FR2751072A1

FR2751072A1 - Dispositif et procede pour l'execution de mesures interferometriques

Info

Publication number: FR2751072A1
Application number: FR9708871A
Authority: FR
Inventors: Norbert Furstenau
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1996-07-12
Filing date: 1997-07-11
Publication date: 1998-01-16
Anticipated expiration: 2017-07-11
Also published as: GB2315327B; FR2751072B1; CA2210412A1; DE19628200A1; GB2315327A; DE19628200B4; GB9714796D0; US5910840A; CA2210412C

Abstract

L'invention concerne un dispositif pour l'exécution de mesures interférométriques. A partir d'une source de lumière (10), la lumière de cette source est amenée à un interféromètre ou un détecteur polarimétrique (20); une lame séparatrice (40) divise la lumière délivrée à nouveau par l'interféromètre ou le détecteur polarimétrique en deux ou davantage trajets de rayon (41, 42); dans chacun des trajets de rayon est prévu respectivement un filtre d'interférence (50, 60), en particulier réglable, avec des longueurs d'onde centrales différentes, filtres par lesquels, de préférence par un réglage approprié de l'angle de basculement, les deux signaux d'interférence découplés peuvent être amenés en quadrature (différence de phase = 90 deg.). En outre dans chacun des trajets de rayon est placé un dispositif de mesure pour la mesure quantitative de la lumière reçue et les données des dispositifs de mesure sont amenées à un dispositif de traitement des données.

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE POUR L'EXECUTION DE MESURES

INTERFEROMETRIQUES.

L'invention concerne un dispositif et un procédé pour l'exécution

de mesures interférométriques.

s Les détecteurs interférométriques et polarimétriques possèdent des signaux de sortie ayant une dépendance de la forme sin.2 et cos.2 vis-à-vis de la différence de phase induite par la grandeur mesurée entre l'onde lumineuse de mesure et l'onde lumineuse de référence. Par conséquent ils ne

sont pas linéaires ni périodiques. Ceci rend leur exploitation difficile.

Pour l'obtention d'une relation linéaire et univoque entre la grandeur de mesure d'une part, et le signal d'interférence d'autre part, des

procédés spéciaux optoélectroniques ont été otilisés à cause de cela.

Pour la lecture, c'est à dire l'extraction des informations, de détecteurs interférométriques à optiques à fibres, on a besoin de procédés de démodulation spéciaux pour la stabilisation du point de fonctionnement lors de la lecture de petits signaux et pour l'obtention de la netteté et du signe d'une variation de la grandeur de mesure lors de variations de phase importantes. Ceci est nécessaire car le signal d'interférence périodique, en raison des effets de dérive de température, présente pour les signaux faibles le soi-disant "Signal-fading" (évanouissement de signal): le signal de mesure disparaît respectivement lors du maximum et du minimum de l'intensité. En outre la périodicité produit, lors des variations de phase importantes, un manque de netteté du signal de sortie relativement au signe. Une photodiode raccordée à la sortie de l'interféromètre pour un traitement ultérieur électronique enregistre le même changement clair-obscur indépendamment

du sens de la variation de la grandeur de mesure.

Diverses tentatives ont déjà été entreprises pour résoudre ce problème. On atteint ce but, par exemple, par l'utilisation simultanée de deux sources de lumière ayant des longueurs d'onde différentes, proposée par exemple par Peter de Groot et Stanley Kishner, "Synthetic wavelength stabilization for two-color laser-diode Interferometry" (Stabilisation de longueur d'onde synthétique pour interférométrie à diode-laser à deux couleurs), dans APPLIED OPTICS 30 (1991) 4026-4033. Lorsque, dans le système ici proposé, le signal détecté avec la première longueur d'onde I1 est précisément en dérive à la sensibilité minimale, le signal détecté avec la deuxième longueur d'onde 12 se trouve précisément au point de sensibilité maximale pour les signaux faibles. Une combinaison appropriée des deux sorties ou une commutation périodique entre les deux longueurs d'onde rend possible par exemple une mesure de phase modulée en fréquence de porteuse et une lecture affranchie de l'évanouissement de signal ou exacte quant au signe. La différence de longueur d'onde doit être adaptée respectivement à un détecteur particulier de telle sorte que la différence de phase entre les deux signaux d'interférence-soit exactement 90 (X/2). On obtient de cette manière les soi-disant signaux en quadrature

(1-cos)(l)), (1-sin(;g2))-

Les coûts relativement élevés qui apparaissent, du fait de la mise en oeuvre des deux sources de lumière et des mesures liées à cela,

constituent un inconvénient pour une telle conception.

Pour des buts de mise en oeuvre tout autres dans les microscopes,

il a été proposé par Katherine Creath "Step height measurement using two-

wavelength phase-shifting Interferometry" (Mesure de hauteur d'échelon utilisant l'interférométrie à décalage de phase à deux longueurs d'onde) dans APPLIED OPTICS 26 (1987), 2810-2816, d'échanger manuellement le filtre utilisé avec de la lumière blanche à large bande et de pratiquer ainsi une interférométrie avec deux longueurs d'onde. Ceci est impraticable et ne conduit pas à des systèmes d'exploitation utilisables, des effets d'ordre plus

élevé en résultent.

Le but de l'invention est de fournir, contrairement à cela, une possibilité avantageuse au point de vue coût pour des mesures interférométiques, dans lesquelles cependant les avantages de

I'interférométrie à deux longueurs d'onde peuvent être utilisés.

Cela fonctionne pour des mesures avec des microinterféromètres ( différence de marche optique entre les ondes lumineuses de mesure et de référence jusqu'à quelques 10 pm). Ce problème est résolu par un dispositif comportant juste une source de lumière, un interféromètre ou un détecteur polarimétrique, auquel la lumière de la source de lumière est amenée, une lame séparatrice qui divise la lumière délivrée par l'interféromètre ou le détecteur polarimétrique en deux ou davantage trajets de rayon, respectivement un filtre avec des longueurs d'onde centrales différentes dans chacun des trajets de rayon, respectivement un dispositif de mesure dans chacun des trajets de rayon pour une mesure quantitative de la lumière reçue et un dispositif de traitement des données auquel sont amenées les données du dispositif de

mesure.

Par ailleurs ce problème est résolu par un procédé dans lequel la lumière est amenée à un interféromètre ou un détecteur polarimétrique, la lumière délivrée par l'interféromètre est divisée en deux trajets de rayon ou davantage, la lumière divisée est filtrée dans les trajets de rayon respectifs avec des longueurs d'onde centrales différentes, et la lumière ainsi filtrée est

mesurée quantitativement et la mesure est exploitée.

Le dispositif selon l'invention et le procédé selon l'invention apportent une solution au problème sous une forme particulièrement favorable au point de vue coût: au lieu de mettre en oeuvre deux sources de lumière comme dans l'état de la technique, seulement une source unique est employée. A cet effet il est préférable d'utiliser une diode à superluminescence (SLD) comme source de lumière. Cette diode à superluminescence est de préférence à faible cohérence et possède une largeur de raie spectrale dans la zone de 15 à 40 nm, la largeur de raie effectivement préférée dépendant de la longueur d'onde. En variante une diode lumineuse à émission d'arête avec une largeur de raie spectrale

d'environ 100 nm peut être utilisée.

La largeur de raie est par conséquent limitée. La lumière amenée de la source de lumière à l'interféromètre, par conséquent au détecteur particulier, avec une longueur optique L déterminée, et délivrée de nouveau à partir de celui-ci, est divisée dans une lame séparatrice en plusieurs trajets de rayon, en particulier en deux trajets de rayon. Ces deux trajets de rayon reçoivent respectivement sensiblement la moitié du signal lumineux se trouvant à disposition, inchangé avec la largeur de raie spectrale complète de 15 à 40 nm. Maintenant un filtre d'interférence est installé respectivement dans chacun des deux trajets de rayon. Ces deux filtres possèdent toutefois des longueurs d'onde centrales différentes. De préférence ces deux longueurs d'onde centrales ou moyennes se trouvent décalées de 10 nm et toutes deux se trouvent naturellement à l'intérieur de la largeur de raie spectrale de la plage de longueurs d'onde du rayonnement lumineux sortant

de la diode à superluminescence.

La longueur optique L se trouve de préférence dans une plage de 5

à 30 pm, en particulier autour de 10 pm.

Ceci signifie que des longueurs d'onde respectivement différentes sont présentes maintenant dans les trajets de rayon après les filtres. Ces rayonnements différents, qui doivent remplir la condition de quadrature (s.O.) sont amenés maintenant respectivement à un dispositif de mesure dans chacun des trajets de rayon pour la mesure quantitative de la lumière de ce trajet de rayon, plus précisément de la lumière reçue par le dispositif de

mesure.

Pour l'adaptation de la longueur optique L à un détecteur un ajustage fin est préféré, qui peut être entrepris par le réglage d'un angle de basculement approprié du filtre relativement à l'axe du rayon, comme cela

est décrit plus loin.

La distance des longueurs d'onde centrales Xl, X2 sera réglée séparément, lors de la connexion d'un détecteur, pour chaque détecteur par ajustage de l'angle de basculement du filtre, de telle sorte que la distance du signal d'interférence de Il (X;), 12 (X2) soit exactement AI12 = 1/2_. La raison est que, du fait des conditions de fabrication, il n'y a pas deux détecteurs qui ont exactement la même longueur ( par exemple distance de miroirs dans les détecteurs interféromètres de Fabry- Perot). Des photodiodes sont préférées comme dispositifs de mesure, tandis que comme lame séparatrice peuvent être pris en considération en particulier des coupleurs directifs à optique à fibres, en plus des lames

séparatrices conventionnelles.

Un dispositif de traitement des données reçoit les résultats de

mesure quantitatifs des dispositifs de mesure.

Bien que seulement une unique source de lumière soit installée, les possibilités complètes d'un procédé à déux longueurs d'onde sont à disposition. Pour une dépense nettement plus faible et également un encombrement plus réduit correspondant, une mesure au moins exactement

aussi fiable peut être exécutée.

Il en résulte ainsi une solution simple et d'un prix avantageux par l'utilisation d'une diode à superluminescence particulière, à faible cohérence,

comme source de lumière.

Des techniques homodynes et pseudo-hétérodynes peuvent être mises en place pour la détection de l'information de phase à partir des deux signaux en quadrature. Les possibilités de réalisation de l'invention consistent aussi bien en une technologie à optique à fibre qu'en une technologie à "optique à composant volumineux" conventionnelle. Le procédé est approprié

aussi bien pour des détecteurs polarimétriques que pour des détecteurs-

microinterféromètres (EFPI).

Un système de détecteur typique se compose ainsi de l'élément détecteur proprement dit, du détecteur polarimétrique ou du microinterféromètre avec une différence de chemin optique d'ordre de grandeur L = 10 pm, d'une diode à superluminescence comme source de lumière, dont la lumière est fournie à l'élément détecteur par l'intermédiaire d'un coupleur directif à optique à fibre dans la fibre d'amenée (monomode) câblée. La lumière couplée en retour du détecteur dans la fibre d'amenée est dérivée dans le coupleur vers une photodiode sur deux bras d'entrée du coupleur, pour y être transformée en un signal électrique pour le traitement électronique ultérieur (transformation de Fourier pour l'analyse du spectre de

vibration, le filtrage, la discrimination de valeurs de seuil).

Un lame séparatrice, avec deux photodiodes et des filtres d'interférence réglables connectés en amont de longueurs d'onde moyennes différentes, est mise en place comme unité détectrice. A la place des deux diodes lasers stabilisées à cohérence élevée utilisées de manière traditionnelle, de longueurs d'onde différentes, seulement une diode à superluminescence particulière à faible cohérence est mise en place comme

source dans la nouvelle solution.

Les longueurs d'onde s'écartant d'environ 8 à 20 nm sont filtrées à partir du spectre au moyen du filtre d'interférence avec respectivement une largeur de bande d'environ 10 nm. De préférence les longueurs d'onde centrales différentes sont obtenues dans les deux trajets de rayon, malgré la mise en place de deux éléments de filtre de construction semblable, par le fait que les plans des filtres présentent à l'intérieur du trajet de rayon une inclinaison différente. Le dispositif conforme à l'invention peut ainsi être

réalisé avec un nombre relativement faible de composant distincts.

Les angles de basculement ou d'inclinaison des filtres se situent de préférence au-dessous de 20 . D'une manière surprenante il a été mis en évidence que le déplacement des rayons lors du basculement ne crée pas de

problèmes contrairement aux craintes originelles.

D'autres avantages de l'invention consistent dans le fait également qu'aucun isolateur n'est nécessaire, isolateur dont on a ordinairement besoin pour la suppression des réflexions en retour dans les lasers. La stabilisation en température coûteuse nécessaire pour les diodes lasers disparaît également, stabilisation qui pour les stabilités de longueurs d'onde demandées de moins d'un centième de nanomètre doit être meilleure qu'un

centième de degré Kelvin.

Les procédés pour la démodulation des détecteurs polarimétriques se simplifient considérablement par l'utilisation des idées conformes à l'invention. Au lieu, par exemple, des commutations périodiques entre deux sources de lumière à diode laser avec les problèmes connus de stabilisation de fréquence, par l'utilisation du procédé selon l'invention pour la production de signaux en quadrature on ne commute qu'alternativement entre deux photodiodes, auxquelles les deux signaux d'interférence décalés en phase sont amenés. A la place d'une commutation des sources de lumière, une commutation entre les détecteurs ou les récepteurs a ainsi lieu. La différence de phase entre les deux ondes lumineuses entrant en interférence dans un interféromètre à deux bras ou dans un interféromètre de Fabry-Perot dépend de la longueur d'onde X selon la formule -= 2 2nf(n)L f(n) est une fonction de l'indice de réfraction du milieu, à travers lequel se propagent les ondes lumineuses qui interfèrent, D est une somme d'une portion constante (o et d'une portion AFDm habituellement essentiellement plus petite, modulée par une grandeur de mesure. Il en résulte par conséquent: =D = ()O + A(:m Comme interféromètre deux variantes à optique à fibre particulièrement intéressantes pour la technique de mesure sont préférées ici, à savoir le microinterféromètre Fabry-Perot extrinsèque avec une finesse peu élevée (c'est-à-dire avec un pouvoir réflecteur peu élevé des deux miroirs F-P) d'une part, et l'interféromètre deux modes polarimétrique avec des fibres de

verre conservant la polarisation d'autre part.

Des exemples de réalisation de l'invention sont décrits en détail ci-

après à l'aide des dessins. Ces dessins montrent: Fig.1 une première forme de réalisation d'un dispositif selon l'invention; Fig.2 une deuxième forme de réalisation d'un dispositif selon l'invention dans une représentation détaillée; Fig.3 une troisième forme de réalisation dans une représentation schématique semblable à Fig.1; Fig.4 une quatrième forme de réalisation dans une représentation semblable à Fig.2; et

Fig.5 une exploitation numérique pour deux longueurs d'onde.

Fig. 1 montre d'abord la construction schématique d'une installation complète. Une diode à superlumrninescence sert de source de lumière 10 dans le zone spectrale de par exemple 820 nm. A partir de la source de lumière un câble à fibre de verre 11 va, par un connecteur monomode 12, à un polariseur 13 et, par un autre connecteur monomode

i14, à une fibre de verre 1 5 conservant la polarisation.

Celle-ci conduit au détecteur proprement dit 20 avec une fibre de détecteur 21 de longueur Ls conservant la polarisation, qui s'étend entre deux épissures 22 et 23. Dans la fibre de détecteur 21 les axes biréfringents sont tournés de 45 par rapport aux axes des fibres d'entrée et de sortie ce

qui est indiqué sur le dessin.

A la sortie du détecteur 20 est raccordée l'unité de découplage 30.

La lentille à gradient d'indice 31, une lentille collimatrice, conduit dans cette unité, lentille à partir de laquelle le trajet des rayons conduit à la lame séparatrice (de polarisation) 40. La lame séparatrice 40 divise la lumière en deux trajets de rayon 41, 42 qui comportent tout d'abord encore respectivement la moitiédu rayonnement, mais au reste qualitativement le même. Dans les trajets de rayon 41 et 42 est maintenant intercalé respectivement un filtre 50 ou 60 qui peut basculer, lequel filtre présente une longueur d'onde moyenne ou longueur d'onde centrale I2 ou X1. Aux filtres et 60 se raccordent alors des combinaisons préamplificateur-photodiode 51, 61 qui transforment les intensités lumineuses optiques en signaux électriques. L'unité de découplage 30 donne alors en sortie des signaux électriques U2(1(X2)) ou U1({(X1)). Les axes biréfringents, à savoir l'axe rapide {f) et l'axe lent (s), des fibres d'entrée et de sortie 15 dans l'élément détecteur polarimétrique 20 sont tournés de 45 vis-à-vis des axes biréfringents de la section de fibre de mesure 21 de longueur Ls. Les ondes lumineuses polarisées orthogonalement se propageant suivant les axes f et s de la section de fibre de mesure 21 se superposent le long des axes f et s de la fibre de sortie 15 conservant la polarisation d'une manière connue en deux signaux d'interférence, qui sortent derrière la lame séparatrice (de polarisation) 40 avec un décalage de

phase de 180 .

L'utilisation de deux longueurs d'onde différentes X conduit à deux signaux d'interférence avec un décalage de phase différent 0o. En fonction de la différence de marche optique dans la section de détecteur, les deux longueurs d'onde;L et X2 sont choisies de telle sorte que la différence de décalage de phase remplisse la condition de quadrature suivante: A( = (D * '2 = (2N + 1)r/2 Pour le cas o la différence de longueur d'onde est très petite, comme ceci est visé de préférence selon l'invention, il en résulte en outre

AI = (N + 1/2)X

X 4L

Comme valeur typique on trouve, pour un microinterféromètre ayant une section de fibre de mesure de longueur typique de 10 micromètres et une longueur d'onde X autour de 1300 nm, ainsi que N = 0, une différence de longueur d'onde de AS = 16,25 nm. Tandis que dans les solutions coûteuses connues avec deux diodes lasers à cohérence élevée cette différence de longueur d'onde sur la longueur d'interféromètre prédéterminée doit être réglée de manière compliquée par le réglage du courant de diode laser et des températures de diode laser, ceci peut se produire selon l'invention par une unique diode à superluminescence, de spectre large, à faible cohérence, en tant qu'unique source de lumière. Fig.2 montre maintenant en détail une unité de lecture ou unité de découplage 30, comme elle peut être mise en place par exemple dans la

forme de réalisation de Fig.1.

La fibre 15 est de nouveau à repérer, fibre qui conduit à la lentille 31. La lentille 31 donne encore sur sa sortie le faisceau lumineux complet contenant déjà les informations, l'état de polarisation en général elliptique étant indiqué par l'alternance de points et de traits s'étendant

perpendiculairement à la direction du rayon. -

Ces informations complètes courent jusqu'à la lame séparatrice de polarisation 40 qui se laisse traverser dans une direction inchangée par une partie de ces informations (à savoir la composante de polarisation représentée avec des traits verticaux) tandis qu'elle dévie à angle droit l'autre partie -représentée par des points-, vers le bas dans cette forme de réalisation. Dans les deux trajets de rayon 41 et 42 sont prévus de nouveau des filtres 50 ou 60. Ces filtres sont réglables. Les intensités des deux

faisceaux lumineux sont transformées dans des combinaisons-

préamplificateurs-photodiodes 53, 63 en signaux électriques pour un

traitement ultérieur.

Les signaux transformés optiques-électriques sont délivrés à partir des détecteurs 53, 63 à un dispositif de traitement de données non

représenté ici.

Pour les détails il est encore à remarquer que la fibre de sortie 15 est raccordée par un connecteur monomode 32 et un adaptateur 33 au boîtier de l'unité de découplage 30. Le guidage de fibres dans le connecteur (ferrule) assemble la lentille à gradient d'indice 31 emboîtée dans l'adaptateur

33 pour la collimation du faisceau lumineux de sortie.

Après division dans la lame séparatrice 40 le faisceau lumineux est focalisé, à travers les deux filtres 50 ou 60 comme indiqué, sur les photodiodes 53 ou 63 avec préamplificateur raccordé. Les filtres 50 ou 60 sont fixés au boîtier de l'unité de découplage 30 au moyen d'un support rotatif 54 ou 64 et sont amenés dans la position de quadrature par des vis de

réglage 55 ou 65 à l'encontre de la pression de ressorts 56 ou 66.

Dans le cas d'interféromètres deux modes polarimétriques une lame séparatrice-de polarisation doit être mise en place comme analyseur, qui décompose la lumière incidente en deux états polarisés orthogonalement. La fibre de sortie 15 conservant la polarisation, dans ce cas, est à orienter avec ses axes rapide et lent parallèlement aux axes de polarisation de la lame séparatrice. Fig.3 montre, selon une représentation semblable à Fig.1, la construction schématique d'une autre forme de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention pour l'exécution de mesures interférométriques. A partir d'une source de lumière 10, ici une diode à superluminescence ayant par exemple une longueur d'onde moyenne de 1300 nm, sort une lumière correspondante avec une largeur spectrale de 40 nm. Elle se propage par un coupleur directif 18, par exemple un coupleur 3 dB, jusqu'à un connecteur monomode 12, puis par une fibre d'amenée monomode 15 et un autre

connecteur monomode 14 jusqu'à l'interféromètre 20.

Cet interféromètre est ici un interféromètre de Fabry-Perot extrinsèque à optique à fibre avec une longueur de résonateur de L. Il peut s'agir par exemple d'un détecteur de vibrations correspondant au document DE 195 14 852 A1 publié postérieurement. Le deuxième miroir dans cet interféromètre 20 est désigné en outre par le chiffre de référence 24. Le premier miroir est fourni par la surface d'extrémité de fibre plane avec un

pouvoir réflecteur de 4 %.

Depuis le miroir 24 de l'interféromètre 20 le trajet de rayon se développe alors en retour par le connecteur monomode 14, la fibre 15, le connecteur monomode 12 jusqu'au coupleur directif 18, o le trajet de rayon est découplé dans une fibre de retour 19, qui conduit à une unité de découplage 30. Cette unité de découplage 30 est reproduite en détail sur la Fig.4,

une autre combinaison des exemples de réalisation étant également possible.

Fig.4 montre dans une représentation semblable à Fig.2 une forme d'unité de découplage 30, comme elle peut être mise en place par exemple dans une forme de réalisation selon Fig.3. Ici la fibre 19 conduit en effet également à un connecteur monomode 32 qui est fixé par un adaptateur 33

à l'unité de découplage 30 ou au boîtier de celle-ci.

A l'intérieur de l'unité de découplage 30 est ici prévue une lame séparatrice 40 sous forme d'un coupleur directif à optique à fibre, un coupleur trois dB. Ce coupleur directif divise également ici le rayon en deux trajets de rayon 41 et 42. Les lentilles à gradient d'indice 43, 44 sont prévues, par lesquelles les trajets de rayon 41, 42 sortent de nouveau du boîtier de l'unité de découplage 30 et délivrent ici la lumière aux deux filtres , 60 qui se trouvent directement devant les deux dispositifs de mesure 53,

63, de nouveau des photodiodes.

Les deux combinaisons-détecteur-filtre 50/53 d'une part et 60/63 d'autre part sont fixées au boîtier de l'unité de découplage 30 respectivement au moyen de supports rotatifs 54, 64 et sont amenées dans la position de quadrature avec des vis de réglage 55, 65 à l'encontre de la

pression de ressorts 56, 66.

Devant la fibre 15 on doit se représenter ici, en image, de nouveau un interféromètre, les deux signaux d'interférence décalés en phase sont produits par les deux filtres d'interférence avec des longueurs d'onde centrales;1, 22 choisies de manière appropriée, et des angles d'inclinaison appropriés 1, 2 à partir des rayons incidents dans les trajets de rayon, les filtres d'interférence étant disposés entre une lame séparatrice, ici sous forme d'un coupleur directif à optique à fibre sur la sortie d' interféromètre,

et les deux photodiodes.

Comme des détecteurs différents peuvent être raccordés à une unité de lecture-2-X-, il n'est pas praticable de fabriquer pour chaque élément détecteur interférométrique individuel, avec les tolérances de fabrication données compte tenu de la longueur L, les filtres nécessaires pour remplir la condition de quadrature avec les longueurs d'onde adaptées individuellement ba, 12. Une solution à cela a toutefois été trouvée dans les utilisations de filtres avec gradation-, normalisée. Cette solution consiste en ce que la dépendance de la longueur d'onde centrale du filtre vis-à-vis de l'angle d'incidence du faisceau lumineux est utilisée. La relation qui s'applique pour cela (pour inférieur à 15 ) est Se =,o1-<(no7ion--yfi2 avec o = 1300 nm, no = 1 et n* = 2,05 on obtient le tableau de valeurs suivant O/o 5 10 15 le/nm 1298,8 1295,3 1 289,6 A l'intérieur des gradations de filtres que l'on peut se procurer de manière normalisée en provenance du fabricant, il est ainsi possible d'obtenir un réglage fin de la différence de longueur d'onde pour le réglage de la condition de quadrature par un petit basculement du filtre. Comme le montrent les Figures 3 et 4, les filtres peuvent être disposés dans des dispositifs de basculement séparés entre la lame séparatrice et les

photodiodes.

Le centre de rotation devrait se trouver de préférence sur l'axe du faisceau lumineux ou du trajet des rayons dans de tels dispositifs de basculement. Une autre possibilité consiste à relier les filtres de manière fixe aux photodiodes -ce qui est montré sur Fig.4- et de basculer ensemble la combinaison-filtre-photodiode. Le centre de rotation devrait se trouver alors

sur la surface des photodiodes.

Il est en outre possible de manière alternative de réaliser la lame séparatrice 40 soit en une optique conventionnelle (Fig.2) soit en un coupleur directif-3 dB (Fig.4) à optique à fibre. Pour la focalisation du faisceau lumineux sur les photodiodes la lumière sortant des fibres est collimatée au moyen des lentilles à gradient d'indice (lentilles barres). Celles-ci sont raccordées ou bien à la fibre de sortie devant le cube formant lame

séparatrice (Fig.2) ou bien aux bras de sortie du coupleur (Fig.4).

Dans les interféromètres deux modes polarimétriques est installé ou bien une lame séparatrice de polarisation (Fig.2) ou bien un coupleur séparateur de polarisation (Fig.4), les axes du polariseur étant orientés de manière usuelle parallèlement aux axes biréfringents, par conséquent l'axe rapide (f) et l'axe lent (s) des fibres d'entrée et de sortie. Les deux signaux

d'interférence polarisés orthogonalement sont séparés dans l'unité de lecture-

quadrature au moyen de la lame séparatrice de polarisation et, conformément aux Figs.2 ou 4, sont délivrés aux photodiodes 53, 63 par les deux filtres d'interférence 50, 60 différents. Par le basculement des filtres d'interférence, le décalage de phase entre les signaux l+ et I_ peut être amené maintenant de

180 à la valeur de 90 ou 270 exigée pour des signaux en quadrature.

Cela signifie que 1+ et l dans le cas de l'interféromètre deux modes polarimétrique sont transformés à l'aide des filtres en des signaux en

quadrature 11 et 12.

Pour la lecture ou séparation de signal incrémentielle par le comptage des franges d'interférence ( pour de grands décalages de phase: > > 2n) les signaux en quadrature sont délivrés directement, éventuellementimmédiatement après une amplification appropriée, aux entrées de quadrature d'un compteur-décompteur. La condition de quadrature, pour des angles de filtre ne bougeant pas , et E)2 n'est remplie que pour la phase de repos 1o (longueur d'interféromètre Lo). En raison de la dépendance de la condition de quadrature à l'égard de L la différence de phase A(12 = (1 - (2 se transforme avec la modification de L induite par la grandeur de mesure selon la relation A( 12 = 2 2MAf(n) L

1112

ce qui est montré par la suite à l'aide de Fig.5.

Fig.5 montre, en représentation graphique, les intensités Il et 12 pour deux longueurs d'onde '1 et %2 différentes, mais voisines. Ces intensités sont tracées en tant qu'intensités normalisées et en tant que fonction de la longueur L (en mètres), par conséquent comme fonction de la

longueur L dans l'interféromètre Fabry-Perot de Fig.3.

La diminution d'amplitude avec L résulte de la dépendance du contraste d'interférence p à l'égard de la largeur de raie spectrale, qui est

choisie ici comme 8% = 10 nm.

On remarque sur Fig.5 le décalage graduel des deux signaux

d'interférences l'un vis-à-vis de l'autre.

La différence de phase des signaux en quadrature se modifie ainsi plus lentement du facteur AX/X avec L que la phase (c su signal d'interférence individuel. Par une mesure simultanée en complément de la lecture incrémentielle à haute résolution, elle peut être utilisée comme mesure pour

la relation de phase absolue et ainsi pour l'initialisation de l'interféromètre.

Pour de petits décalages de phase les signaux en quadrature peuvent être traités ultérieurement, pour obtenir l'information de phase recherchée, qui est proportionnelle à la grandeur de mesure ou à la variation de grandeur de mesure. Un exemple est donné par la combinaison des variations d'intensité différentielle mesurée selon la formule dé) = r-dl12 + dl22/10 La possibilité de réglage du décalage de phase (du déphasage) entre les deux signaux d'interférence Il (X1), 12 (X2): At12 = (1 - (2, dans le procédé selon l'invention, est intéressante de telle sorte que pour des détecteurs de longueurs de détecteur L optiques différentes (= distance de miroir Fabry-Perot), qui sont raccordés à l'unité de lecture, la condition de quadrature A112 = 90 peut être respectivement réglée de nouveau. Que ceci soit possible pour les plages de longueur de détecteur donnée par l'angle de basculement O < 20 , et même < 15 n'était pas à espérer tout simplement. Car il faut considérer l'effet de déplacement de rayon qui dépend également des paramètres du filtre, en particulier de son épaisseur. La largeur spectrale de la diode à superluminescence et la surface de la diode sont, pour les longueurs optiques citées de L = 5 à 30 pm, cependant telles qu'une plage angulaire de moins de 20 convient, pour maintenir la condition de

quadrature de A< = I1.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif pour l'exécution de mesures interférométriques, comportant juste une source de lumière (10), un interféromètre ou un détecteur polarimétrique (20), auquel la lumière de la source de lumière (10) est amenée, une lame séparatrice (40), qui divise la lumière fournie par l'interféromètre ou le détecteur polarimétrique (20) en deux, ou davantage, trajets de rayon (41, 42), respectivement un filtre (50, 60) avec des longueurs d'onde centrales différentes dans chaque trajet de rayon (41, 42), respectivement un dispositif de mesure (53, 63) dans chacun des trajets de rayon (41, 42) pour la mesure quantitative dela lumière reçue, et un dispositif de traitement des données, auquel les données des dispositifs

de mesure (53, 63) sont amenées.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la source de lumière (10) est une diode à superluminescence ou une diode

lumineuse à émission d'arête.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'une diode à superluminescence à faible cohérence avec une largeur de raie spectrale comprise entre 15 et 40 nm ou une diode lumineuse à

émission d'arête avec une largeur de raie d'environ 100 nm est installée.

4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé par le fait que les longueurs d'onde centrales des deux filtres (50, ) dans les trajets de rayon (41, 42) sont écartées l'une de l'autre d'environ

8 à 20 nm.

5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé par le fait que les filtres (50, 60) dans les trajets de rayon (41, 42) présentent des longueurs d'onde centrales différentes du fait de

l'inclinaison différente des plans de filtre.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que

l'angle de basculement des filtres (50, 60) est inférieur à 20 .

7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait

que l'inclinaison des plans de filtre est réglable.

8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé par le fait que les dispositifs de mesure (53, 63) sont constitués

de photodiodes avec préamplificateur.

9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé par le fait qu'un coupleur directif à optique à fibre, en particulier

un coupleur 3 dB, est installé comme lame séparatrice (40).

10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé par le fait que la longueur optique de l'interféromètre est située

entre 5 et 30,pm, en particulier autour de 10 pum.

11. Procédé pour l'exécution de mesures interférométriques, dans lequel la lumière provenant juste d'une source de lumière est amenée à un interféromètre ou un détecteur polarimétrique (20), la lumière délivrée par l'interféromètre est divisée en deux ou davantage trajets de rayon (41, 42), la lumière divisée est filtrée avec des longueurs d'onde centrales différentes dans les trajets de rayon respectifs, et la lumière ainsi filtrée est mesurée

quantitativement et la mesure est exploitée.