FR3059779A1 - PHOTOACOUSTIC DETECTOR WITH OPTICAL READ - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un détecteur photoacoustique (10) comprenant : -un dispositif de modulation (MD) configuré pour induire sur un faisceau optique une modulation de phase (Aφ) dont l'amplitude est fonction de l'amplitude acoustique et dont la fréquence est fonction de la fréquence acoustique, -un interféromètre adaptatif (AI) configuré pour déterminer l'amplitude acoustique et la fréquence acoustique, et comprenant : * une source cohérente (LS) *un système optique (OS) configuré pour : diriger ledit faisceau référence (WR) et ledit faisceau signal (Ws) dans une zone de l'espace de manière à réaliser une figure d'interférence (IP), *un détecteur holographique (HD) comprenant un hologramme adaptatif (AH) généré à partir de la figure d'interférence, *au moins un détecteur optique (PhD) configuré pour détecter une intensité lumineuse (IDI0) d'au moins un faisceau diffracté par l'hologramme adaptatif, *une première unité de traitement (PU1) configurée pour déterminer le déplacement de l'élément mobile à partir de l'intensité lumineuse détectée.The invention relates to a photoacoustic detector (10) comprising: a modulation device (MD) configured to induce on an optical beam a phase modulation (Aφ) whose amplitude is a function of the acoustic amplitude and whose frequency is function of the acoustic frequency; - an adaptive interferometer (AI) configured to determine the acoustic amplitude and the acoustic frequency, and comprising: * a coherent source (LS) * an optical system (OS) configured to: direct said reference beam ( WR) and said signal beam (Ws) in an area of the space so as to realize an interference pattern (IP), * a holographic detector (HD) comprising an adaptive hologram (AH) generated from FIG. interference, at least one optical detector (PhD) configured to detect a light intensity (IDI0) of at least one beam diffracted by the adaptive hologram, a first processing unit (PU1) configured to determine the displacement of the movable element from the detected light intensity.
Description
Titulaire(s) : THALES Société anonyme, CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE CNRS Etablissement public.Holder (s): THALES Public limited company, NATIONAL CENTER FOR SCIENTIFIC RESEARCH CNRS Public establishment.
Demande(s) d’extensionExtension request (s)
Mandataire(s) : MARKS & CLERK FRANCE Société en nom collectif.Agent (s): MARKS & CLERK FRANCE General partnership.
DETECTEUR PHOTOACOUSTIQUE A LECTURE OPTIQUE.PHOTOACOUSTIC DETECTOR WITH OPTICAL READING.
FR 3 059 779 - A1 (5/) L'invention concerne un détecteur photoacoustique (10) comprenant:FR 3 059 779 - A1 (5 /) The invention relates to a photoacoustic detector (10) comprising:
-un dispositif de modulation (MD) configuré pour induire sur un faisceau optique une modulation de phase (A<p) dont l'amplitude est fonction de l'amplitude acoustique et dont la fréquence est fonction de la fréquence acoustique,a modulation device (MD) configured to induce phase modulation (A <p) on an optical beam, the amplitude of which is a function of the acoustic amplitude and the frequency of which is a function of the acoustic frequency,
-un interféromètre adaptatif (Al) configuré pour déterminer l'amplitude acoustique et la fréquence acoustique, et comprenant:an adaptive interferometer (Al) configured to determine the acoustic amplitude and the acoustic frequency, and comprising:
* une source cohérente (LS) *un système optique (OS) configuré pour:* a coherent source (LS) * an optical system (OS) configured to:
diriger ledit faisceau référence (WR) et ledit faisceau signal (Ws) dans une zone de l'espace de manière à réaliser une figure d'interférence (IP), * *un détecteur holographique (HD) comprenant un hologramme adaptatif (AH) généré à partir de la figure d'interférence, *au moins un détecteur optique (PhD) configuré pour détecter une intensité lumineuse (IDI0) d'au moins un faisceau diffracté par l'hologramme adaptatif, *une première unité de traitement (PU1 ) configurée pour déterminer le déplacement de l'élément mobile à partir de l'intensité lumineuse détectée.directing said reference beam (W R ) and said signal beam (Ws) in an area of space so as to produce an interference pattern (IP), * * a holographic detector (HD) comprising an adaptive hologram (AH) generated from the interference pattern, * at least one optical detector (PhD) configured to detect a light intensity (IDI0) of at least one beam diffracted by the adaptive hologram, * a first processing unit (PU1) configured to determine the displacement of the movable element from the detected light intensity.
Détecteur photoacoustique à lecture optiquePhotoacoustic optical reader
DOMAINE DE L’INVENTIONFIELD OF THE INVENTION
L’invention concerne le domaine de la détection des gaz par une méthode photoacoustique. L’invention concerne un détecteur photoacoustique pour lequel la lecture de l’onde acoustique à mesurer s’effectue par des moyens optiques, et plus particulièrement par des moyens interférométriques.The invention relates to the field of gas detection by a photoacoustic method. The invention relates to a photoacoustic detector for which the reading of the acoustic wave to be measured is carried out by optical means, and more particularly by interferometric means.
îo ETAT DE LA TECHNIQUEîo STATE OF THE ART
Les principales applications de la détection photoacoustique concernent la spectroscopie et le contrôle non destructif. Elles se situent dans des domaines très variés : physico-chimie, biologie, mesures thermiques, détection de polluants atmosphériques, imagerie... Du fait de ses capacités à la miniaturisation et à l'intégration, la détection photoacoustique offre des perspectives très prometteuses.The main applications of photoacoustic detection relate to spectroscopy and non-destructive testing. They are located in a wide variety of fields: physico-chemistry, biology, thermal measurements, detection of atmospheric pollutants, imaging ... Because of its capacities for miniaturization and integration, photoacoustic detection offers very promising prospects.
Le principe de la détection photoacoustique pour la spectroscopie des gaz est bien connu de l’homme de l’art. Un faisceau laser, de longueur d'onde choisie pour interagir spécifiquement avec les molécules du gaz recherché, est modulé à la fréquence de résonance acoustique d'une cavité contenant le gaz à analyser. L'absorption par les molécules du gaz, puis leur désexcitation par collision, produit un échauffement localisé qui, du fait de la modulation de la source, induit un champ de pression acoustique, lui-même détecté par un microphone.The principle of photoacoustic detection for gas spectroscopy is well known to those skilled in the art. A laser beam, of wavelength chosen to interact specifically with the molecules of the desired gas, is modulated at the acoustic resonance frequency of a cavity containing the gas to be analyzed. The absorption by the molecules of the gas, then their de-excitation by collision, produces a localized heating which, due to the modulation of the source, induces a sound pressure field, itself detected by a microphone.
L’utilisation de microphones conventionnels pour mesurer l’onde acoustique limite la sensibilité des cellules photo-acoustiques (bruit électronique). De récents développements sont basés sur la lecture optique du déplacement d’une membrane. Le document W02004/029593 décrit un détecteur 20 photoacoustique à lecture optique par interférométrie classique, tel qu’illustré figure 1.The use of conventional microphones to measure the acoustic wave limits the sensitivity of photoacoustic cells (electronic noise). Recent developments are based on the optical reading of the displacement of a membrane. The document WO2004 / 029593 describes a photoacoustic detector 20 with optical reading by conventional interferometry, as illustrated in FIG. 1.
Le détecteur 20 comprend une chambre Ch remplie du gaz G à analyser. Le détecteur comprend également une fenêtre W par laquelle le faisceau laser de caractérisation Lch pénètre dans la chambre pour interagir avec le gaz G. L’interaction donne naissance à une onde acoustique AW à mesurer. La longueur d’onde est typiquement infrarouge ou visible. La chambre Ch présente une ouverture Ap comprenant un élément mobile en porte-à-faux Cant (« cantilever» en anglais) se comportant comme un capteur de pression. Sous l’effet de l’onde acoustique, l’élément Cant se déplace de x, ce déplacement étant fonction de la fréquence et de l’amplitude de l’onde acoustique AW à caractériser. Ce déplacement est mesuré par une méthode optique, à l’aide d’un interféromètre de Michelson Mich disposé à l’extérieur de la chambre Ch, comme illustré figure 1. Préférentiellement l’interféromètre Mich est disposé dans une deuxième chambre.The detector 20 comprises a chamber Ch filled with the gas G to be analyzed. The detector also includes a window W through which the characterization laser beam Lch enters the chamber to interact with the gas G. The interaction gives rise to an acoustic wave AW to be measured. The wavelength is typically infrared or visible. The chamber Ch has an opening Ap comprising a cantilever cant mobile element (“cantilever” in English) behaving like a pressure sensor. Under the effect of the acoustic wave, the Cant element moves by x, this displacement being a function of the frequency and the amplitude of the acoustic wave AW to be characterized. This displacement is measured by an optical method, using a Michelson Mich interferometer placed outside the chamber Ch, as illustrated in FIG. 1. Preferably the Mich interferometer is placed in a second chamber.
L’interféromètre comprend une source laser LS, un séparateur de faisceau BSo, une partie du faisceau émis par la source se réfléchissant sur un miroir plan de référence MO (faisceau référence) et l’autre partie se réfléchissant sur l’élément Cant (faisceau signal). Les deux faisceaux, référence et signal, sont recombinés par le même séparateur et interfèrent dans une zone de l’espace, formant une figure d’interférence, dans laquelle est positionné un détecteur, typiquement une photodiode, Do. La variation de chemin optique entre le faisceau référence et le faisceau signal, proportionnel au déplacement x (angulaire) de l’élément Cant, crée un mouvement latéral de la figure d’interférence, résultant en une variation d’intensité en fonction du temps en un point donné de la figure d’interférence. Cette intensité est mesurée par la photodiode Do, qui est constitué de trois détecteurs et est configuré pour développer % de franges.The interferometer includes a laser source LS, a beam splitter BSo, part of the beam emitted by the source reflecting on a reference plane mirror MO (reference beam) and the other part reflecting on the element Cant (beam signal). The two beams, reference and signal, are recombined by the same separator and interfere in an area of space, forming an interference pattern, in which is positioned a detector, typically a photodiode, Do. The variation of the optical path between the reference beam and the signal beam, proportional to the x (angular) displacement of the element Cant, creates a lateral movement of the interference pattern, resulting in a variation of intensity as a function of time in a given point in the interference figure. This intensity is measured by the photodiode Do, which is made up of three detectors and is configured to develop% of fringes.
Ce type d’interféromètre est très sensible au désalignement des composants optiques, par exemple une légère inclinaison du miroir plan MO.This type of interferometer is very sensitive to misalignment of the optical components, for example a slight inclination of the plane mirror MO.
Pour tenter de résoudre ce problème, une lentille L0 focalise la lumière sur la surface de l’élément Cant et du miroir MO.In an attempt to resolve this problem, an L0 lens focuses light on the surface of the Cant element and the MO mirror.
Cependant, cette mesure interférométrique reste très sensible à la fois au désalignement d’un composant du montage et à toute perturbation des faisceaux référence et signal. Par exemple, si l’élément Cant présente une surface diffusante ou « bosselée », les franges d’interférence vont se brouiller, rendant la détection bruitée et difficile.However, this interferometric measurement remains very sensitive both to the misalignment of a component of the assembly and to any disturbance of the reference and signal beams. For example, if the Cant element has a diffusing or "bumpy" surface, the interference fringes will blur, making detection noisy and difficult.
Un but de la présente invention est de palier aux inconvénients précités en proposant un détecteur photoacoustique à lecture optique basé sur de l’interférométrie adaptative à la fois robuste, insensible au désalignement et aux perturbations, et à très grande sensibilité.An object of the present invention is to overcome the aforementioned drawbacks by proposing a photoacoustic detector with optical reading based on adaptive interferometry which is both robust, insensitive to misalignment and disturbances, and very sensitive.
DESCRIPTION DE L’INVENTIONDESCRIPTION OF THE INVENTION
La présente invention a pour objet un détecteur photoacoustique comprenant :The subject of the present invention is a photoacoustic detector comprising:
-un chambre apte à contenir un gaz à analyser,-a chamber capable of containing a gas to be analyzed,
-une fenêtre configurée pour laisser passer une lumière de caractérisation modulée ou pulsée dans ladite chambre, ladite lumière étant apte à interagir avec le gaz à analyser de manière à générer une onde acoustique dans la chambre, ladite onde acoustique présentant une amplitude acoustique et une fréquence acoustique,a window configured to let a modulated or pulsed characterization light pass through said chamber, said light being capable of interacting with the gas to be analyzed so as to generate an acoustic wave in the chamber, said acoustic wave having an acoustic amplitude and a frequency acoustic,
-un dispositif de modulation configuré pour induire sur un faisceau optique une modulation de phase dont l’amplitude est fonction de ladite amplitude acoustique et dont la fréquence est fonction de la fréquence acoustique,a modulation device configured to induce phase modulation on an optical beam, the amplitude of which is a function of said acoustic amplitude and the frequency of which is a function of acoustic frequency,
-un interféromètre adaptatif configuré pour déterminer l’amplitude acoustique et la fréquence acoustique, et comprenant :-an adaptive interferometer configured to determine the acoustic amplitude and the acoustic frequency, and comprising:
* une source cohérente configurée pour émettre un faisceau initial, *un système optique configuré pour :* a coherent source configured to emit an initial beam, * an optical system configured to:
-générer à partir du faisceau initial un premier faisceau dénommé faisceau de référence et un deuxième faisceau incident sur le dispositif de modulation,-generate from the initial beam a first beam called the reference beam and a second beam incident on the modulation device,
-recueillir ledit deuxième faisceau modulé en phase issu du dispositif de modulation dénommé faisceau signal,collecting said second phase modulated beam from the modulation device called signal beam,
-diriger ledit faisceau référence et ledit faisceau signal dans une zone de l’espace de manière à réaliser une figure d’interférence, *un détecteur holographique comprenant un hologramme adaptatif généré à partir de la figure d’interférence, *au moins un détecteur optique configuré pour détecter une intensité lumineuse d’au moins un faisceau diffracté par l’hologramme adaptatif et générer un signal détecté, *une première unité de traitement configurée pour démoduler le signal détecté de manière à déterminer ladite amplitude acoustique et ladite fréquence acoustique.directing said reference beam and said signal beam in an area of space so as to produce an interference figure, * a holographic detector comprising an adaptive hologram generated from the interference figure, * at least one optical detector configured to detect a light intensity of at least one beam diffracted by the adaptive hologram and generate a detected signal, * a first processing unit configured to demodulate the detected signal so as to determine said acoustic amplitude and said acoustic frequency.
Selon un mode de réalisation la chambre présente une ouverture dans sa paroi et le dispositif de modulation comprend un élément mobile disposé dans ladite ouverture de la paroi et configuré pour générer un déplacement fonction de la variation de pression générée par la propagation de l’onde acoustique dans la chambre, ladite modulation de phase étant obtenue par réflexion du deuxième faisceau sur l’élément mobile.According to one embodiment, the chamber has an opening in its wall and the modulation device comprises a mobile element disposed in said opening in the wall and configured to generate a displacement as a function of the pressure variation generated by the propagation of the acoustic wave. in the chamber, said phase modulation being obtained by reflection of the second beam on the mobile element.
Selon un autre mode de réalisation le dispositif de modulation comprend une fibre optique au moins en partie disposée dans ladite chambre, présentant une extrémité d’entrée par laquelle est injecté le deuxième faisceau et une extrémité de sortie de laquelle sort le faisceau signal, ladite modulation en phase étant obtenue par un changement du chemin optique dans la fibre sous l’effet de la variation de pression générée par la propagation de l’onde acoustique dans la chambre.According to another embodiment, the modulation device comprises an optical fiber at least partially disposed in said chamber, having an inlet end through which the second beam is injected and an outlet end from which the signal beam exits, said modulation in phase being obtained by a change in the optical path in the fiber under the effect of the pressure variation generated by the propagation of the acoustic wave in the chamber.
Selon une variante le système optique comprend un premier séparateur de faisceau configuré pour générer à partir du faisceau initial un faisceau destiné à devenir le faisceau de référence et un faisceau destiné à devenir le deuxième faisceau, et un deuxième séparateur de faisceau configuré pour recueillir le faisceau signal et combiner le faisceau signal avec le faisceau de référence de manière à réaliser la figure d’interférence.According to a variant, the optical system comprises a first beam splitter configured to generate from the initial beam a beam intended to become the reference beam and a beam intended to become the second beam, and a second beam splitter configured to collect the beam signal and combine the signal beam with the reference beam to achieve the interference pattern.
Selon une variante l’hologramme adaptatif est constitué d’un modulateur spatial de lumière à adressage optique comprenant une couche de cristal liquide disposée entre deux substrats, un des substrats comprenant un matériau photoconducteur pour une longueur d’onde de la source cohérente, le modulateur spatial de lumière à adressage optique étant disposé de sorte qu’il recouvre au moins partiellement la figure d’interférence.According to a variant the adaptive hologram consists of a spatial light modulator with optical addressing comprising a layer of liquid crystal disposed between two substrates, one of the substrates comprising a photoconductive material for a wavelength of the coherent source, the modulator spatial light source with optical addressing being arranged so that it at least partially covers the interference pattern.
Selon un mode de réalisation le matériau photoconducteur est de AsGa semi isolantAccording to one embodiment, the photoconductive material is semi-insulating AsGa
Selon un autre mode de réalisation l’hologramme adaptatif est constitué d’un cristal photoréfractif disposé de sorte qu’il recouvre au moins partiellement la figure d’interférence.According to another embodiment, the adaptive hologram consists of a photorefractive crystal arranged so that it at least partially covers the interference figure.
Selon une autre variante le détecteur holographique comprend :According to another variant, the holographic detector comprises:
-un capteur d’image matriciel disposé dans la zone de l’espace comprenant la figure d’interférence et configurée pour acquérir une image de la figure d’interférence,a matrix image sensor arranged in the area of the space comprising the interference figure and configured to acquire an image of the interference figure,
-une deuxième unité de traitement configurée pour traiter ladite image acquise, délivrant en sortie une image traitée,a second processing unit configured to process said acquired image, outputting a processed image,
-un modulateur spatial de lumière à adressage électrique configuré pour générer l’hologramme adaptatif à partir de l’image traitée, ledit modulateur spatial de lumière étant disposé de manière à être éclairé par le faisceau de référence et/ou le faisceau signal.a spatial light modulator with electrical addressing configured to generate the adaptive hologram from the image processed, said spatial light modulator being arranged so as to be illuminated by the reference beam and / or the signal beam.
Avantageusement le capteur d’image est un capteur de type CMOS ou CCD et le modulateur spatial de lumière est un modulateur à cristal liquide matriciel déposé sur un substrat en silicium.Advantageously, the image sensor is a CMOS or CCD type sensor and the spatial light modulator is a matrix liquid crystal modulator deposited on a silicon substrate.
Avantageusement le capteur d’image et le modulateur spatial de lumière présentent une dimension de pixel sensiblement égale.Advantageously, the image sensor and the spatial light modulator have a substantially equal pixel size.
Selon un mode de réalisation le système optique comprend en outre un troisième séparateur de faisceau configuré pour dédoubler la figure d’interférence, le capteur d’image étant positionné sur une première figure d’interférence et le modulateur spatial de lumière étant positionné sur une deuxième figure d’interférence, le capteur d’image et le modulateur spatial de lumière étant ainsi disposés symétriquement par rapport au troisième séparateur de faisceau.According to one embodiment, the optical system further comprises a third beam splitter configured to split the interference pattern, the image sensor being positioned on a first interference pattern and the spatial light modulator being positioned on a second interference figure, the image sensor and the spatial light modulator being thus arranged symmetrically with respect to the third beam splitter.
Selon une variante le système optique est configuré pour opérer au moins partiellement en mode fibré, et dans lequel au moins un séparateur de faisceau est un coupleur fibré.According to a variant, the optical system is configured to operate at least partially in fiber mode, and in which at least one beam splitter is a fiber coupler.
Avantageusement la fibre optique est directement couplée audit coupleur fibré.Advantageously, the optical fiber is directly coupled to said fiber coupler.
Selon une autre variante le système optique est configuré pour opérer en espace libre.According to another variant, the optical system is configured to operate in free space.
Selon un mode de réalisation le faisceau initial est issu d’une fibre optique multimode initiale.According to one embodiment, the initial beam comes from an initial multimode optical fiber.
D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :Other characteristics, objects and advantages of the present invention will appear on reading the detailed description which follows and with reference to the appended drawings given by way of nonlimiting examples and in which:
La figure 1 décrit un détecteur acoustique à lecture optique selon l’état de la technique.FIG. 1 describes an acoustic detector with optical reading according to the state of the art.
La figure 1 bis illustre un détecteur photoacoustique selon l’invention.FIG. 1 bis illustrates a photoacoustic detector according to the invention.
La figure 2 schématise les différents ordres de diffraction d’un hologramme adaptatif.Figure 2 shows schematically the different diffraction orders of an adaptive hologram.
La figure 3a illustre une première variante d’un détecteur photoacoustique selon l’invention.FIG. 3a illustrates a first variant of a photoacoustic detector according to the invention.
La figure 3b illustre une deuxième variante d’un détecteur photoacoustique selon l’invention.FIG. 3b illustrates a second variant of a photoacoustic detector according to the invention.
La figure 4 illustre un premier mode de réalisation de l’invention.FIG. 4 illustrates a first embodiment of the invention.
La figure 5 décrit le principe de fonctionnement d’un OASLM.Figure 5 describes the operating principle of an OASLM.
La figure 6 illustre un troisième mode de réalisation de l’invention.FIG. 6 illustrates a third embodiment of the invention.
La figure 7 illustre un mode de fonctionnement du détecteur selon l’invention dans lequel le modulateur spatial de lumière fonctionne en réflexion.FIG. 7 illustrates an operating mode of the detector according to the invention in which the spatial light modulator operates in reflection.
La figure 8 illustre une variante dans laquelle le détecteur photoacoustique selon l’invention opère au moins partiellement en mode fibré.FIG. 8 illustrates a variant in which the photoacoustic detector according to the invention operates at least partially in fiber mode.
La figure 9 illustre une variante dans laquelle le transducteur est une bobine de fibre optique couplée à un coupleur fibré et qui en constitue une de ces branches.FIG. 9 illustrates a variant in which the transducer is a coil of optical fiber coupled to a fiber coupler and which constitutes one of these branches.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTIONDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
La figure 1 bis illustre un détecteur photoacoustique 10 selon l’invention qui comprend une chambre Ch apte à contenir un gaz G à analyser et une fenêtre W configurée pour laisser passer une lumière de caractérisation Lch modulée ou pulsée dans la chambre Ch. La lumière de caractérisation est typiquement une source laser dans le domaine du visible ou de l’infrarouge. Cette lumière de caractérisation est apte à interagir avec le gaz G à analyser de manière à générer une onde acoustique AW dans la chambre, selon un principe connu. L’onde acoustique que l’on cherche à mesurer présente une amplitude acoustique Aaw et une fréquence acoustique Ω.FIG. 1 bis illustrates a photoacoustic detector 10 according to the invention which comprises a chamber Ch capable of containing a gas G to be analyzed and a window W configured to let through a light of characterization Lch modulated or pulsed in the chamber Ch. The light of characterization is typically a laser source in the visible or infrared domain. This characterization light is capable of interacting with the gas G to be analyzed so as to generate an acoustic wave AW in the chamber, according to a known principle. The acoustic wave that one seeks to measure has an acoustic amplitude A aw and an acoustic frequency Ω.
Le détecteur photoacoustique comprend également un dispositif de modulation MD configuré pour induire sur un faisceau optique une modulation de phase Δφ dont l’amplitude est fonction de AAw et dont la fréquence est fonction de la fréquence acoustique Ω, préférentiellement égale à Ω.The photoacoustic detector also comprises a modulation device MD configured to induce on an optical beam a phase modulation Δφ whose amplitude is a function of A A w and whose frequency is a function of the acoustic frequency Ω, preferably equal to Ω.
Deux principaux types de dispositif de modulation MD sont décrits plus loin.Two main types of MD modulation device are described below.
Le détecteur acoustique comprend également un moyen de lecture optique sous la forme d’un interféromètre adaptif Al configuré pour déterminer l’amplitude acoustique Aaw et la fréquence acoustique Ω à partir de Δφ.The acoustic detector also comprises an optical reading means in the form of an adaptive interferometer Al configured to determine the acoustic amplitude A aw and the acoustic frequency Ω from Δφ.
L’interféromètre Al comprend une source cohérente LS qui émet un faisceau initial Wo. Le faisceau initial traverse ensuite un système optique OS configuré pour générer à partir du faisceau initial WO un premier faisceau dénommé faisceau de référence Wr (correspondant à une fraction de WO) et un deuxième faisceau 101 incident sur le dispositif de modulation MD. Le système optique est également configuré pour recueillir le deuxième faisceau modulé en phase issu du dispositif de modulation MD, dénommé faisceau signal Ws. Ainsi le faisceau optique 101 en entrée de MD voit sa phase modifiée par MD, et il en résulte en sortie de MD un faisceau optique Ws dont la phase Δφ présente une amplitude de modulation fonction de AAw, préférentiellement proportionnelle à Aaw, et dont la fréquence de modulation est fonction de Ω, préférentiellement égale à Ω.The interferometer A1 comprises a coherent source LS which emits an initial beam Wo. The initial beam then passes through an optical system OS configured to generate from the initial beam WO a first beam called the reference beam Wr (corresponding to a fraction of WO) and a second beam 101 incident on the modulation device MD. The optical system is also configured to collect the second phase modulated beam from the modulation device MD, called the signal beam Ws. Thus the optical beam 101 at the input of MD sees its phase modified by MD, and the result at the output of MD is an optical beam Ws whose phase Δ has a modulation amplitude which is a function of A A w, preferably proportional to A aw , and whose modulation frequency is a function of Ω, preferably equal to Ω.
Enfin le système optique est configuré pour diriger le faisceau référence Wr et le faisceau signal Ws dans une zone de l’espace de manière à réaliser une figure d’interférence IP (« interférence pattern » en anglais) entre Wr et Ws. Suivant la nature du dispositif de modulation le front d’onde correspondant au faisceau signal peut être plus ou moins complexe.Finally, the optical system is configured to direct the reference beam Wr and the signal beam Ws into an area of space so as to produce an interference pattern IP ("interference pattern" in English) between Wr and Ws. Depending on the nature of the modulation device, the wave front corresponding to the signal beam can be more or less complex.
Le déphasage Δφ sur le faisceau signal, induit par MD, est codé sous la forme d’une variation d’intensité lumineuse ou figure d’interférence IP. L’interféromètre Al comprend également un détecteur holographique HD qui a pour fonction de transformer la figure d’interférence IP en hologramme de phase en temps réel. Pour cela HD comprend un hologramme adaptatif AH généré à partir de la figure d’interférence IP. L’hologramme adaptatif AH est constitué au moins d’un milieu apte à réaliser des réseaux de phase à partir de la figure d’interférence sensiblement en temps réel, avec un certain temps de réponse tr. Deux modes de réalisation du détecteur holographique sont décrits plus loin.The phase shift Δφ on the signal beam, induced by MD, is coded in the form of a variation in light intensity or IP interference figure. The interferometer A1 also includes an HD holographic detector which has the function of transforming the IP interference pattern into a phase hologram in real time. For this HD includes an AH adaptive hologram generated from the IP interference pattern. The adaptive hologram AH consists at least of a medium capable of producing phase networks from the interference pattern substantially in real time, with a certain response time tr. Two embodiments of the holographic detector are described below.
Eclairé par un faisceau incident correspondant à au moins un des faisceaux référence ou signal, l’hologramme adaptatif AH diffracte une pluralité de faisceaux diffractés selon différents ordres, tel qu’illustré figure 2. La valeur de l’intensité diffractée par chacun de ces ordres est fonction de l’amplitude du réseau de phase codé dans l’hologramme, lui-même directement relié à la phase du faisceau signal, soit à l’amplitude et à la fréquence de l’onde acoustique. Typiquement la modulation de phase optique Δφ est convertie linéairement en modulation de puissance optique diffractée.Illuminated by an incident beam corresponding to at least one of the reference or signal beams, the adaptive hologram AH diffracts a plurality of beams diffracted according to different orders, as illustrated in FIG. 2. The value of the intensity diffracted by each of these orders is a function of the amplitude of the phase network coded in the hologram, itself directly linked to the phase of the signal beam, ie to the amplitude and the frequency of the acoustic wave. Typically the optical phase modulation Δφ is converted linearly into diffracted optical power modulation.
L’interféromètre Al comprend également au moins un détecteur optique PhD, typiquement une photodiode, configuré pour détecter l’intensité lumineuse Idîo d’au moins un faisceau diffracté par l’hologramme adaptatif et ainsi transformer l’intensité lumineuse en signal électrique détecté. Une première unité de traitement PU1 démodule le signal détecté, et ainsi remonte à l’amplitude et la fréquence de l’onde acoustique.The interferometer A1 also includes at least one optical detector PhD, typically a photodiode, configured to detect the light intensity Idîo of at least one beam diffracted by the adaptive hologram and thus transform the light intensity into the detected electrical signal. A first processing unit PU1 demodulates the detected signal, and thus goes back to the amplitude and the frequency of the acoustic wave.
Selon une variante la mesure d’intensité se fait directement sur un des ordres diffractés, selon une autre variante on mesure l’intensité sur les deux ordres diffractés correspondant à la référence et au signal avec une détection balancée.According to a variant, the intensity measurement is made directly on one of the diffracted orders, according to another variant, the intensity is measured on the two diffracted orders corresponding to the reference and to the signal with balanced detection.
L’hologramme adaptatif AH s’adapte à toute variation de phase des champs optiques plus lente que son temps de réponse tr, typiquement inférieure à 100 Hz. Pour ces variations lentes, l’hologramme est inchangé et la diffraction des ondes sur cet hologramme inchangée. Il agit comme un filtre coupe-bas vis-à-vis du bruit de l’environnement. Pour des variations de phases plus rapides que son temps de réponse, la puissance optique diffractée par l’hologramme AH est modulée à la fréquence des variations de phase.The adaptive hologram AH adapts to any phase variation of the optical fields slower than its response time tr, typically less than 100 Hz. For these slow variations, the hologram is unchanged and the wave diffraction on this hologram unchanged . It acts as a low-cut filter against environmental noise. For phase variations faster than its response time, the optical power diffracted by the AH hologram is modulated at the frequency of the phase variations.
II est possible de détecter les intensités provenant de plusieurs ordres diffractés à l’aide de plusieurs photodétecteurs, à condition de les remettre en phase. En effet, en prenant comme référence la phase du faisceau de référence W, les ordres de diffraction supérieurs ou égal à l’ordrel ont la même phase, les ordres de diffraction inférieurs sont en antiphase. En détectant simultanément l’intensité issue de plusieurs ordres, on augmente le rapport signal sur bruit, et la mesure de l’amplitude du déplacement est plus précise.It is possible to detect the intensities coming from several diffracted orders using several photodetectors, provided that they are put back in phase. Indeed, taking as reference the phase of the reference beam W, the diffraction orders greater than or equal to the order have the same phase, the lower diffraction orders are in antiphase. By simultaneously detecting the intensity from several orders, the signal-to-noise ratio is increased, and the measurement of the amplitude of the movement is more precise.
Avantageusement on place le détecteur dans l’ordre 0 du faisceau de référence, qui présente l’intensité diffractée la plus élevée.Advantageously, the detector is placed in the 0 order of the reference beam, which has the highest diffracted intensity.
Le photodétecteur 10 selon l’invention présente de nombreux avantages.The photodetector 10 according to the invention has many advantages.
Du fait du caractère adaptatif de l’hologramme sensiblement en temps réel (au temps de réponse près), il est insensible au désalignement et perturbations des faisceaux incidents et signal.Due to the adaptive nature of the hologram substantially in real time (to the nearest response time), it is insensitive to misalignment and disturbance of the incident and signal beams.
Comme expliqué plus haut, du fait du temps de réponse tr, l’hologramme adaptatif AH filtre le bruit basse fréquence de l’environnement.As explained above, due to the response time tr, the adaptive hologram AH filters low frequency noise from the environment.
Un autre avantage est que le détecteur photoacoustique 10 présente une très grande sensibilité. En effet une caractéristique importante de l'holographie adaptative est que pour les petites modulations de phase d’amplitude la détection est toujours linéaire en □□ donc la puissance mesurée sur chaque ordre de sortie est directement proportionnelle à l'amplitude de la modulation de phase, et une mesure directe de □□ peut être réalisée en plaçant une photodiode sur l'un des ordres diffractés. Du fait du caractère linéaire de la détection, on peut mesurer des petits signaux, qui autrement seraient cachés par le bruitAnother advantage is that the photoacoustic detector 10 has a very high sensitivity. In fact, an important characteristic of adaptive holography is that for small amplitude phase modulations the detection is always linear in □ □ therefore the power measured on each output order is directly proportional to the amplitude of the phase modulation. , and a direct measurement of □ □ can be carried out by placing a photodiode on one of the diffracted orders. Due to the linear nature of the detection, small signals can be measured, which would otherwise be hidden by noise
En outre le détecteur 10 est compatible de fronts d’onde complexe issu de MD.In addition, the detector 10 is compatible with complex wave fronts from MD.
Selon une première variante illustrée figure 3a, la chambre du détecteur photoacoustique présente une ouverture dans sa paroi Ap, et le dispositif de modulation MD comprend un élément mobile ME disposé dans l’ouverture de la paroi Ap. L’élément mobile ME est configuré pour générer un déplacement (x ou Θ) fonction de la variation de pression générée par la propagation de l’onde acoustique dans la chambre. Pour ce type de dispositif, la modulation de phase est obtenue par réflexion du deuxième faisceau 101 sur l’élément mobile, via le déplacement de la membrane. Le faisceau réfléchit par ME constitue le faisceau signal Ws.According to a first variant illustrated in FIG. 3a, the photoacoustic detector chamber has an opening in its wall Ap, and the modulation device MD comprises a mobile element ME disposed in the opening of the wall Ap. The mobile element ME is configured to generate a displacement (x or Θ) as a function of the pressure variation generated by the propagation of the acoustic wave in the chamber. For this type of device, the phase modulation is obtained by reflection of the second beam 101 on the mobile element, via the displacement of the membrane. The beam reflected by ME constitutes the signal beam Ws.
L’élément mobile est typiquement une lamelle en porte-à-faux (« cantilever » en anglais), un diaphragme, une membrane par exemple en mylar ou métallique... Un avantage est que le design permettant à l’élément mobile de servir de capteur de pression est connu.The movable element is typically a cantilever ("cantilever" in English), a diaphragm, a membrane for example made of mylar or metallic ... An advantage is that the design allowing the movable element to serve pressure sensor is known.
Le déplacement mesuré de l’élément mobile est une translation x d’un point de l’élément ou une variation angulaire Θ. L’amplitude du déplacement est fonction de l’amplitude de l’onde acoustique Aaw, et la vitesse de déplacement est fonction de sa fréquence Ω.The measured displacement of the movable element is a translation x of a point of the element or an angular variation Θ. The amplitude of the movement is a function of the amplitude of the acoustic wave Aaw, and the speed of movement is a function of its frequency Ω.
Suivant la nature de l’élément mobile ME, par exemple plutôt réfléchissant ou diffusant, le front d’onde de Ws est plus ou moins complexe.Depending on the nature of the mobile element ME, for example rather reflecting or diffusing, the wavefront of Ws is more or less complex.
Lorsque ME présente une surface diffusante, le faisceau signal Ws présente des grains de « speckle », et la phase Δφ se retrouve codée dans les grains de speckle de la figure d’interférence IP. Le fonctionnement reste identique.When ME has a diffusing surface, the signal beam Ws has speckle grains, and the Δφ phase is coded in the speckle grains of the IP interference figure. The operation remains the same.
Selon une deuxième variante illustrée figure 3b, le dispositif de modulation MD comprend une fibre optique OF au moins en partie disposée dans la chambre Ch, qui peut être monomode ou multimode. La fibre OF présente une extrémité d’entrée IN par laquelle est injecté le deuxième faisceau 101 et une extrémité de sortie OUT de laquelle sort le faisceau signal W. Pour ce type de dispositif de modulation, la modulation en phase Δφ est obtenue par un changement du chemin optique dans la fibre sous l’effet de la variation de pression générée par la propagation de l’onde acoustique dans la chambre. En effet, l’onde acoustique qui se forme dans Ch est une onde de pression, et cette pression subie par la fibre induit un changement de chemin optique dans la fibre optique (modification de l’indice n et de la longueur L de la fibre). Ce changement de chemin optique, à la fréquence de l’onde acoustique Ω et avec une amplitude qui dépend de l’amplitude de l’onde acoustique, va modifier la phase du faisceau optique qui voyage dans la fibre. Cette phase modulée sort par l’extrémité OUT. Le transducteur de pression acoustique est ici constitué de la fibre optique (par exemple en bobine) immergée dans la chambre à gaz. Un avantage est que dans ce cas la détection est tout-optique et fibrée, sans composant mécanique. Préférentiellement l’extrémité IN présente un connecteur pour coupler le faisceau 101 à la fibre OF, et l’extrémité OUT présente un connecteur pour mettre en forme le signal Ws en sortie de fibre.According to a second variant illustrated in FIG. 3b, the modulation device MD comprises an optical fiber OF at least partially arranged in the chamber Ch, which can be single-mode or multimode. The fiber OF has an input end IN by which the second beam 101 is injected and an output end OUT from which the signal beam W exits. For this type of modulation device, the phase modulation Δφ is obtained by a change of the optical path in the fiber under the effect of the pressure variation generated by the propagation of the acoustic wave in the chamber. Indeed, the acoustic wave which forms in Ch is a pressure wave, and this pressure undergone by the fiber induces a change of optical path in the optical fiber (modification of the index n and the length L of the fiber ). This change in optical path, at the frequency of the acoustic wave Ω and with an amplitude which depends on the amplitude of the acoustic wave, will modify the phase of the optical beam traveling in the fiber. This modulated phase leaves via the OUT end. The acoustic pressure transducer here consists of optical fiber (for example in a coil) immersed in the gas chamber. An advantage is that in this case the detection is all-optical and fiber, without mechanical component. Preferably, the IN end has a connector for coupling the beam 101 to the OF fiber, and the OUT end has a connector for shaping the signal Ws at the fiber output.
Selon un mode de réalisation illustré figure 4 et figure 6 le système optique OS comprend un premier séparateur de faisceau BS1 configuré pour générer, à partir du faisceau initial Wo, un faisceau destiné à devenir le faisceau de référence Wr et un faisceau destiné à devenir le deuxième faisceau 101 incident sur le dispositif de modulation. Le système optique comprend également un deuxième séparateur de faisceau BS2 configuré pour recueillir le faisceau signal Ws en sortie du dispositif MD et combiner le faisceau signal Ws avec le faisceau de référence Wr de manière à réaliser la figure d’interférence en une zone de l’espace.According to an embodiment illustrated in FIG. 4 and FIG. 6, the optical system OS comprises a first beam splitter BS1 configured to generate, from the initial beam Wo, a beam intended to become the reference beam Wr and a beam intended to become the second beam 101 incident on the modulation device. The optical system also includes a second beam splitter BS2 configured to collect the signal beam Ws at the output of the device MD and combine the signal beam Ws with the reference beam Wr so as to produce the interference pattern in a zone of the space.
Selon un premier mode de réalisation illustré figure 4 l’hologramme adaptatif AH est constitué d’un modulateur spatial de lumière à adressage optique OASLM disposé de sorte qu’il recouvre au moins partiellement la figure d’interférence IP. Dans ce cas le détecteur holographique HD comprend uniquement l’OASLM.According to a first embodiment illustrated in FIG. 4, the adaptive hologram AH consists of a spatial light modulator with optical addressing OASLM arranged so that it at least partially covers the IP interference figure. In this case, the HD holographic detector only includes the OASLM.
Nous allons à présent décrire le principe de fonctionnement d’un OASLM, tel qu’illustré figure 5, également dénommé valve à cristal liquide ou LCLV pour « Liquid crystal light valve » en anglais. Un exemple d’hologramme adaptatif à base d’OASLM est par exemple décrit dans la publication « picometer détection by adaptative holographie interferomatry in a liquid crystal light valve », Bortolozzo et al, Optics letters, vol 34 n°13, 2009.We will now describe the operating principle of an OASLM, as illustrated in FIG. 5, also called liquid crystal valve or LCLV for "Liquid crystal light valve" in English. An example of an adaptive hologram based on OASLM is for example described in the publication "picometer detection by adaptive holography interferomatry in a liquid crystal light valve", Bortolozzo et al, Optics letters, vol 34 n ° 13, 2009.
L’OASLM comprend une fine couche de cristal liquide LC, typiquement d’épaisseur comprise entre 10 et 200 pm, disposée entre deux substrats, un des substrats comprenant un matériau photoconducteur PC apte à transformer la lumière provenant de la figure d’interférence IP en charge.The OASLM comprises a thin layer of LC liquid crystal, typically between 10 and 200 μm thick, placed between two substrates, one of the substrates comprising a photoconductive material PC capable of transforming the light coming from the IP interference figure into charge.
Par exemple la couche de cristaux liquides est située entre un substrat de verre et un substrat consistant en un cristal photoconducteur, par exemple un cristal de BSO, sensible dans les longueurs d’onde bleu/vert pour la source cohérente LS, ou une couche d’AsGa semi isolant, sensible dans les longueurs d’onde du proche infrarouge (0.9-1.6 pm).For example, the liquid crystal layer is located between a glass substrate and a substrate consisting of a photoconductive crystal, for example a BSO crystal, sensitive in the blue / green wavelengths for the coherent source LS, or a layer of 'AsGa semi-insulating, sensitive in the wavelengths of the near infrared (0.9-1.6 pm).
Des électrodes E1 et E2 sont déposées sur les substrats.Electrodes E1 and E2 are deposited on the substrates.
Les cristaux liquides LC sont des molécules organiques anisotropes, caractérisées par une forte biréfringence. Pour les cristaux liquides nématiques, dans la phase nématique toutes les molécules de cristal liquide sont en moyenne alignées le long d'une direction préférentielle. Lorsqu'une tension est appliquée aux électrodes, à cause de l’anisotropie diélectrique du cristal liquide, un moment dipolaire est induit et les molécules se réorientent parallèlement au champ appliqué.LC liquid crystals are anisotropic organic molecules, characterized by strong birefringence. For nematic liquid crystals, in the nematic phase all the liquid crystal molecules are on average aligned along a preferential direction. When a voltage is applied to the electrodes, due to the dielectric anisotropy of the liquid crystal, a dipole moment is induced and the molecules reorient themselves parallel to the applied field.
Le matériau photoconducteur est caractérisé par une grande différence de résistivité entre l’état « on » (c'est à dire éclairé) et l'état « off » (c'est-à-dire sans illumination). Lorsqu'un faisceau lumineux est envoyé sur la LCLV, des charges sont photogénérées à la surface du photoconducteur, la tension efficace sur les cristaux liquides augmente et les molécules se réorientent.The photoconductive material is characterized by a large difference in resistivity between the “on” state (that is to say illuminated) and the “off” state (that is to say without illumination). When a light beam is sent to the LCLV, charges are photogenerated on the surface of the photoconductor, the effective voltage on the liquid crystals increases and the molecules reorient.
En raison de la biréfringence des cristaux liquides, le faisceau sortant acquiert un déphasage, qui est une fonction à la fois de la tension appliquée à la LCLV et de l’intensité sur le photoconducteur. L’indice de réfraction (i.e. le déphasage) peut donc être contrôlé localement par l’intensité lumineuse.Due to the birefringence of the liquid crystals, the outgoing beam acquires a phase shift, which is a function of both the voltage applied to the LCLV and the intensity on the photoconductor. The refractive index (i.e. the phase shift) can therefore be controlled locally by the light intensity.
La couche de cristal liquide est ici adressée optiquement, directement par la figure d’interférence IP.The liquid crystal layer is here optically addressed, directly by the IP interference pattern.
Dans la partie linéaire de la réponse du déphasage en fonction de l’intensité, la LCLV se comporte comme un milieu non-linéaire de type Kerr, fournissant un changement d'indice de réfraction proportionnel à l'intensité d'entrée.In the linear part of the phase shift response as a function of intensity, the LCLV behaves like a non-linear Kerr type medium, providing a change in refractive index proportional to the input intensity.
Les deux faisceaux Wr et Ws interfèrent dans le plan du photoconducteur PC, donnant naissance à un réseau de franges d'intensité (figure d’interférence IP). Ce réseau d’illumination provoque l’orientation des molécules de cristal liquide, ce qui a pour conséquence la formation d’un réseau d’indice de réfraction dont l'amplitude est proportionnelle à l'intensité d'entrée par le biais du coefficient non linéaire n2. Ainsi l’OASLM réalise dans la couche de cristal liquide LC un hologramme dynamique et adaptatif.The two beams Wr and Ws interfere in the plane of the photoconductor PC, giving rise to a network of intensity fringes (IP interference figure). This illumination network causes the orientation of the liquid crystal molecules, which results in the formation of a refractive index network whose amplitude is proportional to the input intensity by means of the coefficient not linear n2. Thus the OASLM realizes in the liquid crystal layer LC a dynamic and adaptive hologram.
L’hologramme AH diffracte plusieurs faisceaux à partir de la diffraction des faisceaux référence et signal. En effet ces deux faisceaux sont diffractés par le réseau d’indice qu’ils ont inscrit dans la couche de LC : on parle de mélange à deux ondes entre le faisceau de référence et le faisceau signal. Cette couche est mince (entre 10 et 200 pm typiquement), par conséquent la diffraction se produit dans le régime de Raman-Nath et plusieurs ordres de diffraction sont observés à la sortie de la LCLV (voir figure 2). La détection se fait normalement sur la direction du signal ou la direction de la référence, mais elle est possible aussi sur la direction des ordres de diffraction plus élevés, comme expliqué ci-dessous.The AH hologram diffracts multiple beams from the diffraction of the reference and signal beams. Indeed, these two beams are diffracted by the index grating which they have inscribed in the LC layer: we speak of a two-wave mixture between the reference beam and the signal beam. This layer is thin (typically between 10 and 200 µm), therefore diffraction occurs in the Raman-Nath regime and several orders of diffraction are observed at the exit of the LCLV (see Figure 2). Detection is normally done on the signal direction or the reference direction, but it is also possible on the direction of higher diffraction orders, as explained below.
Le temps de réponse tr du cristal liquide est de l’ordre de la ms.The response time tr of the liquid crystal is of the order of ms.
Un avantage de l’utilisation d’un OASLM est que l’interféromètre est compact, le détecteur holographique étant constitué uniquement de l’OASLM. Cette méthode assure également une bonne linéarité de la détection avec des faisceaux complexes, un filtrage des basses fréquences, présente une large surface utile et permet l’utilisation de fibres multimodes.An advantage of using an OASLM is that the interferometer is compact, the holographic detector being made up only of the OASLM. This method also ensures good linearity of detection with complex beams, filtering of low frequencies, has a large useful surface and allows the use of multimode fibers.
Selon un deuxième mode de réalisation l’hologramme adaptatif AH est constitué d’un cristal photoréfractif (BSO, LiNbO3, GaAs, CdTe, SPS,...) à la place de l’OASLM.According to a second embodiment, the adaptive hologram AH consists of a photorefractive crystal (BSO, LiNbO3, GaAs, CdTe, SPS, ...) in place of the OASLM.
Selon un troisième mode de réalisation illustré figure 6 le détecteur holographique HD comprend un capteur d’image IS matriciel, une deuxième unité de traitement PU2 et un modulateur spatial de lumière SLM à adressage électrique. La publication « Self adaptative vibrometry with CMOS-LCOS digital holography » de Bortolozzo et al, Optics Letters vol 40 n°7, 2015, décrit une utilisation d’un détecteur holographique de ce type.According to a third embodiment illustrated in FIG. 6, the holographic detector HD comprises a matrix image sensor IS, a second processing unit PU2 and a spatial light modulator SLM with electrical addressing. The publication "Self adaptive vibrometry with CMOS-LCOS digital holography" by Bortolozzo et al, Optics Letters vol 40 no 7, 2015, describes the use of a holographic detector of this type.
Le capteur d’image matriciel IS est disposé dans la zone de l’espace comprenant la figure d’interférence IP et acquiert une image bidimentionnelle lint de la figure d’interférence IP. Une deuxième unité de traitement PU2 traite l’image acquise lint, délivrant en sortie une image traitée It utilisée pour adresser le SLM, qui génère l’hologramme adaptatif AH à partir de l’image traitée It. Le capteur d’image IS est un SLM matriciel comprenant des pixels de cristal liquide disposés en lignes et colonnes adressés indépendamment les uns des autres. Chaque pixel est adressé à partir d’un point ou d’un ensemble de points de l’image It.The IS matrix image sensor is arranged in the area of the space comprising the IP interference pattern and acquires a lint two-dimensional image of the IP interference pattern. A second processing unit PU2 processes the acquired image lint, outputting a processed image It used to address the SLM, which generates the adaptive hologram AH from the processed image It. The IS image sensor is a matrix SLM comprising liquid crystal pixels arranged in rows and columns addressed independently of each other. Each pixel is addressed from a point or a set of points in the It image.
La transformation de la figure d’intensité IP en information électrique pour adresser une couche de cristal liquide est réalisée par le capteur d’image et l’unité de traitement, tandis que l’hologramme de phase est réalisé par le SLM. Ici les fonctions d’acquisition de la figure d’interférence pour la transformer en signal électrique, et de génération de l’hologramme de phase à partir du signal électrique, sont dissociées. Cette configuration libère des contraintes sur les composants, l’imageur IS et le SLM adressé électriquement étant des composants commercialement disponibles avec de hautes performances, alors que la l’OASLM est un composant spécifique relativement complexe à réaliser.The transformation of the IP intensity figure into electrical information for addressing a liquid crystal layer is carried out by the image sensor and the processing unit, while the phase hologram is produced by the SLM. Here the functions of acquiring the interference figure to transform it into an electrical signal, and of generating the phase hologram from the electrical signal, are dissociated. This configuration releases constraints on the components, the IS imager and the electrically addressed SLM being commercially available components with high performance, while the OASLM is a specific component which is relatively complex to produce.
L’unité de traitement PU2 transforme l’image brut de la figure d’interférence lint en une image traitée It permettant l’optimisation du réseau de phase qui va être inscrit dans le SLM.The processing unit PU2 transforms the raw image of the interference figure lint into a processed image It allowing the optimization of the phase network which will be registered in the SLM.
Le modulateur spatial de lumière SLM est disposé de manière à être éclairé par le faisceau de référence et/ou le faisceau signal. Ici les fonctions étant séparées, il n’est pas nécessaire en théorie que l’hologramme AH soit éclairé par les deux faisceaux Wr et Ws, un seul suffit, choisi en fonction de l’ordre diffracté choisi pour positionner le photodétecteur.The SLM spatial light modulator is arranged so as to be illuminated by the reference beam and / or the signal beam. Here the functions being separated, it is not theoretically necessary that the AH hologram is illuminated by the two beams Wr and Ws, only one is sufficient, chosen according to the diffracted order chosen to position the photodetector.
Selon le troisième mode de réalisation, le système optique OS comprend en outre un troisième séparateur de faisceau BS3 configuré pour dédoubler la figure d’interférence IP, le capteur d’image IS étant positionné sur une première figure d’interférence IP1 (non représentée) et le modulateur spatial de lumière étant positionné sur une deuxième figure d’interférence IP2 (non représentée), le capteur d’image et le modulateur spatial de lumière étant ainsi disposés symétriquement par rapport au troisième séparateur de faisceau BS3.According to the third embodiment, the optical system OS further comprises a third beam splitter BS3 configured to split the interference figure IP, the image sensor IS being positioned on a first interference figure IP1 (not shown) and the spatial light modulator being positioned on a second interference figure IP2 (not shown), the image sensor and the spatial light modulator being thus arranged symmetrically with respect to the third beam splitter BS3.
Cette configuration offre l’avantage de permettre l’optimisation du réseau de phase grâce au traitement d’image effectué par UT2. Ainsi le décalage de phase entre variation des franges et variation d’indice de réfraction peut être ajusté pour obtenir une détection linéaire d’une quelconque modulation de phase variable en fonction du temps. Le détecteur holographique est donc capable de détecter des variations de phase de faible amplitude avec une réponse linéaire et avec le cas échéant un front d’onde complexe et/ou perturbé.This configuration offers the advantage of allowing the optimization of the phase network thanks to the image processing performed by UT2. Thus the phase shift between variation of the fringes and variation of refractive index can be adjusted to obtain a linear detection of any variable phase modulation as a function of time. The holographic detector is therefore capable of detecting variations in phase of low amplitude with a linear response and, where appropriate, with a complex and / or disturbed wavefront.
io De plus, les contraintes en longueur d’onde sont réduites du fait de la suppression du photoconducteur.In addition, the wavelength constraints are reduced due to the elimination of the photoconductor.
Avantageusement le capteur d’image IS est un capteur de type CMOS ou CCD. La configuration est très flexible, selon le capteur d’image IS et le modulateur SLM choisis, le système peut fonctionner sur différentes plages de longueurs d’onde entre le visible et le proche infrarouge (de 400 nm à 2 microns).Advantageously, the IS image sensor is a CMOS or CCD type sensor. The configuration is very flexible, depending on the IS image sensor and the SLM modulator chosen, the system can operate over different wavelength ranges between visible and near infrared (from 400 nm to 2 microns).
Avantageusement, le capteur d’image et le modulateur spatial de lumière présentent une dimension de pixel sensiblement égale. L’avantage dans ce cas est qu’il est possible d’effectuer l’alignement directement sans besoin d’introduire d’optiques supplémentaires pour adapter les agrandissements et donc les tailles des images.Advantageously, the image sensor and the spatial light modulator have a substantially equal pixel size. The advantage in this case is that it is possible to perform the alignment directly without the need to introduce additional optics to adapt the enlargements and therefore the sizes of the images.
Par exemple le capteur CMOS présente un pixel de 8pm de côté. Avantageusement le modulateur spatial de lumière est un modulateur à cristal liquide matriciel déposé sur un substrat en silicium ou LCOS pour « liquid crystal on Silicon » en anglais, qui présente lui aussi un pixel de 8 pm. Ce type de composant fonctionne en réflexion. Dans ce cas le faisceau diffracté est un faisceau réfléchi qui est donc détecté du côté opposé, comme illustré figure 7.For example, the CMOS sensor has a pixel of 8pm side. Advantageously, the spatial light modulator is a matrix liquid crystal modulator deposited on a silicon or LCOS substrate for “liquid crystal on Silicon” in English, which also has a pixel of 8 μm. This type of component works in reflection. In this case the diffracted beam is a reflected beam which is therefore detected on the opposite side, as illustrated in FIG. 7.
L’ajustement pour obtenir une détection linéaire s’effectue en contrôlant le gain électronique du capteur CMOS et du SLM. Une amélioration du ratio signal sur bruit est obtenue en utilisant une détection balancée (« balances détection » en anglais), qui supprime la fréquence zéro.The adjustment for linear detection is carried out by controlling the electronic gain of the CMOS sensor and the SLM. An improvement in the signal to noise ratio is obtained by using balanced detection (“detection scales” in English), which eliminates the zero frequency.
Selon une variante le système optique est configuré pour opérer en espace libre.According to a variant, the optical system is configured to operate in free space.
Selon une autre variante, le système optique est configuré pour opérer au moins partiellement en mode fibré, c'est-à-dire qu’au moins une portion de propagation des faisceaux est fibrée dans des fibres OF1, OF2, OF3, comme illustré figure 8 pour un élément mobile ME. Préférentiellement au moins un séparateur de faisceau est un coupleur fibré 80.According to another variant, the optical system is configured to operate at least partially in fiber mode, that is to say that at least a portion of propagation of the beams is fiber in OF1, OF2, OF3 fibers, as illustrated in FIG. 8 for a mobile element ME. Preferably at least one beam splitter is a fiber coupler 80.
Dans le cas où le transducteur acoustique est une bobine de fibre optiqueIn the case where the acoustic transducer is a coil of optical fiber
OF tel qu’illustré figure 9, préférentiellement la fibre OF est directement couplée au coupleur 80 et en constitue une de ses branches. II n’y a dans ce cas plus de propagation en espace libre pour obtenir WR et Ws.OF as illustrated in FIG. 9, preferably the OF fiber is directly coupled to the coupler 80 and constitutes one of its branches. In this case, there is no longer any propagation in free space to obtain W R and Ws.
Selon une variante, le faisceau initial Wo est lui-même issu d’une fibre optique initiale. Ceci est obtenu lorsque la source cohérente est elle-même un laser à fibre, ou lorsque le faisceau émis par la source LS est focalisé dans une fibre avant d’être injecté dans le système optique (voir OF3 figures et 9). Préférentiellement la fibre initiale est multimode. Le faisceau en sortie de fibre présente une structure granulaire dénommée « speckle ». Cette granularité se retrouve dans la figure d’interférence, les franges d’interférences étant présentes dans tous les grains de « speckle ».According to a variant, the initial beam Wo itself comes from an initial optical fiber. This is obtained when the coherent source is itself a fiber laser, or when the beam emitted by the LS source is focused in a fiber before being injected into the optical system (see OF3 figures and 9). Preferably, the initial fiber is multimode. The fiber outlet beam has a granular structure called "speckle". This granularity is found in the interference figure, the interference fringes being present in all the speckle grains.
II va être démontrer ci-après que dans ce cas il existe un déphasage sur chaque mode optique et que l’OASLM permet d’additionner de manière cohérente toutes les contributions provenant de chaque mode.It will be demonstrated below that in this case there is a phase shift on each optical mode and that the OASLM makes it possible to coherently add up all the contributions coming from each mode.
On montre le résultat en considérant une fibre avec seulement deux modes 1 et 2 (le même résultat est extensible à N modes). L'amplitude du champ électrique issu de la fibre et subissant un déphasage sur l’élément mobile est :We show the result by considering a fiber with only two modes 1 and 2 (the same result can be extended to N modes). The amplitude of the electric field coming from the fiber and undergoing a phase shift on the mobile element is:
r+ç?i+Aç?i βΐη(Ωΐ)) _j_ y42gz(k2 r+ç?2 + Aç>2 sin(Qt)) .k1 , k2 respectivement propagation du premier et du deuxième mode, φ1, φ2 respectivement déphasage «continu» soit basse fréquence du premier et du deuxième mode.r + ç? i + Aç? i βΐη (Ωΐ)) _j_ y 4 2 g z ( k 2 r + ç? 2 + Aç> 2 sin (Qt)) .k1, k2 respectively propagation of the first and second modes, φ1, φ2 respectively “continuous” phase shift, ie low frequency of the first and second modes.
Δφ1 , Δφ2 amplitude de la modulation de phase induite par le dispositif MD respectivement du premier et du deuxième mode à détecter.Δφ1, Δφ2 amplitude of the phase modulation induced by the device MD respectively of the first and of the second mode to be detected.
Ω fréquence de l’oscillation de l’élément mobile correspondant à la fréquence de modulation de la phase, correspondant à la fréquence de l’onde acoustique à mesurer.Ω frequency of the oscillation of the mobile element corresponding to the phase modulation frequency, corresponding to the frequency of the acoustic wave to be measured.
Ce champ interfère dans la valve optique avec un faisceau de référence kr propagation du faisceau référence ;This field interferes in the optical valve with a reference beam kr propagation of the reference beam;
La fréquence de la modulation est supérieure à la bande-passante de la îo valve optique et on suppose que l'amplitude de la modulation est petite :The frequency of the modulation is greater than the bandwidth of the optical valve and it is assumed that the amplitude of the modulation is small:
Δ(/?152 << 1Δ (/? 1 5 2 << 1
Grâce à l'effet électro-optique de l’OASLM, un hologramme dynamique 15 s'inscrit dans les cristaux liquides, la variation d'indice de réfraction induiteThanks to the electro-optical effect of the OASLM, a dynamic hologram 15 fits into liquid crystals, the variation in refractive index induced
Δη est donc proportionnelle au produit mixte entre chaque mode et la référence :Δη is therefore proportional to the mixed product between each mode and the reference:
Δη = 2n2 [R Αχ cos((ki - kR) r + φχ) + RA2 cos((k2 - kR) r + φ2)]Δη = 2n 2 [R Αχ cos ((ki - k R ) r + φχ) + RA 2 cos ((k 2 - k R ) r + φ 2 )]
Dans ce cas les deux modes vont induire deux réseaux de diffraction dynamiques.In this case the two modes will induce two dynamic diffraction gratings.
Le champ électrique globalement diffracté par les réseaux estThe electric field globally diffracted by networks is
Eout = (E + R)e^dAn E out = (E + R) e ^ dAn
En remplaçant les expressions pour E et R, on trouve que l’intensité détectée sur la photodiode dans la direction de la référence devientBy replacing the expressions for E and R, we find that the intensity detected on the photodiode in the direction of the reference becomes
4πά4πά
Ipd = |#|2(1--t— n2 [|4i|2sin(Ay?i sin(fif)) + |A2|2 sin(Aç>2 sin(fif))])Ipd = | # | 2 (1 - t— n2 [| 4i | 2 sin (Ay? I sin (fif)) + | A2 | 2 sin (Aç> 2 sin (fif))])
Λ n2 est le coefficient Kerr de l’OASLM.Λ n2 is the Kerr coefficient of the OASLM.
Le résultat montre que la détection est linéaire, le bruit à basse fréquence <p1, φ2 est supprimé et la contribution de chaque mode va être additionnée de manière cohérente.The result shows that the detection is linear, the low frequency noise <p1, φ2 is eliminated and the contribution of each mode will be added in a coherent manner.
En particulier la puissance optique mesurée dans la direction de la référence 5 à la fréquence de la modulation estIn particular, the optical power measured in the direction of reference 5 at the frequency of the modulation is
Le résultat est extensible à N modes, dans ce cas on trouve que la puissance optique mesurée dans la direction de la référence est la io sommation cohérente du signal sur chaque mode pondéré par sa propre intensitéThe result is extensible to N modes, in this case we find that the optical power measured in the direction of the reference is the coherent summation of the signal on each mode weighted by its own intensity
On obtient donc une puissance optique détectée et utile plus importante que pour l’interféromètre monomode.We therefore obtain a higher detected and useful optical power than for the single-mode interferometer.
On peut montrer que l’amplitude minimale de modulation de phase obtenue avec un interféromètre adaptatif dans le cas d’un front d’onde multimode, ou correspondant à un « speckle », va diminuer avec le nombre de modes d’un facteur approximativement égal à V/V où N est le nombre de modes.We can show that the minimum amplitude of phase modulation obtained with an adaptive interferometer in the case of a multimode wavefront, or corresponding to a "speckle", will decrease with the number of modes by an approximately equal factor. at V / V where N is the number of modes.
Dans le cas d’un interféromètre classique monomode et supposé en quadrature, la modulation de phase est convertie linéairement en modulation de puissance optique sous la forme :In the case of a conventional single-mode interferometer and assumed to be quadrature, the phase modulation is converted linearly to optical power modulation in the form:
Ρ(Δφ) = α Δφ où a est une constante de proportionnalité donnée par les caractéristiques de l’interféromètre. La variance associée prend la forme ;Ρ (Δφ) = α Δφ where a is a proportionality constant given by the characteristics of the interferometer. The associated variance takes the form;
Dans le cas d’un front d’onde multimode (ou speckle), et avec un hologramme adaptatif, la puissance totale du signal détecté s’écrit :In the case of a multimode wavefront (or speckle), and with an adaptive hologram, the total power of the detected signal is written:
Par conséquent, la variance du signal détecté est donnée par l’expression suivante:Therefore, the variance of the detected signal is given by the following expression:
Par conséquent le rapport signal à bruit (SNR) augmente avec VŸ.Consequently the signal to noise ratio (SNR) increases with VŸ.
Si on considère que le déphasage minimum détectable est donné pour unIf we consider that the minimum detectable phase shift is given for a
SNR=1, dans le cas multimode le déphasage minimum détectable va donc diminuer d’un facteur VŸ.SNR = 1, in the multimode case the minimum detectable phase shift will therefore decrease by a factor VŸ.
La sensibilité du détecteur holographique est ainsi améliorée par l’utilisation d’un faisceau initial multimode.The sensitivity of the holographic detector is thus improved by the use of an initial multimode beam.
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