two visible beams 61, 62 incidents on the infrared generator, while the pulses represented by the infrared fields E (t) and E (t - r ) are issued in the extension of these bundles.
Pour éliminer le flux lumineux perturbateur et produire, sur le détecteur 76, un signal résultant du seul effet des impulsions infrarouges décalées de T, des moyens de suppression du flux lumineux infrarouge perturbateur résultant des interférences des impulsions visibles sont interposés entre le générateur infrarouge 64 et le détecteur infrarouge 76. In order to eliminate the disturbing light flux and to produce, on the detector 76, a signal resulting solely from the effect of the infrared pulses shifted by T, means for suppressing the infrared infrared light flux resulting from the interference of the visible pulses are interposed between the infrared generator 64 and the infrared detector 76.
Ainsi, le signal reçu par le détecteur 76 est identique à celui qui aurait été produit par un interféromètre de Michelson dans le domaine de l'infrarouge et permet la mesure du spectre de l'échantillon 73, calculé par transformée de
Fourier par l'unité de traitement U.T.Thus, the signal received by the detector 76 is identical to that which would have been produced by a Michelson interferometer in the infrared range and makes it possible to measure the spectrum of the sample 73, calculated by transforming the
Fourier by the UT processing unit
Les moyens de suppression du flux lumineux perturbateur exploitent le fait que ce flux perturbateur est émis sous un angle différent de l'angle d'émission des impulsions utiles E(t) et E(t r). Us peuvent être réalisés de différentes façons. The means for suppressing the disturbing light flux exploit the fact that this disturbing flux is emitted at an angle different from the emission angle of the useful pulses E (t) and E (t r). They can be made in different ways.
Ils peuvent être constitués d'une simple fente 77, telle que représentée sur les Figures 3 et 4. Les faisceaux 61, 62 correspondant aux impulsions E(t) et E(t T) décalées dans le temps sont décalés latéralement d'une distance 1. Leur répartition 83 d'énergie en coupe transversale est représentée dans la direction x. They may consist of a simple slot 77, as shown in Figures 3 and 4. The beams 61, 62 corresponding to the pulses E (t) and E (t T) offset in time are shifted laterally by a distance 1. Their energy distribution in cross-section is shown in the x direction.
Le système optique 63 fait converger ces faisceaux en un même point sur le générateur infrarouge 64. Ils forment alors entre eux un angle 20 déterminé classiquement par leur espacement 1 et la distance focale du système optique 63.The optical system 63 converges these beams at the same point on the infrared generator 64. They then form between them an angle 20 determined by their usual spacing 1 and the focal length of the optical system 63.
En réponse, le générateur infrarouge 64 produit, d'une part, deux faisceaux 81, 82 dans le domaine de l'infrarouge, porteurs d'impulsions E(t) et
E(t - r) et formant également entre eux un angle 20. Le générateur infrarouge 64 produit également un flux perturbateur 84, 85. Le système optique 71 dont le foyer objet est sur le générateur infrarouge 64, produit des flux lumineux parallèles dont la répartition d'énergie est représentée en 86.In response, the infrared generator 64 produces, on the one hand, two beams 81, 82 in the field of the infrared, carrying pulses E (t) and
E (t-r) and also forming an angle between them 20. The infrared generator 64 also produces a disturbing flux 84, 85. The optical system 71 whose object focus is on the infrared generator 64, produces parallel luminous fluxes whose energy distribution is represented in 86.
Les impulsions utiles E(t) et E(t - r) correspondant à des faisceaux inclinés chacun d'un angle 0 par rapport à l'axe 87 de symétrie du système, sont au voisinage de cet axe de symétrie, alors que les énergies des flux perturbateurs correspondant à des faisceaux émis, chacun sous un angle w par rapport à l'axe 87 de symétrie, plus grand que 0, sont éloignées de l'axe de symétrie. Les distances à l'axe 87 de symétrie de chacun de ces faisceaux dépendent bien entendu des angles 0 et'{j et de la distance focale du système optique 71. The useful pulses E (t) and E (t-r) corresponding to beams each inclined at an angle θ with respect to the axis 87 of symmetry of the system, are in the vicinity of this axis of symmetry, whereas the energies interfering fluxes corresponding to emitted beams, each at an angle w with respect to the axis 87 of symmetry, greater than 0, are remote from the axis of symmetry. The distances to the axis 87 of symmetry of each of these beams depend, of course, on the angles θ and φ and on the focal length of the optical system 71.
Compte tenu de la différence de répartition spatiale de l'énergie des impulsions utiles d'une part, et du flux perturbateur d'autre part, une fente 77 dont l'ouverture 88 est convenablement choisie permet d'éliminer le flux perturbateur, tout en conservant les impulsions significatives E(t) et E(t - r). Given the difference in the spatial distribution of the energy of the useful pulses on the one hand, and the disturbing flow on the other hand, a slot 77 whose opening 88 is suitably selected makes it possible to eliminate the disturbance flow, while retaining the significant pulses E (t) and E (t - r).
Sur la Figure 3, la fente 77 a été représentée juste après le générateur infrarouge avant le système optique 71, sur la Figure 4, la fente 77 a été représentée après le système optique 71. Cette fente 77 peut être située n'importe où sur le trajet optique séparant le générateur infrarouge 64 du détecteur 76. La dimension de l'ouverture de la fente 77 est fonction de sa position. In Figure 3, the slot 77 has been shown just after the infrared generator before the optical system 71, in Figure 4 the slot 77 has been shown after the optical system 71. This slot 77 can be located anywhere on the the optical path separating the infrared generator 64 from the detector 76. The dimension of the opening of the slot 77 is a function of its position.
Dans la position représentée sur la Figure 4, son ouverture D est avantageusement:
D ) f711
Xo 63
où X est la longueur d'onde du rayonnement infrarouge émergent et est la longueur d'onde du faisceau visible incident.In the position shown in FIG. 4, its opening D is advantageously:
D) f711
Xo 63
where X is the wavelength of the emerging infrared radiation and is the wavelength of the incident visible beam.
Cette valeur correspond à un choix optimal de la distance 1 entre les faisceaux 62, 61 visibles incidents dépendant du rayon du faisceau. This value corresponds to an optimal choice of the distance 1 between the incident visible beams 62, 61 depending on the radius of the beam.
Avantageusement, on détermine 1 > w où w est le rayon gaussien du faisceau.Advantageously, 1> w is determined where w is the Gaussian radius of the beam.
D'autres moyens permettant d'éliminer ce flux perturbateur sont représentés sur la Figure 5. Ils sont constitués d'une lame 90. Le dioptre formé par cette lame au contact de l'air présente un angle limite inférieur à l'angle d'incidence du flux lumineux résultant des interférences des impulsions visibles, c'est-à-dire du flux lumineux. Cette lame 90 est solidaire du générateur de rayonnement 64. Other means for eliminating this disturbance flow are shown in Figure 5. They consist of a blade 90. The diopter formed by this blade in contact with the air has a lower limit angle to the angle of incidence of luminous flux resulting from the interference of the visible pulses, that is to say of the luminous flux. This blade 90 is integral with the radiation generator 64.
On signifie par là, soit que la lame 90 est confondue avec ce générateur 64, les propriétés précisées pour la lame 90 sont alors des propriétés du générateur 64 lui-même, soit que la lame 90 est associée au générateur au contact de son dioptre de sortie, avec l'interposition éventuelle d'un liquide d'indice, de manière que la propagation du flux lumineux émis par le générateur 64 ne soit affectée par aucun dioptre avant sa pénétration dans la lame 90. Sur les Figures, 61, 62, 81, 82, 84, 85 représentent le rayon moyen des faisceaux correspondants. This means that the blade 90 is merged with this generator 64, the properties specified for the blade 90 are then properties of the generator 64 itself, or that the blade 90 is associated with the generator in contact with its diopter. exit, with the possible interposition of a liquid index, so that the propagation of the luminous flux emitted by the generator 64 is not affected by any diopter before its penetration into the blade 90. In the Figures, 61, 62, 81, 82, 84, 85 represent the average radius of the corresponding beams.
Ainsi, alors que les impulsions portées par des faisceaux peu inclinés de l'angle 0 par rapport à la normale 91 à la lame sont transmises par celles-ci, l'essentiel du flux lumineux perturbateur incliné d'un angle w > O par rapport à la normale 91, subit une réflexion interne totale dans la lame. Thus, while the pulses carried by beams slightly inclined from the angle θ relative to the normal 91 to the blade are transmitted by them, the bulk of the disturbing luminous flux inclined at an angle w> O with respect to at normal 91, undergoes a total internal reflection in the blade.
Pour que l'incidence du flux perturbateur soit supérieure à l'angle limite, la distance l séparant les deux faisceaux visibles 61, 62 est choisie de telle sorte que
où n est l'indice de réfraction de la lame.In order for the incidence of the disturbance flux to be greater than the limit angle, the distance l separating the two visible beams 61, 62 is chosen so that
where n is the index of refraction of the blade.
Alors que jusqu'à présent, on a décrit un dispositif dans lequel l'échantillon 73 est placé à une certaine distance du générateur infrarouge 64 et conjugué avec celui-ci par un système optique, dans un autre mode de réalisation de l'invention représenté à la Figure 6, l'échantillon 73 est placé directement au contact du générateur infrarouge 64. Le détecteur 76, placé à une distance g de l'échantillon, reçoit sur sa surface réceptrice 100 le flux des faisceaux porteurs des impulsions infrarouges. La fente 101 éventuellement constituée par les limites de la surface réceptrice 100 elle-même, élimine le flux perturbateur. While until now, there has been described a device in which the sample 73 is placed at a distance from the infrared generator 64 and conjugated therewith by an optical system, in another embodiment of the invention shown in Figure 6, the sample 73 is placed directly in contact with the infrared generator 64. The detector 76, placed at a distance g from the sample, receives on its receiving surface 100 the beam of beams carrying infrared pulses. The slot 101 possibly formed by the boundaries of the receiving surface 100 itself, eliminates the disturbance flow.
Alors que dans la description faite jusqu'à présent, un système optique 63 est mis en oeuvre pour assurer la focalisation en un même point des faisceaux visibles incidents 61, 62, sur le générateur infrarouge 64, dans une variante représentée sur la Figure 7, le système optique 110 assure la focalisation des faisceaux 61, 62 (dont les rayons marginaux, respectivement 611, 612, 621, 622, ont été représentés) en 111, 112 distincts, mais peu distants l'un de l'autre sur le générateur infrarouge 64. Ils sont séparés d'une distance a. Whereas in the description made up to now, an optical system 63 is used to focus the incident visible beams 61, 62 on the infrared generator 64 in a single point, in a variant shown in FIG. 7, the optical system 110 ensures the focusing of the beams 61, 62 (whose marginal rays, respectively 611, 612, 621, 622, have been represented) at 111, 112 distinct, but not far from each other on the generator infrared 64. They are separated by a distance a.
Les faisceaux infrarouges 81, 82 dont les rayons marginaux, respectivement 811, 812, 821, 822, ont été représentés, produisent des impulsions
E(t) et E(t - T). Toutefois, dans cette géométrie, les faisceaux infrarouges 81, 82 interfèrent et produisent des franges spatiales nuisant au contraste des franges dans le domaine temporel. La fente 113, perpendiculaire à l'axe du système, est placée à une distance d du générateur infrarouge 64 et mise en oeuvre pour sélectionner une partie, en pratique supérieure à un quart, d'une frange spatiale unique.Pour cela, la fente 113 mise en oeuvre a une largeur b, est placée à une distance d du générateur, sa largeur b est choisie de telle sorte qu'elle satisfasse la condition b inférieure à kd/4a où X représente la longueur d'onde infrarouge produite par le générateur, et a, la distance des deux sources
Dans ce mode de réalisation, mettant en oeuvre deux sources infrarouges spatialement décalées, il est possible de n'interposer l'échantillon 73 que sur le trajet de l'une des impulsions. On obtient alors une mesure de l'échantillon analogue à celle qui serait obtenue avec un interféromètre de
Michelson classique lorsque l'échantillon est placé sur l'un des bras. The infrared beams 81, 82 whose marginal rays, respectively 811, 812, 821, 822, have been shown, produce pulses
E (t) and E (t - T). However, in this geometry, the infrared beams 81, 82 interfere and produce spatial fringes adversely affecting the contrast of the fringes in the time domain. The slot 113, perpendicular to the axis of the system, is placed at a distance d from the infrared generator 64 and implemented to select a portion, in practice greater than a quarter, of a single spatial fringe. For this, the slot 113 implemented at a width b, is placed at a distance d from the generator, its width b is chosen so that it satisfies the condition b less than kd / 4a where X represents the infrared wavelength produced by the generator, and a, the distance of the two sources
In this embodiment, implementing two infrared sources spatially offset, it is possible to interpose the sample 73 only in the path of one of the pulses. A measurement of the sample similar to that obtained with an interferometer of
Michelson classic when the sample is placed on one of the arms.
Dans le premier mode de réalisation où les impulsions visibles parviennent au générateur en un même point, le flux lumineux perturbateur résultant des interférences des impulsions visibles, est émis avec un angle important par rapport à la bissectrice de l'angle formée par les faisceaux incidents, il est ainsi possible de l'arrêter en mettant en oeuvre des moyens de suppression dont différents exemples de réalisation ont été donnés. In the first embodiment where the visible pulses reach the generator at the same point, the disturbing luminous flux resulting from the interference of the visible pulses is emitted at a large angle relative to the bisector of the angle formed by the incident beams, it is thus possible to stop it by implementing suppression means of which various embodiments have been given.
La compréhension actuelle des phénomènes mis en jeu va être maintenant exposée. The current understanding of the phenomena involved will now be exposed.
Le champ électrique incident sur le générateur infrarouge 64 est la somme des champs correspondant à chacun des deux faisceaux visibles 61, 62, soit Eo(t) et Eo(t- r). Le générateur infrarouge 64 fonctionnant en régime non saturé, chacun de ces champs engendre indépendamment un champ infrarouge porté par le faisceau 68, que l'on peut écrire respectivement E(t) et E(t - r). The incident electric field on the infrared generator 64 is the sum of the fields corresponding to each of the two visible beams 61, 62, ie Eo (t) and Eo (t-r). Since the infrared generator 64 operates in unsaturated mode, each of these fields independently generates an infrared field carried by the beam 68, which can be written respectively E (t) and E (t-r).
Cependant, le mécanisme de fonctionnement du générateur infrarouge étant nécessairement non-linéaire, il produira également un champ croisé, noté Ex.r(t), faisant intervenir à la fois E,(t) et E0 (t - r). On peut supposer que le mécanisme de génération infrarouge est un pur effet de redressement optique, le champ infrarouge total engendré s'écrit donc::
E (t) y2) (j E0 (t)12 + E0 (t - r)l + 2ReE0*(t - #)E0(t)) cxE(t)+E(t- r)+E.r(Ô
Ce terme croisé supplémentaire par rapport au champ présent dans un simple interféromètre de Michelson représente les perturbations aussi appelées "flux lumineux infrarouge résultant des interférences des impulsions visibles", et doit donc être éliminé pour réaliser la fonction d'autocorrélation du champ infrarouge nécessaire pour la réalisation d'un interféromètre par transformée de
Fourrier. Dans un montage non colinéaire, les deux faisceaux incidents 61, 62 forment ensemble un angle 2 2S, les champs E(t) et E(t- r) sont émis dans le prolongement des faisceaux leur ayant donné respectivement naissance tandis que le terme croisé Ex.#(t) est émis avec un angle v par rapport à la bissectrice, v et e sont reliés par la formule tan tv= 2tan 0.où =2/ est le rapport entre la longueur d'onde infrarouge engendrée 2 et la longueur d'onde initiale visible #0. However, since the operating mechanism of the infrared generator is necessarily non-linear, it will also produce a cross-field, denoted Ex.r (t), involving both E, (t) and E0 (t-r). It can be assumed that the infrared generation mechanism is a pure optical rectification effect, the total infrared field generated is therefore written:
E (t) y2) (j E0 (t) 12 + E0 (t - r) l + 2ReE0 * (t - #) E0 (t)) cxE (t) + E (t - r) + Er (O
This additional cross-term with respect to the field present in a simple Michelson interferometer represents the disturbances also called "infrared luminous flux resulting from visible pulse interferences", and must therefore be eliminated in order to carry out the autocorrelation function of the infrared field necessary for the realization of an interferometer by transformation of
Fourrier. In a non-collinear arrangement, the two incident beams 61, 62 together form an angle 2 2S, the fields E (t) and E (t-r) are emitted in the extension of the beams which gave them respectively birth while the crossed term Ex. # (T) is emitted with an angle v with respect to the bisector, v and e are connected by the formula tan tv = 2tan 0. where = 2 / is the ratio between the infrared wavelength generated 2 and the visible initial wavelength # 0.
Ce nombre est usuellement compris entre 10 lorsque # est dans l'infrarouge moyen et 100 lorsque X est dans l'infrarouge lointain. This number is usually between 10 when # is in the mean infrared and 100 when X is in the far infrared.
Ainsi, l'angle w est suffisamment important par rapport à l'angle 0 pour que le terme croisé résultant des interférences des impulsions visibles puisse être supprimé à l'aide d'une fente placée sur le faisceau infrarouge qui n'arrête pas, bien entendu, les impulsions infrarouges E(t) et E(t - r). Thus, the angle w is sufficiently large with respect to the angle θ that the crossed term resulting from the interference of the visible pulses can be suppressed by means of a slot placed on the infrared beam which does not stop, although heard, the infrared pulses E (t) and E (t - r).
Une autre possibilité permettant la suppression de ce terme croisé consiste à utiliser comme générateur infrarouge un cristal non linéaire biréfringent. La condition d'accord de phase dans le cristal peut assurer que le champ croisé soit hors accord de phase, ce qui permet d'éviter sa création. Another possibility for deleting this crossed term is to use as infrared generator a non-linear birefringent crystal. The phase matching condition in the crystal can ensure that the crossover field is out of phase agreement, which avoids its creation.
Le champ croisé peut être éliminé dès que l'angle w est supérieur à la divergence du faisceau infrarouge. En effet, les faisceaux étant gaussiens, on appelle w0 le rayon (col) du faisceau visible en champ proche, i.e. au niveau du générateur infrarouge. Le phénomène responsable de l'émission infrarouge étant en général quadratique, le rayon (col) du faisceau infrarouge est w0 tli. On peut donc séparer le champ croisé des autres termes si
2Aa
tan # >
swO ce qui peut aussi s'écrire :
tan O > 2##2 = #0#2
7zwo24 zWo
Cela signifie que le terme croisé peut être éliminé dès que les faisceaux incidents visibles font entre eux un angle supérieur à leur divergence. C'est la condition de géométrie non colinéaire.The crossed field can be eliminated as soon as the angle w is greater than the divergence of the infrared beam. Indeed, since the beams are Gaussian, we call w0 the radius (neck) of the visible beam in the near field, ie at the infrared generator. Since the phenomenon responsible for infrared emission is generally quadratic, the radius (neck) of the infrared beam is w0 tli. We can therefore separate the crossed field from the other terms if
2aa
tan #>
swO which can also be written:
tan O> 2 ## 2 = # 0 # 2
7zwo24 zWo
This means that the crossed term can be eliminated as soon as the visible incident beams are at an angle greater than their divergence. This is the condition of non-collinear geometry.
Pour assurer un fonctionnement non colinéaire de l'interféromètre de
Michelson, il est nécessaire que les deux faisceaux forment un angle entre eux.To ensure non-collinear operation of the interferometer
Michelson, it is necessary that the two beams form an angle between them.
Ils produisent alors des franges spatiales qui nuisent au contraste des franges temporelles.They then produce spatial fringes that hinder the contrast of the temporal fringes.
Le signal détecté s'écrit alors
Le contraste des franges # correspond au recouvrement angulaire entre les deux faisceaux infrarouges. I1 est voisin de zéro quand l'angle entre les deux faisceaux est très supérieur à leur divergence (géométrie non-colinéaire) et voisin de 1 dans le cas contraire (géométrie colinéaire). Pour avoir un contraste des franges supérieur à 60% = 1/#e, il faut réaliser la condition:
tanO < # = # #0
XoA Xod
Cette interprétation repose sur un certain nombre d'approximations tenant en particulier au fait que l'on a supposé la longueur d'onde X constante alors qu'elle varie sensiblement sur la largeur des spectres engendrés. Elle permet toutefois de préciser la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans le dispositif de l'invention et de déduire différentes variantes de celle-ci. The contrast of the fringes # corresponds to the angular overlap between the two infrared beams. I1 is close to zero when the angle between the two beams is much greater than their divergence (non-collinear geometry) and close to 1 in the opposite case (collinear geometry). To have a contrast of the fringes superior to 60% = 1 / # e, it is necessary to realize the condition:
tanO <# = # # 0
XoA Xod
This interpretation is based on a number of approximations, in particular because the constant wavelength λ was assumed to vary substantially over the width of the generated spectra. However, it makes it possible to specify the understanding of the physical phenomena involved in the device of the invention and to deduce various variants thereof.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9511048A FR2738912B1 (en) | 1995-09-20 | 1995-09-20 | INTERFEROMETER BY TRANSFORM OF FOURIER IN THE INFRARED FIELD |
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|---|---|---|---|
| FR9511048A FR2738912B1 (en) | 1995-09-20 | 1995-09-20 | INTERFEROMETER BY TRANSFORM OF FOURIER IN THE INFRARED FIELD |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4848879A (en) * | 1982-10-09 | 1989-07-18 | Canon Kabushiki Kaisha | Light modulating device |
-
1995
- 1995-09-20 FR FR9511048A patent/FR2738912B1/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4848879A (en) * | 1982-10-09 | 1989-07-18 | Canon Kabushiki Kaisha | Light modulating device |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2738912B1 (en) | 1997-12-05 |
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