PROCEDE DE DETERMINATION D'UNE PERTURBATION D'UNE ONDE

OPTIQUE

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un procédé de détermination d'une perturbation d'une onde optique. Elle appartient au domaine de la métrologie optique par interférométrie .

Elle s'applique notamment à la caractérisation de défauts qui sont présents sur des composants optiques et sont dus à des dommages causés par des faisceaux laser.

éTAT DE LA TECHNIQUE ANTéRIEURE

La méthode de mesure par interférométrie consiste à faire interférer une onde optique de référence avec une onde optique ayant traversé un composant optique que l'on désire tester (ou se réfléchissant sur celui-ci). L'interférence des deux ondes engendre une succession de franges d'interférence à partir desquelles il est possible de reconstruire la phase de l'onde ayant traversé un défaut du composant optique et d'en déduire le défaut que l'on veut mesurer .

Dans la plupart des cas, l'onde optique de référence est une onde plane. Cependant, avec une telle onde, pour un composant optique présentant des défauts importants dont la taille est supérieure à la longueur d'onde λ des ondes que l'on fait interférer, le nombre

de franges devient trop important et la mesure est impossible .

En fait, il existe de nombreuse techniques de métrologie optique destinées à mesurer les défauts des optiques. Les plus courantes sont, comme on l'a vu, basées sur l'interférence avec une onde plane de référence ; elles utilisent les interféromètres de type Fabry-Pérot, Fizeau ou Michelson.

On peut également citer la technique utilisant un analyseur de Shack-Hartmann ainsi que 1' interférométrie à décalage multi-latéral qui est une variante de la précédente. Ces techniques sont limitées à la mesure de défauts locaux dont la taille est inférieure à λ. II existe également une technique de mesure appelée "MIROMA". A ce sujet, on se reportera aux documents suivants :

[1] US 6 339 469, invention de Jérôme Belledent et Laurent Bruel, [2] « Numerical Phase retrieval from beam intensity measurements in three planes », Laurent Bruel, Proc. of SPIE., Vol. 4932, mai 2003, pp. 590- 598.

Cette technique connue permet de mesurer des défauts de l'ordre de plusieurs λ. Elle est basée sur la mesure de l'intensité en trois plans. Par un calcul de propagation (intégrale de Fresnel) entre chaque plan de mesure, et par des itérations successives, on obtient la phase de l'onde optique. Cependant, cette technique ne permet pas d'apprécier la phase d'une onde optique issue d'un défaut dont la

taille est supérieure à 3λ : pour une telle taille, l'algorithme utilisé ne converge pas.

On connaît aussi la technique d' interférométrie à diffraction (en anglais, point diffraction interferometry) . A ce sujet, on se reportera aux documents suivants : [3] US 5 933 236,

[4] "Extrême Adaptive Optics Testbed : Results and Future Work", J. W. Evans et al., SPIE Optics and Photonics 2005.

Selon cette technique connue, on génère des ondes sphériques par diffraction, pour l'onde de référence et pour l'onde qui interagit avec l'optique à tester. Les ondes sphériques générées par diffraction sont considérées comme quasiment parfaites et, après interférence, permettent d'atteindre des précisions de l'ordre de λ/1000.

Cette technique de mesure est basée sur la comparaison d'une onde ne présentant théoriquement aucune perturbation avec une onde-sœur, porteuse des défauts de l'optique testée. Elle ne permet pas d'apprécier des défauts de forte amplitude car l'onde de référence et l'onde traversant l'optique testée sont initialement de même forme. Une autre technique est connue par le document suivant :

[5] "Using Computer Generated Holograms to

Test Aspheric Wavefronts", J. C. Wyant et al., Applied

Optics, Vol. 11, n° 12, p. 2833, Décembre 1972. Elle consiste à graver un hologramme renvoyant une onde qui est proche du front d'onde à

analyser. Elle est comparable, dans son principe, à celle qui utilise 1 ' interféromètre de Twyman-Green, mais est moins coûteuse que cette dernière. Cependant, ces techniques imposent de connaître au préalable la forme générale de l'onde à analyser.

Les méthodes de mesures mentionnées ci- dessus présentent des inconvénients. En effet, elles sont limitées en ce qui concerne la dynamique de la mesure. En outre, elles ne permettent actuellement pas de qualifier des optiques dont les défauts sont totalement inconnus et dont la profondeur peut dépasser quelques longueurs d'onde.

De plus, dans le cas de la caractérisation d'optiques telles que des lentilles convergentes ou divergentes, les systèmes utilisés sont du genre de 1' interféromètre de Michelson adapté ou de 1' interféromètre de Twyman-Green.

Dans une telle configuration, l'un des miroirs de renvoi est un miroir qui est adapté au front d'onde délivré par l'optique que l'on souhaite caractériser. Il est donc nécessaire d'avoir des miroirs qui sont compatibles avec chaque optique à caractériser, ce qui entraîne un coût élevé pour les mesures effectuées.

EXPOSé DE L' INVENTION

La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents.

Elle a pour objet un procédé de mesure qui permet d'ajuster dynamiquement - c'est-à-dire de façon continue - la forme du front d'onde (en anglais,

wavefront) de l'onde de référence afin d'avoir un nombre de franges suffisant pour en déduire la variation de phase et donc la forme du défaut mesuré.

Ce procédé permet alors d'effectuer des mesures pour des défauts dont la profondeur vaut plusieurs dizaines de longueurs d'onde mais reste compatible avec la mesure de défauts de faible profondeur et avec la caractérisation de composants optiques classiques. II est à noter qu'un front d'onde particulièrement complexe, ayant de très fortes variations locales, peut également être mesuré par morceaux avec la présente invention, en effectuant successivement plusieurs mesures avec différentes formes d'ondes de référence ; ce front d'onde peut être ensuite reconstruit à l'aide d'un logiciel approprié.

Dans la présente invention, l'onde de référence adaptative peut être une onde sphérique qui est facile à générer. On modifie alors le rayon de courbure de cette onde en le faisant varier continûment, pour passer d'une onde sphérique divergente à une onde sphérique convergente.

De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé de détermination d'une perturbation d'une onde optique, dans lequel on fait interférer une première onde optique, qui a subi une perturbation, avec une deuxième onde optique servant d'onde de référence, pour obtenir un ensemble de franges d'interférence,

- on reconstruit la phase de la première onde optique à partir de l'ensemble de franges d'interférence, et

- on détermine la perturbation à partir de la phase ainsi reconstruite, ce procédé étant caractérisé en ce que la deuxième onde optique servant d'onde de référence est adaptative et continûment ajustable et en ce que l'on ajuste dynamiquement la forme du front d'onde de la deuxième onde optique de manière à obtenir un nombre de franges d' interférence adapté à la reconstruction de la phase de la première onde optique.

Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, on détermine la perturbation à l'aide de plusieurs déterminations partielles, effectuées au moyen de différentes formes du front d'onde de la deuxième onde optique.

La deuxième onde optique peut être sphérique . Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, on utilise une fibre optique pour engendrer la deuxième onde optique.

On peut utiliser un système optique à distance focale variable pour ajuster dynamiquement la forme du front d'onde de la deuxième onde optique.

De préférence, on ajuste les intensités respectives des première et deuxième ondes optiques afin de maximiser le contraste des franges d' interférence . II est possible d'utiliser la technique du

« décalage de phase » (en anglais, « phase shifting »)

pour lever l'incertitude sur le signe de la différence de phase entre les première et deuxième ondes, que l'on mesure .

En outre, il est possible d'associer le procédé de mesure, objet de l'invention, avec la méthode de mesure « MIROMA » (méthode itérative de reconstruction d'onde par multiples acquisitions), afin d' augmenter la dynamique de mesure dans les cas de diffraction extrêmement forte.

BRèVE DESCRIPTION DES DESSINS

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation, donnés ci-après à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif pour mettre en œuvre un procédé conforme à la présente invention, et - la figure 2 illustre schématiquement une onde sphérique servant d' onde de référence dans un exemple de l'invention.

EXPOSé DéTAILLé DE MODES DE RéALISATION PARTICULIERS

Un dispositif optique de mesure pour la mise en œuvre de l'invention permet de modifier dynamiquement le front d'onde d'une onde de référence pour l'ajuster aux fronts d'onde que l'on souhaite caractériser, notamment les fronts des ondes qui sont

issues d'optiques de tout type (optiques convergentes ou divergentes) ou de défauts.

La caractérisation d'un objet optique peut également être réalisée en plusieurs mesures si le front d'onde est localement très fortement perturbé. Ensuite, par continuité aux zones de recouvrement des mesures, il est possible de reconstruire la totalité du front d'onde de l'onde issue de l'objet optique à caractériser. L'un des modes de réalisation du procédé de mesure à front d'onde de référence accordable (en anglais, tunable référence wavefront) , objet de l'invention, utilise, comme onde de référence accordable, une onde sphérique dont on fait varier la courbure.

La figure 1 est une vue schématique d'un dispositif pour la mise en œuvre de ce procédé de mesure à front d'onde de référence accordable, dans le cas d'une onde de référence sphérique. Ce dispositif comprend :

- un laser 2 qui émet une lumière de longueur d' onde λ,

- une lentille convergente 4, et

- un coupleur optique 6 à une entrée 8 et deux sorties 10, 12.

La lumière du laser est envoyée dans l'entrée 8 par l'intermédiaire de la lentille 4.

La lumière issue de la sortie 10 est transformée en une onde lumineuse plane 14 par l'intermédiaire d'une lentille convergente 16. Cette

onde se propage suivant un axe X. Un plan d'onde (perpendiculaire à cette direction) a la référence 18.

Un composant optique à tester 20, présentant un défaut 22, reçoit l'onde plane 14 et fournit en sortie une onde plane 24 qui est perturbée par le défaut 22.

Le dispositif comprend aussi un système optique à distance focale variable 26, formé de plusieurs lentilles 28, 30. Ce système fournit l'onde sphérique de référence 32 qui est divergente dans l'exemple représenté. Cette onde se propage suivant l'axe Y du système 26. Cet axe Y est perpendiculaire à l'axe X et rencontre ce dernier. Le dispositif comprend en outre une lame séparatrice 34 qui est placée au point d' intersection des axes X et Y, à 45° de ces derniers. Cette lame séparatrice permet de faire interférer l'onde perturbée 24 avec l'onde de référence 32. La lumière résultant de l'interférence des deux ondes a la référence 36 sur la figure .

Le dispositif comprend aussi un détecteur optique 38 de type CCD qui reçoit cette lumière 36 par l'intermédiaire d'un système optique de mesure 40. On prévoit en outre des moyens électroniques 42 pour traiter les signaux fournis par le détecteur 38 afin de caractériser le défaut 22 du composant optique 20. Les moyens électroniques 42 sont munis de moyens 44 d'affichage des résultats.

Le composant optique à caractériser 20 peut avoir un défaut de surface très important, résultant par exemple d'un impact laser.

Le principe de mesure consiste à faire interférer l'onde plane, perturbée par le défaut du composant optique, avec l'onde de référence sphérique dont la courbure est proche de celle qui est produite par le défaut. Connaissant l'onde sphérique de référence, on peut observer des franges d'interférence (ni trop, ni trop peu) permettant la reconstruction du front d'onde induit par le défaut.

On précise qu'un masque 46 est prévu, dans le dispositif de la figure 1, pour empêcher l'onde de référence d'atteindre le composant 20. L'onde sphérique de référence à courbure variable (dans le cas représenté figure 1) est, comme on l'a vu, générée par le système optique à distance focale variable 26. Il est ainsi possible de modifier dynamiquement la courbure de l'onde sphérique à volonté, d'une onde fortement divergente jusqu'à une onde fortement convergente.

Dans le cas où une onde sphérique divergente de référence est suffisante, celle-ci peut être générée par une simple fibre optique, ce qui limite l'encombrement du dispositif. De plus, l'onde sphérique générée par une telle fibre optique est quasiment parfaite car dénuée de toute aberration.

Dans ce cas, on règle la forme du front d'onde de l'onde de référence en déplaçant, suivant l'axe Y, l'extrémité de cette fibre d'où émerge l'onde de référence.

Dans le cas où l'onde sphérique est générée par un système à focale variable, composé de plusieurs lentilles, ces dernières doivent être préalablement caractérisées (mesure des aberrations du système à focale variable) .

De préférence, afin de maximiser le contraste des franges d'interférence, on utilise, en tant que coupleur 6, un coupleur variable, permettant d'ajuster les intensités respectives de l'onde de référence 32 et de l'onde 14 éclairant l'objet à caractériser, par répartition de la puissance lumineuse entre ces ondes 14 et 32.

Afin de réaliser la mesure, il faut connaître avec précision le déphasage de l'onde sphérique. Ce déphasage est donné par l'expression suivante :

2π x ² +y ² —i- _e λ 2d (D

La figure 2 illustre schématiquement une onde sphérique 48. L'expression (1) correspond à un déphasage calculé dans un plan de mesure P dont l'abscisse -L_ est égale à une valeur d. On précise que l'on utilise un repère ayant une origine 0 et trois axes x, y, z perpendiculaires les uns les autres. L'axe y est perpendiculaire au plan de la figure 2.

L'onde sphérique est intégralement connue par ce paramètre d qui représente la distance du point source (origine 0 du repère) au plan de mesure P, ce point source étant le point d'où part l'onde sphérique.

Le calcul qui suit donne la précision requise pour d, dans le cas de la mesure d'un défaut d'une profondeur de 21μm, de largeur totale (diamètre) lmm, avec une précision de mesure de 0,lπ (indice de réfraction du composant optique testé : 1,5) .

La phase de 1 ' onde sphérique vaut :

(2) λ 2d

La variation de la phase en fonction de la variation de d vaut donc :

δφ =± 2±π. x' .δd (3)

2d ^z

Avec les paramètres précédents, on obtient : δd peu différent de 20μm . La précision sur d est tout à fait acceptable. La distance d peut être mesurée directement avec l'optique de mesure 40 (figure 1).

Cette optique de mesure 40, est de préférence montée sur une platine de déplacement micrométrique, ce qui permet de mesurer d avec une précision de l'ordre de lμm.

L'interférence de l'onde traversant le défaut avec l'onde sphérique de référence donne une figure d'interférence qui est décrite par l'équation (4) donnant l'intensité de cette figure d'interférence :

où φ _x est la phase due à la propagation de l'onde plane traversant le défaut et —d est la phase due à la propagation â de l'onde sphérique de référence. Afin de lever l'incertitude sur le signe de la différence de phase que l'on mesure, il est possible d'utiliser la technique du « décalage de phase ». A ce sujet, on se reportera au document suivant :

[6] "Phase shifting interferometry : référence phase error réduction", J. Schwider, Applied Optics, vol. 28, n° 18, 1989, pp. 3889-3892.

Cette technique consiste à faire varier le paramètre d de ±/t/4, et d'observer le sens de déplacement des franges d'interférence. La variation de d peut être réalisée à l'aide d'un composant piézoélectrique .

Il est possible d'associer le procédé de mesure à front d'onde de référence accordable, conforme à l'invention, avec la méthode de mesure MIROMA. En effet, dans certains cas particuliers, par exemple le cas d'une très forte diffraction, on peut réaliser la mesure de phase en s 'écartant de l'objet optique à caractériser. Puis, en appliquant la méthode MIROMA, on peut calculer la phase dans le plan désiré. Ceci permet d'augmenter la dynamique du dispositif de mise en œuvre du procédé.

On précise que l'onde de référence utilisée dans les exemples est sphérique mais que l'invention peut être mise en œuvre avec d'autres formes d'ondes de référence.

Le procédé de mesure, objet de l'invention, présente des avantages. Il a une grande dynamique de mesure de phase (en anglais, high dynamic phase measûrement) et permet de mesurer des variations de phase optique extrêmement importantes avec un dispositif relativement simple.

Ce procédé de mesure peut s'adapter à toute forme de front d'onde relatif à une onde qui est générée par un composant optique classique (par exemple une lentille ou une lame de phase) ou qui est issue d'un défaut résultant d'un impact laser sur une optique, auquel cas la forme du front d'onde est très compliquée et totalement inconnue.

A ce jour, la technique objet de l'invention est la seule qui permette de traiter des défauts d'une profondeur très importante (plusieurs dizaines de micromètres, sur quelques centaines de micromètres de large) . De plus, la précision de mesure est similaire à celle que l'on obtient avec les méthodes interférométriques classiques, c'est-à-dire de l'ordre de λ/50.

L'originalité de cette technique réside dans la possibilité d'accorder à volonté la forme de la surface d'onde de référence par rapport à l'onde à caractériser afin d'optimiser le nombre de franges d' interférence .

De plus, cette technique de caractérisation optique permet de mesurer des variations de phase issues de défauts très importants (plusieurs dizaines de micromètres, sur quelques centaines de micromètres

de large), ce qui était totalement impossible jusqu'à présent .

Cette invention a de nombreuses applications. Elle a pour but premier de caractériser les défauts présents sur des optiques et dus à des dommages laser. Cependant, l'invention peut être utilisée pour caractériser tout type de déformation du front d'onde avec une précision de mesure de λ/50. Cette technique peut également être employée à la caractérisation d'impulsions lumineuses fortement perturbées, par exemple après traversée d'éléments optiques non linéaires. On peut également l'utiliser pour la mesure du front d'onde dans un milieu gazeux ou aqueux qui est fortement perturbé et qui perturbe donc fortement une onde optique qui le traverse.

Dans le cadre d'une application plus classique, le procédé de l'invention peut être utilisé pour caractériser des optiques classiques, par exemple des lentilles convergentes ou divergentes. Pour cette application, il n'est plus nécessaire de fabriquer un miroir de référence adapté au front d'onde qui est généré par chacune des optiques à caractériser.