FR2754054A1 - Analyseur de spectre optique et procede d'analyse de spectre correspondant - Google Patents
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Classifications
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
- G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
Abstract
L'invention concerne un analyseur de spectre optique d'un faisceau lumineux incident (101) et un procédé d'analyse de spectre correspondant. L'analyseur de spectre comprend des moyens d'adressage (1), un réseau de diffraction (2), un dièdre réflecteur (3), un dispositif d'ajustement (4) en rotation du dièdre réflecteur et des moyens de réception (5). Un séparateur de polarisation (11) partage le faisceau incident (101) en un premier et un second faisceaux secondaires (102, 104) parallèles, de lumière polarisée linéairement selon des directions respectivement parallèle et perpendiculaire aux traits du réseau, et une lame lambda/2 (12) disposée sur le trajet du premier faisceau secondaire (102) donne à ce dernier une direction de polarisation perpendiculaire. Le réseau diffracte une première fois les faisceaux secondaires (103, 104), le dièdre réflecteur échange leurs directions, le réseau les diffracte une seconde fois, la lame lambda/2 applique une rotation de 90 deg. à l'état de polarisation du second faisceau secondaire (110) et le séparateur recombine les faisceaux secondaires (109, 111) en un même faisceau principal (112), renvoyé vers les moyens de réception.
Description
La présente invention concerne un analyseur de spectre optique et un procédé d'analyse de spectre correspondant, de grande précision.
Des analyses spectroscopiques de grande précision sont nécessaires dans plusieurs applications, et notamment pour l'étude des réseaux à fibre optique à multiplexage déiise en longueurs d'ondes (Dense Wavelengths Domain
Multiplexing). Or, les analyseurs classiques n'ont pas un pouvoir de résolution et une précision suffisants pour donner des résultats satisfaisants. La résolution d'un analyseur étant définie comme la pleine largeur à mi-hauteur de la réponse d'un laser monofréquence, la résolution est de l'ordre de 0,1 nm pour des analyseurs classiques, alors qu'elle devrait être cinq à dix fois moindre pour répondre aux besoins d'analyse.
Multiplexing). Or, les analyseurs classiques n'ont pas un pouvoir de résolution et une précision suffisants pour donner des résultats satisfaisants. La résolution d'un analyseur étant définie comme la pleine largeur à mi-hauteur de la réponse d'un laser monofréquence, la résolution est de l'ordre de 0,1 nm pour des analyseurs classiques, alors qu'elle devrait être cinq à dix fois moindre pour répondre aux besoins d'analyse.
Parmi les systèmes d'analyse spectrale, le réseau de diffraction permet d'obtenir une bonne résolution optique. Un montage du réseau selon une configuration de Littmann-Metcalf inclut un réflecteur, qui permet un double passage sur le réseau. Ce montage assure une bonne stabilité optique par autoalignement quand le réflecteur est un dièdre et est très dispersif angulairement, ce qui améliore la résolution optique.
Dans la configuration de Littmann-Metcalf, plusieurs paramètres peuvent être exploités pour améliorer la résolution, mais chacun d'eux pose des problèmes spécifiques. Ainsi, I'amélioration obtenue en adoptant un pas p faible du réseau provoque un problème d'encombrement du système. D'autre part, I'analyseur comportant une optique de collimation de focale f, I'augmentation de la focale f accroît la dispersion dans le plan focal, ce qui améliore la résolution. Cependant, la dépendance en chromatisme est alors augmentée, ce qui entraîne des difficultés de collimatage et de refocalisation pour certaines longueurs d'ondes. On améliore également la résolution en adoptant une incidence rasante sur le réseau. Mais on perd alors en efficacité à cause de pertes en cavité.
De plus, I'analyseur en configuration de Littmann-Metcalf est sensible à la polarisation de l'onde incidente, car l'efficacité du réseau en dépend fortement pour une faible incidence sur le réseau. Ceci entraîne une variation significative du niveau de signal avec la polarisation.
Pour remédier à cet inconvénient, il a été proposé un analyseur avec réseau de diffraction en configuration de Littmann-Metcalf, dans lequel une lame S/4 est placée entre le réseau et le réflecteur. Bien que ce système soit théoriquement insensible à la polarisation, il entraîne des pertes importantes dans le cas d'une faible incidence. II n'est donc pas satisfaisant lorsqu'on utilise une incidence rasante pour avoir une bonne résolution.
Le but de l'invention est un analyseur de spectre qui permet d'obtenir à la fois une bonne résolution, une faible dépendance en chromatisme et en polarisation et des pertes minimes.
L'invention vise aussi un tel analyseur rendant possible une résolution inférieure à 20 pm.
L'invention a également pour objectif un procédé d'analyse de spectre de grande précision, très peu sensible au chromatisme et à la polarisation et entraînant de faibles pertes en cavité.
A cet effet, I'invention a pour objet un analyseur de spectre optique d'un faisceau lumineux incident comprenant:
- des moyens d'adressage du faisceau lumineux incident,
- un réseau de diffraction muni de traits parallèles, recevant et diffractant une première fois le faisceau,
- un dièdre réflecteur droit, recevant le faisceau diffracté une fois et le réfléchissant vers le réseau, ce réseau diffractant une seconde fois le faisceau,
- un dispositif d'ajustement en rotation du dièdre réflecteur, permettant de sélectionner des longueurs d'ondes de mesure,
- des moyens de réception du faisceau sélectionné,
- au moins un photodétecteur relié aux moyens de réception, détectant le faisceau reçu, et
- une unité de traitement reliée aux photodétecteurs et au dispositif d'ajustement, produisant un spectre du faisceau.
- des moyens d'adressage du faisceau lumineux incident,
- un réseau de diffraction muni de traits parallèles, recevant et diffractant une première fois le faisceau,
- un dièdre réflecteur droit, recevant le faisceau diffracté une fois et le réfléchissant vers le réseau, ce réseau diffractant une seconde fois le faisceau,
- un dispositif d'ajustement en rotation du dièdre réflecteur, permettant de sélectionner des longueurs d'ondes de mesure,
- des moyens de réception du faisceau sélectionné,
- au moins un photodétecteur relié aux moyens de réception, détectant le faisceau reçu, et
- une unité de traitement reliée aux photodétecteurs et au dispositif d'ajustement, produisant un spectre du faisceau.
Ces moyens de l'analyseur définissent un système d'analyse spectrale avec réseau de diffraction, en configuration de Littmann-Metcalf.
Selon l'invention, I'analyseur de spectre comprend:
- un séparateur de polarisation interposé entre les moyens d'adressage et de réception, d'une part, et le réseau de diffraction d'autre part, partageant le faisceau incident en un premier et un second faisceaux secondaires parallèles, de lumière polarisée linéairement selon des directions respectivement parallèle et perpendiculaire aux traits du réseau, et
- une lame VJ2 disposée sur le trajet du premier faisceau secondaire de façon à lui donner une direction de polarisation perpendiculaire aux traits du réseau.
- un séparateur de polarisation interposé entre les moyens d'adressage et de réception, d'une part, et le réseau de diffraction d'autre part, partageant le faisceau incident en un premier et un second faisceaux secondaires parallèles, de lumière polarisée linéairement selon des directions respectivement parallèle et perpendiculaire aux traits du réseau, et
- une lame VJ2 disposée sur le trajet du premier faisceau secondaire de façon à lui donner une direction de polarisation perpendiculaire aux traits du réseau.
Le réseau, le dièdre réflecteur et le séparateur sont positionnés de telle sorte que le réseau diffracte une première fois les faisceaux secondaires, le dièdre réflecteur échange leurs directions, le réseau les diffracte une seconde fois et le séparateur les recombine en un même faisceau principal, renvoyé vers les moyens de réception.
Ce dispositif permet d'attaquer le réseau avec deux faisceaux polarisés 'perpendiculairement aux traits du réseau. On gagne ainsi beaucoup d'énergie,puisqu'on réduit de manière optimale les pertes engendrées par la diffraction sur le réseau. De plus, comme on utilise un dièdre, les deux faisceaux secondaires s'échangent à l'intérieur du dièdre avant de repasser sur le réseau. Au retour, les deux faisceaux secondaires se recombinent dans le séparateur de polarisation après avoir parcouru exactement le même chemin optique en sens opposé. Le système est donc intrinsèquement insensible à la polarisation.
Préférentiellement, I'analyseur de spectre comporte un réflecteur auxiliaire réfléchissant les faisceaux secondaires diffractés deux fois, et les renvoyant vers le réseau. Le réseau les diffracte une troisième fois, le dièdre réflecteur les réfléchit une seconde fois, le réseau les diffracte une quatrième fois et le séparateur recombine les faisceaux secondaires diffractés quatre fois en le même faisceau principal.
Ce montage permet à la lumière de se diffracter quatre fois, chaque passage sur le réseau améliorant la résolution.
Dans un premier mode de réalisation préféré du séparateur de polarisation, celui-ci est périscopique.
Le séparateur de polarisation comporte ainsi un prisme ayant une forme de triangle rectangle comprenant une hypoténuse, et une lame à faces parallèles adaptée sur l'hypoténuse de prisme. L'hypoténuse reçoit le faisceau incident et le partage en les premier et second faisceaux secondaires, dirigés respectivement dans le prisme et dans la lame à faces parallèles selon des directions perpendiculaires. La lame à faces parallèles redresse le second faisceau secondaire parallèlement au premier faisceau secondaire.
Le séparateur périscopique convient à un diamètre de faisceau assez large, par exemple de l'ordre de 10 mm.
Dans un second mode de réalisation préféré du séparateur de polarisation, celui-ci est un cristal biréfringent.
Un tel séparateur est adapté à de petits faisceaux, par exemple ayant un diamètre d'environ 3 mm.
Dans un premier mode de réalisation avantageux des moyens d'adressage et de réception, ceux-ci comportent une même fibre optique et un collimateur, et l'analyseur de spectre comprend un coupleur, séparant le faisceau émis et le faisceau reçu.
Dans un deuxième mode de réalisation avantageux des moyens d'adressage et de réception, ceux-ci comportent une même fibre optique et un collimateur, et l'analyseur de spectre comprend un circulateur ayant au moins trois branches successives dans le sens de circulation du circulateur, respectivement reliées à une source lumineuse, à la fibre optique et aux photo-détecteurs.
Le circulateur affranchit l'analyseur de pertes d'énergie produites dans le coupleur.
Dans un troisième mode de réalisation avantageux des moyens d'adressage et de réception, les moyens d'adressage comportent une fibre optique et un collimateur d'entrée et les moyens de réception comportent une fibre optique et un collimateur de sortie, ces fibres étant disposées côte à côte.
De cette manière, on s'affranchit également des pertes d'énergie dans le coupleur.
Dans ce troisième mode de réalisation des moyens d'adressage et de réception, il est intéressant que les fibres d'entrée et de sortie soient accolées pour former un coupleur coupé en deux.
De manière avantageuse, I'analyseur de spectre comporte un commutateur électrique relié au dispositif d'ajustement en rotation du dièdre réflecteur, ce commutateur donnant une référence d'étalonnage à chaque mise sous tension de l'analyseur de spectre.
Préférentiellement, I'analyseur de spectre comporte un système d'adressage de référence connecté aux moyens d'adressage, émettant un faisceau d'étalonnage à au moins une longueur d'onde de référence dans l'analyseur.
On effectue ainsi un calibrage in-situ, du fait que le système d'adressage de référence fait partie de l'analyseur, ce système permettant d'obtenir une très bonne précision absolue pour l'étalonnage à chaque démarrage.
L'invention concerne également un procédé d'analyse de spectre dans lequel:
- on adresse un faisceau lumineux incident,
- on diffracte une première fois le faisceau au moyen d'un réseau de diffraction muni de traits parallèles,
- on réfléchit le réseau diffracté une fois vers le réseau, selon un angle de réflexion variable permettant de sélectionner une longueur d'onde de mesure,
- on diffracte une seconde fois le faisceau,
- on reçoit et on détecte le faisceau sélectionné, et
- on produit un spectre du faisceau à partir de cette détection, par variation de l'angle de réflexion.
- on adresse un faisceau lumineux incident,
- on diffracte une première fois le faisceau au moyen d'un réseau de diffraction muni de traits parallèles,
- on réfléchit le réseau diffracté une fois vers le réseau, selon un angle de réflexion variable permettant de sélectionner une longueur d'onde de mesure,
- on diffracte une seconde fois le faisceau,
- on reçoit et on détecte le faisceau sélectionné, et
- on produit un spectre du faisceau à partir de cette détection, par variation de l'angle de réflexion.
Selon l'invention:
- après avoir émis le faisceau incident, on le partage en un premier et un second faisceaux secondaires parallèles, de lumière polarisée linéairement selon des directions respectivement parallèle et perpendiculaire aux traits du réseau, au moyen d'un séparateur de polarisation,
- on donne au premier faisceau secondaire une direction de polarisation perpendiculaire aux traits du réseau,
- on diffracte une première fois les faisceaux secondaires au moyen du réseau,
- on les réfléchit vers le réseau,
- on les diffracte une seconde fois,
- le second faisceau secondaire ayant un état de polarisation, on applique à cet état une rotation de 90 , et
- on recombine les faisceaux secondaires en un même faisceau principal au moyen du séparateur.
- après avoir émis le faisceau incident, on le partage en un premier et un second faisceaux secondaires parallèles, de lumière polarisée linéairement selon des directions respectivement parallèle et perpendiculaire aux traits du réseau, au moyen d'un séparateur de polarisation,
- on donne au premier faisceau secondaire une direction de polarisation perpendiculaire aux traits du réseau,
- on diffracte une première fois les faisceaux secondaires au moyen du réseau,
- on les réfléchit vers le réseau,
- on les diffracte une seconde fois,
- le second faisceau secondaire ayant un état de polarisation, on applique à cet état une rotation de 90 , et
- on recombine les faisceaux secondaires en un même faisceau principal au moyen du séparateur.
Préférentiellement, après avoir diffracté deux fois les faisceaux secondaires:
- on les réfléchit vers le réseau,
- on les diffracte une troisième fois,
- on les réfléchit une seconde fois selon l'angle de réflexion variable vers le réseau,
- on les diffracte une quatrième fois, et
- on les recombine en le même faisceau principal.
- on les réfléchit vers le réseau,
- on les diffracte une troisième fois,
- on les réfléchit une seconde fois selon l'angle de réflexion variable vers le réseau,
- on les diffracte une quatrième fois, et
- on les recombine en le même faisceau principal.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit d'exemples de réalisation et de mise en oeuvre, en regard des dessins annexés sur lesquels:
- la figure 1 est un schéma synoptique d'un mode de réalisation de l'analyseur de spectre selon l'invention;
- la figure 2 est un schéma de principe illustrant le fonctionnement de l'analyseur de spectre de la figure 1;
- la figure 3 représente un premier mode de réalisation du séparateur de polarisation de l'analyseur de spectre des figures 1 et 2;
- la figure 4A est une vue de côté de l'analyseur de spectre des figures 1 et 2 munie du séparateur de polarisation de la figure 3;
- la figure 4B est une vue de dessus de l'analyseur de spectre représenté sur la figure 4A;
- la figure 5A est une vue de côté d'un premier mode de réalisation de l'analyseur de spectre selon l'invention, incorporant le séparateur de polarisation de la figure 3;
- la figure 5B est une vue de dessus de l'analyseur de spectre de la figure 5A;
- la figure 6 montre un second mode de réalisation du séparateur de polarisation de l'analyseur de spectre selon l'invention;
- la figure 7A est une vue de côté d'un deuxième mode de réalisation de l'analyseur de spectre, incorporant le séparateur de polarisation de la figure 6;
- la figure 7B est une vue de dessus de l'analyseur de spectre de la figure 7A;
- la figure 8 schématise un troisième mode de réalisation de l'analyseur de spectre selon l'invention, avec un quadruple passage sur réseau;
- la figure 9 représente un premier mode de réalisation des moyens d'adressage et de réception d'un analyseur de spectre selon l'invention;
- la figure 10 montre un deuxième mode de réalisation des moyens d'adressage et de réception selon l'invention;
- la figure 11 montre un troisième mode de réalisation des moyens d'adressage et de réception selon l'invention;
- la figure 12 représente un quatrième mode de réalisation des moyens d'adressage et de réception selon l'invention;
- la figure 13 schématise un système de calibrage in-situ intégré dans l'analyseur de spectre selon l'invention;
- la figure 14 montre des moyens d'adressage et de réception adaptés au système de calibrage de la figure 13.
- la figure 1 est un schéma synoptique d'un mode de réalisation de l'analyseur de spectre selon l'invention;
- la figure 2 est un schéma de principe illustrant le fonctionnement de l'analyseur de spectre de la figure 1;
- la figure 3 représente un premier mode de réalisation du séparateur de polarisation de l'analyseur de spectre des figures 1 et 2;
- la figure 4A est une vue de côté de l'analyseur de spectre des figures 1 et 2 munie du séparateur de polarisation de la figure 3;
- la figure 4B est une vue de dessus de l'analyseur de spectre représenté sur la figure 4A;
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- la figure 14 montre des moyens d'adressage et de réception adaptés au système de calibrage de la figure 13.
Sur les figures, les faisceaux sont représentés par leurs rayons centraux.
Un analyseur de spectre avec réseau de diffraction en configuration de
Littmann-Metcalf, tel que celui schématisé sur la figure 1, comprend des moyens d'adressage 1, un réseau 2 de diffraction, un dièdre réflecteur 3 droit et des moyens de réception 5. Le dièdre réflecteur 3 est disposé dans l'analyseur de spectre de manière à renvoyer un faisceau lumineux émis par les moyens d'adressage 1 et diffracté une première fois vers le réseau 2 puis les moyens de réception 5, de façon à assurer un double passage du faisceau sur le réseau 2. Les moyens de réception 5 sont reliés à un ou plusieurs photodétecteurs 6, détectant le faisceau reçu, et transmettant des signaux produits par la détection à une unité de traitement 7. De manière classique, dans une configuration de Littmann-Metcalf, le dièdre réflecteur 3 est mobile en rotation, chaque angle de réflexion permettant de sélectionner une longueur d'onde de mesure.
Littmann-Metcalf, tel que celui schématisé sur la figure 1, comprend des moyens d'adressage 1, un réseau 2 de diffraction, un dièdre réflecteur 3 droit et des moyens de réception 5. Le dièdre réflecteur 3 est disposé dans l'analyseur de spectre de manière à renvoyer un faisceau lumineux émis par les moyens d'adressage 1 et diffracté une première fois vers le réseau 2 puis les moyens de réception 5, de façon à assurer un double passage du faisceau sur le réseau 2. Les moyens de réception 5 sont reliés à un ou plusieurs photodétecteurs 6, détectant le faisceau reçu, et transmettant des signaux produits par la détection à une unité de traitement 7. De manière classique, dans une configuration de Littmann-Metcalf, le dièdre réflecteur 3 est mobile en rotation, chaque angle de réflexion permettant de sélectionner une longueur d'onde de mesure.
L'analyseur de spectre comprend un dispositif d'ajustement 4 en rotation du dièdre réflecteur 3, relié à l'unité de traitement 7, qui permet de faire varier l'angle de réflexion du dièdre 3. L'unité de traitement 7 produit un spectre du faisceau, à partir des signaux reçus en provenance du photodétecteur 6 et du dispositif d'ajustement 4.
Selon l'invention, I'analyseur de spectre comporte aussi un séparateur de polarisation 11 interposé entre les moyens d'adressage 1 et de réception 5 d'une part, et le réseau 2 d'autre part. Le séparateur de polarisation 11 partage un faisceau incident 101 émis par les moyens d'adressage 1 en un premier et un second faisceaux secondaires 102 et 104 parallèles, de lumière polarisée linéairement selon des directions orthogonales. L'analyseur de spectre comprend aussi une lame D'2 référencée 12, disposée sur le trajet du premier faisceau secondaire 102.
Le réseau 2 étant muni de traits 40 parallèles (figure 2), le premier faisceau secondaire 102 a sa direction de polarisation parallèle aux traits 40, tandis que le second faisceau secondaire 104 a sa direction de polarisation perpendiculaire aux traits 40. La lame 12 fait tourner la polarisation parallèle du premier faisceau secondaire 102 pour la mettre dans la polarisation orthogonale.
Le premier faisceau secondaire 103 ainsi obtenu et le second faisceau secondaire 104 attaquent ainsi tous deux le réseau 2 avec une polarisation linéaire perpendiculaire aux traits 40. On gagne ainsi beaucoup d'énergie, puisqu'on réduit au maximum les pertes engendrées par la diffraction sur le réseau 2.
En fonctionnement, on émet le faisceau incident 101 avec les moyens d'adressage 1, on le partage en les deux faisceaux secondaires 103 et 104 de lumière polarisée linéairement selon une direction perpendiculaire aux traits 40 du réseau 2, et on diffracte une première fois les faisceaux secondaires 103 et 104 aux moyens du réseau 2. On réfléchit alors au moyen du dièdre 3 les faisceaux secondaires 105 et 106 issus respectivement des faisceaux secondaires 103 et 104 en des faisceaux secondaires 107 et 108 réfléchis, en échangeant les directions des faisceaux secondaires 105 et 106. On diffracte une seconde fois les faisceaux secondaires dans le réseau 2, de façon à produire les premier et second faisceaux secondaires 109 et 110 diffractés deux fois. Le second faisceau secondaire 110 ayant un état de polarisation, on applique à cet état une rotation de 90" au moyen de la lame 12, puis on recombine le premier faisceau secondaire 109 et le second faisceau secondaire 111 ainsi obtenu en un même faisceau principal 112, au moyen du séparateur 11. On reçoit et on détecte ensuite le faisceau principal 112, par les moyens de réception 5 et les photodétecteurs 6, et on produit un spectre du faisceau grâce à l'unité de traitement 7.
Selon un premier mode de réalisation du séparateur de polarisation 11, celui-ci est un séparateur périscopique lIA, représenté sur la figure 3. Ce séparateur liA comporte un prisme 13 ayant une forme de triangle rectangle comprenant une hypoténuse 16 et deux côtés perpendiculaires 14 et 15. Le séparateur 11A comprend également une lame 17 à faces parallèles adaptée sur l'hypoténuse 16 du prisme 13. L'hypoténuse 16 est traitée pour séparer les polarisations du faisceau incident 101. Elle reçoit le faisceau incident 101 et le partage en les premier et second faisceaux secondaires 102 et 104A. Le premier faisceau secondaire 102 poursuit la même direction que le faisceau incident 101, dans le prisme 13, tandis que le second faisceau secondaire 1 04A est dirigé perpendiculairement au faisceau incident 101 dans la lame 17. La lame 17 redresse le second faisceau secondaire 1 04A parallèlement au premier faisceau secondaire 102, le faisceau 104A devenant le faisceau 104. La face aval du périscope est repolie, ce qui assure une bonne planéité entre la lame 17 et le prisme 13 et permet d'avoir un bon parallélisme entre les deux faisceaux secondaires 102 et 104.
La lame AJ2 référencée 12 est placée contre le côté 15 du prisme 13, de façon à mettre la polarisation du faisceau 102 en position perpendiculaire.
D'autres assemblages de prismes et de lames peuvent être utilisés, du moment qu'ils produisent le partage du faisceau incident 101 en les deux faisceaux secondaires 103 et 104 parallèles et de polarisations linéaires parallèle et perpendiculaire aux traits 40 du réseau 2.
Le séparateur périscopique est adapté à un faisceau de diamètre assez large, nécessitant un système avec des ouvertures assez importantes.
Les moyens d'adressage 1 et de réception 5 associés au séparateur périscopique 1 1A peuvent comprendre une fibre optique 31 et un collimateur 32, comme illustré sur les figures 4A et 4B. La fibre 31 est préférentiellement une fibre monomode et le collimateur 32 est avantageusement un doublet diode laser interposé entre la fibre 31 et le séparateur 11A. Le collimateur 32 peut également être une lentille asphérique.
En fonctionnement, on émet un faisceau lumineux 100 divergeant, de rayons marginaux 100, - 1004, au moyen de la fibre 31. Ce faisceau 100 est transformé par le collimateur 32 en un faisceau parallèle, qui est le faisceau incident 101, de rayons marginaux 101 i-I 014. Les faisceaux secondaires 103 et 104, de rayons marginaux respectifs 1031-1034 et 1041-1042, forment sur le réseau 2 respectivement des ellipses 81 et 82 d'intersection des faisceaux 103,104 et du réseau 2. Ils deviennent ensuite les faisceaux 105 et 106, de rayons marginaux respectifs 105,-1054 et 1 06i-1 062. Au retour, on fait converger le faisceau principal 112, qui est un faisceau parallèle, vers la fibre 31 au moyen du collimateur 32.
Un montage particulier, représenté de manière détaillée sur les figures 5A et 5B, fournit un exemple particulier d'un analyseur de spectre selon l'invention muni d'un séparateur périscopique 11A, d'une fibre optique 31 et d'un collimateur 32 sous la forme d'un doublet diode laser. En ce qui concerne la partie opto mécanique, l'ensemble des pièces est posé sur une poutre 41 assez épaisse pour être très rigide et pour assurer une bonne planéité. Cette poutre 41 repose par un pied 42 sur un socle 43.
Le séparateur périscopique 11A et le collimateur 32 sont collés sur des supports adaptés puis vissés sur une plate-forme constituée par la partie supérieure de la poutre 41. En revanche, le réseau 2 est directement collé à la colle UV. La fibre 31, munie d'une tête optique 33, repose sur un support 44, maintenu avec un positionneur XYZ afin de réaliser un réglage fin. Le support 44 est fixé avec des cales en silice, maintenues par une colle qu'on insole aux UV.
L'analyseur de spectre comprend une platine 50 de rotation supportant le dièdre 3. La précision de la rotation est assurée par des roulements à billes de précision et le déplacement de la platine 50 s'opère grâce à un moteur 53 pas-àpas par le biais d'une vis micrométrique 51 de précision. La platine 50 est solidaire d'un doigt 52 actionné par la vis micrométrique 51: le moteur 53 entraîne la vis 51, qui elle-même pousse le doigt 52 de la platine 50. Le mouvement retour se fait grâce à un ressort tendu entre le doigt 52 et le support de la vis 51.
L'analyseur de spectre comprend aussi un commutateur 55 électrique agissant sur un doigt 56 solidaire de la platine 50. Ce commutateur 55 donne le zéro à chaque mise sous tension de l'analyseur.
Les actions du moteur 53 et du commutateur 55 sont avantageusement commandées par des cartes électroniques.
Dans un exemple particulier de réalisation, le réseau 2 comprend 900 traits/mm, l'angle d'incidence sur le réseau 2 vaut 12", et le collimateur a une focale f égale à 40 mm. Cette focale élevée, qui conduit à un diamètre de faisceau supérieur à 10 mm, est possible grâce au séparateur périscopique 11A. La résolution théorique du système valant 26 pm, on obtient en pratique 30 à 35 pm.
Dans un second mode de réalisation du séparateur de polarisation 11, celui-ci est un cristal biréfringent 11 B. Dans un exemple représenté sur la figure 6, il s'agit d'un cristal de calcite, ayant un axe optique 18 dirigé à 45C de la face d'entrée et une longueur L. Le cristal 11B partage le faisceau incident 101 en les deux faisceaux secondaires 102 et 104, séparés d'une distance e valant 10% de la longueur L. Préférentiellement, les faces d'entrée et de sortie du cristal sont bien polies parallèlement, le parallélisme des faisceaux de sortie étant alors très bon.
Les cristaux biréfringents Il B sont bien adaptés à de petits faisceaux.
Dans un deuxième mode de réalisation d'un analyseur selon l'invention, représenté aux figures 7A et 7B, celui-ci incorpore le séparateur de polarisation sous la forme d'un cristal biréfringent 11B. Sur ces figures, les mêmes éléments que ceux des figures 5A et 5B sont désignés par les mêmes références.
Le collimateur 32 a une focale f réduite, de façon à ce que le faisceau incident 101 ait une taille suffisamment faible pour être adapté au cristal biréfringent llB. L'analyseur de spectre comprend une paire de prismes anamorphoseurs 25 et 26, disposée entre le cristal biréfringent Il B et le réseau 2, qui compense la diminution de la focale f. De la sorte, on conserve une bonne résolution.
A titre d'exemple, le collimateur 32 a une focale f de 10 mm, le faisceau de sortie ayant un diamètre d'environ 3 mm et les prismes anamorphoseurs 25, 26 donnant au faisceau incident 101 une largeur d'environ 10 mm.
Dans un troisième mode de réalisation, de l'analyseur de spectre, représenté sur la figure 8, on dispose un réflecteur auxiliaire 8 sur le trajet retour des faisceaux secondaires 115, 116 diffractés deux fois. Ce réflecteur auxiliaire 8 est par exemple un petit dièdre. En fonctionnement, les faisceaux secondaires sont réfléchis par le réflecteur auxiliaire 8 vers le réseau 2 puis le dièdre réflecteur 3, de telle sorte qu'ils passent donc quatre fois sur le réseau 2 avant d'être combinés en le faisceau principal.
Une telle configuration à quatre passages consiste de préférence en un montage à double étages. Lorsque le séparateur de polarisation est un cristal biréfringent 11 B, ce montage ne nécessite pas un réseau 2 trop haut, grâce à la taille réduite des faisceaux dans la dimension verticale (perpendiculaire à la direction de propagation et dans ie plan de la figure 8), I'anamorphose n'ayant lieu que dans la dimension horizontale.
La configuration à quatre passages peut être également obtenue par un montage avec deux réseaux symétrisés.
Dans un premier mode de réalisation des moyens d'adressage 1 et de réception 5, représenté sur la figure 9, l'analyseur comprend un coupleur 3 dB référencé 20, comprenant deux branches d'entrée 21, 22 et deux branches de sortie 23, 24. La première branche d'entrée 21 est reliée à la tête optique 33 de la fibre optique 31 et la seconde branche d'entrée 22 a son extrémité 25 polie en biais. La première branche de sortie 23 est reliée à une entrée 34 de l'analyseur par laquelle parvient un signal lumineux et la seconde branche de sortie 24 est reliée à une carte électronique 45 de mesure de puissance. En fonctionnement, la lumière est ainsi transmise de l'entrée 34 vers la tête optique 33, puis au retour dirigée de la tête optique 33 vers la carte 45 pour des mesures.
Dans un second mode de réalisation des moyens d'adressage et de réception, représenté sur la figure 10, I'analyseur comprend un circulateur optique 70 ayant trois branches 71-73 successives dans un sens de circulation 74. Ces trois branches 71-73 sont respectivement reliées à l'entrée 34 de l'analyseur, à la tête optique 33 et à la carte électronique 45. Ce mode de réalisation présente t'avantage de générer de très faibles pertes d'énergie.
Dans un troisième mode de réalisation des moyens d'adressage et de réception, représenté sur la figure 11, la fibre optique 31 est remplacée par deux fibres optiques 35 et 36 monomodes respectivement d'entrée et de sortie. Les deux fibres 35 et 36 sont placées horizontalement à une distance d l'une de l'autre, leurs faces étant dans un même plan vertical. La distance d vaut par exemple 125 pm.
On obtient ainsi de très faibles pertes d'énergie et l'indépendance en polarisation au niveau de l'émission et de ia réception.
Dans une variante de ce troisième mode de réalisation, représentée sur la figure 12, I'analyseur comprend un coupleur 37 coupé en deux, de manière à définir deux fibres 38 et 39 côte à côte respectivement d'entrée et de sortie.
Avantageusement, le réseau 2 a un traitement réfléchissant en or. Ce traitement donne une bonne efficacité du réseau 2 pour de faibles angles d'incidence.
Dans un mode de réalisation préféré de l'analyseur de spectre, celui-ci comporte un système d'adressage de référence, qui complète éventuellement un commutateur 55. Ce système d'adressage de référence fait partie intégrante de l'analyseur et permet ainsi un calibrage in-situ.
Dans un exemple particulier d'un tel système, représenté sur la figure 13, celui-ci comprend un coupleur 3 dB référencé 60, ayant deux branches d'entrée 61, 62 et deux branches de sortie 63, 64. Les deux branches d'entrée 61 et 62 sont respectivement reliées à la tête optique 33 de la fibre optique 31 et à une diode 57 électroluminescente (LED), tandis que les deux branches de sortie 63 et 64 sont respectivement reliées à un réflecteur de Bragg 58 et à la carte électronique 45. Le réflecteur de Bragg 58 a préférentiellement une largeur faible, par exemple de 100 pm et la diode 57 a une largeur de bande suffisante pour être dans la longueur d'onde de réflexion du réflecteur 58. En fonctionnement, on éclaire le réflecteur de
Bragg 58 avec la diode 57, on renvoie la lumière réfléchie par le réflecteur 58 dans la tête optique 33 en adressage, puis on la récupère en réception dans cette tête optique 33 pour l'envoyer vers la carte électronique 45. La lumière mesurée donne une référence absolue au système optique, précise et avec une très bonne répétatibilité dans le temps.
Bragg 58 avec la diode 57, on renvoie la lumière réfléchie par le réflecteur 58 dans la tête optique 33 en adressage, puis on la récupère en réception dans cette tête optique 33 pour l'envoyer vers la carte électronique 45. La lumière mesurée donne une référence absolue au système optique, précise et avec une très bonne répétatibilité dans le temps.
A titre d'exemple, si le réflecteur de Bragg 58 a une largeur de 100 pm, il est possible d'assurer une référence en longueur d'onde à 10 pm près, de manière répétable.
La dépendance en température du réflecteur 58 peut être résolue par un asservissement en température, ou une mesure de la température au moment du calibrage permettant de retrouver la longueur d'onde précise d'adressage.
Le système d'adressage de référence comprend avantageusement une fibre optique 59 supplémentaire d'adressage, reliée à la tête optique 33. Celle-ci peut compléter l'un des modes de réalisation précédemment décrits des moyens d'adressage et de réception, tels que le troisième mode de réalisation avec deux fibres optiques 35 et 36. Dans ce cas, on serre p
Claims (12)
1. Analyseur de spectre optique d'un faisceau lumineux incident (101) comprenant:
- des moyens d'adressage (1, 31-35, 38) du faisceau lumineux incident (101),
- un réseau de diffraction (2) muni de traits (40) parallèles, recevant et diffractant une première fois ledit faisceau (103, 104),
- un dièdre réflecteur (3) droit, recevant le faisceau (105, 106) diffracté une fois et le réfléchissant vers le réseau (2), ledit réseau (2) diffractant une seconde fois ledit faisceau (107, 108),
- un dispositif d'ajustement (4,50-53) en rotation du dièdre réflecteur (3), permettant de sélectionner des longueurs d'onde de mesure,
- des moyens de réception (5, 31-33, 36, 39)du faisceau (112) sélectionné,
- au moins un photodétecteur (6) relié aux moyens de réception (5, 31-33, 36, 39), détectant le faisceau reçu (112), et
- une unité de traitement (7) reliée aux photodétecteurs (6) et au dispositif d'ajustement (4, 50-53), produisant un spectre du faisceau, caractérisé en ce qu'il comprend:
- un séparateur de polarisation (11) interposé entre les moyens (1, 5, 3139) d'adressage et de réception, d'une part, et le réseau (2) de diffraction d'autre part, partageant le faisceau incident (101) en un premier et un second faisceaux secondaires (102, 104) parallèles, de lumière polarisée linéairement selon des directions respectivement parallèle et perpendiculaire aux traits (40) du réseau (2), et
- une lame X /2 (12) disposée sur le trajet du premier faisceau secondaire (102) de façon à lui donner une direction de polarisation perpendiculaire aux traits (40) du réseau (2), et en ce que le réseau (2), le dièdre réflecteur (3) et le séparateur (lui) sont positionnés de telle sorte que le réseau (2) diffracte une première fois les faisceaux secondaires (103, 104), le dièdre réflecteur (3) échange leurs directions, le réseau (2) les diffracte une seconde fois et le séparateur (11) les recombine en un même faisceau principal (112), renvoyé vers les moyens de réception (5, 31-33, 36, 39).
2. Analyseur de spectre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un réflecteur auxiliaire (8) réfléchissant les faisceaux secondaires (115, 116) diffractés deux fois, et les renvoyant vers le réseau (2), ledit réseau (2) les diffractant une troisième fois, le dièdre réflecteur (3) les réfléchissant une seconde fois, le réseau (2)' les diffractant une quatrième fois et le séparateur (11) recombinant les faisceaux secondaires diffractés quatre fois en ledit même faisceau principal.
3. Analyseur de spectre selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le séparateur de polarisation (11A) est périscopique.
4. Analyseur de spectre selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le séparateur de polarisation (11 B) est un cristal biréfringent.
5. Analyseur de spectre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'adressage (1, 31-34) et de réception (5, 31-33) comportent une même fibre optique (31) et un collimateur (32), et l'analyseur de spectre comprend un coupleur (20), séparant le faisceau émis (100) et le faisceau reçu (112).
6. Analyseur de spectre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'adressage (1, 31-34) et de réception (5, 31-33) comportent une même fibre optique (31) et un collimateur (32), et l'analyseur de spectre comprend un circulateur (70) ayant au moins trois branches (71-73) successives dans un sens de circulation (74) du circulateur (70), respectivement reliées à une source lumineuse (34), à la fibre optique (31) et aux photodétecteurs (6).
7. Analyseur de spectre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'adressage (1, 34, 35, 38) comportent une fibre optique (35, 38) et un collimateur d'entrée et les moyens de réception (5, 36, 39) une fibre optique (36, 39) et un collimateur de sortie, lesdites fibres (35, 36, 38, 39) étant disposées côte à côte.
8. Analyseur de spectre selon la revendication 7, caractérisé en ce que les fibres d'entrée (38) et de sortie (39) sont accolées pour former un coupleur (37) coupé en deux.
9. Analyseur de spectre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un commutateur (55) électrique relié au dispositif d'ajustement (4, 50-53) en rotation du dièdre réflecteur (3), ledit commutateur (55) donnant une référence d'étalonnage à chaque mise sous tension de l'analyseur de spectre.
10. Analyseur de spectre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un système d'adressage de référence (57-64) connecté aux moyens d'adressage (1, 31-35, 38), émettant un faisceau d'étalonnage à au moins une longueur d'onde de référence dans l'analyseur.
11. Procédé d'analyse de spectre dans lequel:
- on adresse un faisceau lumineux incident (101),
- on diffracte une première fois ledit faisceau (103, 104) au moyen d'un réseau (2) de diffraction muni de traits (40) parallèles,
- on réfléchit le faisceau (105, 106) diffracté une fois vers le réseau (2), selon un angle de réflexion variable permettant de sélectionner une longueur d'onde de mesure,
- on diffracte une seconde fois ledit faisceau (107, 108),
- on reçoit et on détecte le faisceau (112) sélectionné, et
- on produit un spectre du faisceau à partir de ladite détection, par variation de l'angle de réflexion, caractérisé en ce que:
- après avoir émis le faisceau incident (101), on le partage en un premier et un second faisceaux secondaires (102, 104) parallèles, de lumière polarisée linéairement selon des directions respectivement parallèle et perpendiculaire aux traits (40) du réseau (2), au moyen d'un séparateur de polarisation (11),
- on donne au premier faisceau secondaire (102) une direction de polarisation perpendiculaire aux traits (40) du réseau (2),
- on diffracte une première fois les faisceaux secondaires (103, 104) au moyen du réseau (2),
- on les réfléchit vers le réseau (2),
- on les diffracte une seconde fois
- le second faisceau secondaire (110) ayant un état de polarisation, on applique audit état une rotation de 90 , et
- on recombine les faisceaux secondaires (109,111) en un même faisceau principal (112), au moyen du séparateur (11).
12. Procédé d'analyse de spectre selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'après avoir diffracté deux fois les faisceaux secondaires (I (115, 116):
- on les réfléchit vers le réseau (2),
- on les diffracte une troisième fois,
- on les réfléchit une seconde fois selon l'angle de réflexion variable vers le réseau (2),
- on les diffracte une quatrième fois, et
- on les recombine en ledit même faisceau principal (112).
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Also Published As
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|---|---|
| US5886785A (en) | 1999-03-23 |
| FR2754054B1 (fr) | 1998-12-18 |
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