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Métrologie pour les optiques laser

Métrologie pour les optiques laser

Cela correspond aux sections 16.1, 16.2, 16.3, 16.4, 16.5 et 16.6 du Guide des Ressources en Optique Laser.

La métrologie est un outil crucial pour s’assurer que les composants optiques respectent constamment les spécifications souhaitées et fonctionnent en toute sécurité. Cette fiabilité est particulièrement importante dans les systèmes utilisant des lasers de grande puissance ou lorsque les changements de rendement peuvent entraîner des performances inadéquates du système. De nombreuses méthodes de métrologie sont utilisées pour mesurer l’optique laser, notamment la spectroscopie à cavité optique, la microscopie à force atomique, la microscopie à contraste interférentiel différentiel, l’interférométrie, les analyseurs de front d’onde Shack Hartmann et les spectrophotomètres.

Spectroscopie à cavité optique

La spectroscopie à cavité optique (ou CRDS pour Cavity Ring Down Spectroscopy) est une technique permettant de déterminer la composition d’échantillons de gaz. Dans le cadre de l’optique laser, elle est toutefois utilisée pour effectuer des mesures de perte de traitements optiques de sensibilité élevée. Dans un système CRDS, une impulsion laser est envoyée dans une cavité résonante délimitée par deux miroirs hautement réfléchissants. À chaque réflexion, une petite quantité de lumière est perdue par absorption, diffusion et transmission, tandis que la lumière réfléchie continue d’osciller dans la cavité résonante. Un détecteur situé derrière le deuxième miroir mesure la diminution d’intensité de la lumière réfléchie (ou « ring down »), ce qui permet de calculer la perte des miroirs (Figure 1). La caractérisation de la perte d’un miroir laser est essentielle pour garantir qu’un système laser atteindra le rendement souhaité.

Figure 1 : Les spectromètres à cavité optique mesurent le taux de décroissance de l’intensité dans la cavité résonante, ce qui permet des mesures plus précises que les techniques qui se contentent de mesurer des valeurs d’intensité absolues
Figure 1 : Les spectromètres à cavité optique mesurent le taux de décroissance de l’intensité dans la cavité résonante, ce qui permet des mesures plus précises que les techniques qui se contentent de mesurer des valeurs d’intensité absolues

L’intensité de l’impulsion laser à l’intérieur de la cavité (I) est décrite par :

(1)$$ I = I_{0} e^{ \frac{-T \, t \, c}{2L} } $$

I0 est l’intensité initiale de l’impulsion laser, Ƭ est la perte totale du miroir de cavité par transmission, absorption et diffusion, t est le temps, c est la vitesse de la lumière et L est la longueur de la cavité.

La valeur déterminée dans le CRDS est la perte de la cavité entière. Ainsi, plusieurs tests sont nécessaires afin de déterminer la perte d’un miroir. Deux miroirs de référence sont utilisés pour effectuer une mesure initiale (A). Deux mesures supplémentaires sont ensuite prises : la première avec le premier miroir de référence remplacé par le miroir en cours de test (B) et la seconde avec l’autre miroir de référence remplacé par le miroir de test (C). Ces trois mesures permettent de déterminer la perte du miroir de test.

(2)$$ A = M_1 + M_2 $$
(3)$$ B = M_3 + M_2 $$
(4)$$ C = M_1 + M_3 $$
(5)$$ C + B - A = M_1 + M_3 + M_3 + M_2 - M_1 = 2 M_3 $$
(6)$$ M_3 = \frac{C + B - A}{2} $$

M1 et M2 représentent la perte des deux premiers miroirs et M3 la perte du miroir de test. La perte due à l’air dans la cavité est supposée négligeable. Le CRDS est une technique idéale pour caractériser les performances des optiques laser réfléchissantes car il est beaucoup plus facile de mesurer avec précision une petite quantité de perte plutôt qu’une grande réflectance (Tableau 1). Il est aussi possible de tester les composants transmissifs avec des traitements antireflets en les ajoutant dans une cavité résonante et en mesurant l’augmentation correspondante de la perte. Le CRDS doit être effectué dans un environnement propre avec le plus grand soin, car toute contamination des miroirs ou de l’intérieur de la cavité affectera les mesures de perte.

Tableau 1 : La sensibilité de la mesure directe de la réflectance d’un miroir avec une incertitude de ±0,1 % est de deux ordres de grandeur supérieure à la mesure de perte des miroirs, laquelle présente une incertitude de ±10 %. Cela démontre que les mesures de perte pour les miroirs hautement réfléchissants sont beaucoup plus précises que les mesures de réflectance
Tableau 1 : La sensibilité de la mesure directe de la réflectance d’un miroir avec une incertitude de ±0,1 % est de deux ordres de grandeur supérieure à la mesure de perte des miroirs, laquelle présente une incertitude de ±10 %. Cela démontre que les mesures de perte pour les miroirs hautement réfléchissants sont beaucoup plus précises que les mesures de réflectance

Pour en savoir plus sur la CRDS et ses avantages pour la mesure des miroirs laser à haute réflectivité, regardez l’enregistrement du webinaire ci-dessous.

Interférométrie

Les interféromètres utilisent les interférences pour mesurer les petits déplacements, les irrégularités de surface et les modifications de l’indice de réfraction. Capables de mesurer les irrégularités de surface en dessous de λ/20, ils sont utilisés pour qualifier les plans, les lentilles sphériques, les lentilles asphériques et autres composants optiques.

L’interférence se produit lorsque plusieurs ondes de lumière se superposent et s’additionnent pour former un nouveau motif. Pour qu’une interférence ait lieu, les ondes multiples de lumière doivent être cohérentes en phase et présenter des états de polarisation non orthogonaux.5 Si les creux, ou points bas, des ondes s’alignent, ils provoquent une interférence constructive et additionnent leurs intensités. Par contre, si les creux d’une onde s’alignent avec les crêtes de l’autre, une interférence destructrice a lieu et ces creux et crêtes s’annulent (Figure 2).

Figure 2 : Les interféromètres utilisent l’interférence constructive (à gauche) et l’interférence destructive (à droite) pour déterminer la forme de surface, car les différences de forme de surface entre l’optique de test et l’optique de référence provoquent une différence de phase qui se traduit par des franges d’interférence visibles
Figure 2 : Les interféromètres utilisent l’interférence constructive (à gauche) et l’interférence destructive (à droite) pour déterminer la forme de surface, car les différences de forme de surface entre l’optique de test et l’optique de référence provoquent une différence de phase qui se traduit par des franges d’interférence visibles

Les interféromètres utilisent généralement un séparateur de faisceau pour diviser la lumière d’une source unique en un faisceau de test et un faisceau de référence. Les faisceaux sont recombinés avant d’atteindre un photodétecteur, et toute différence de trajet optique entre les deux chemins crée des interférences. Cela permet de comparer un composant optique dans le trajet du faisceau de test à une référence dans le faisceau de référence (Figure 3). Une interférence constructive et destructrice entre les deux voies créera un modèle de franges d’interférence visibles. Les composants optiques réfléchissants et transmissifs peuvent être mesurés en comparant le front d’onde transmis ou réfléchi à une référence.

Figure 3 : Exemple d’image d’un interféromètre montrant les zones claires où les faisceaux de test et de référence ont interféré de manière constructive et les anneaux sombres où ils ont interféré de manière destructive (à gauche), ainsi que reconstruction en 3D de l’optique de test qui en résulte (à droite)
Figure 3 : Exemple d’image d’un interféromètre montrant les zones claires où les faisceaux de test et de référence ont interféré de manière constructive et les anneaux sombres où ils ont interféré de manière destructive (à gauche), ainsi que reconstruction en 3D de l’optique de test qui en résulte (à droite)

Il existe plusieurs configurations d’interféromètre communes (Figure 4). L’interféromètre de Mach-Zehnder utilise un séparateur de faisceau pour séparer un faisceau d’entrée en deux trajectoires distinctes. Un second séparateur de faisceau recombine les deux trajectoires en deux sorties, lesquelles sont envoyées aux photodétecteurs. L’interféromètre de Michelson utilise un seul séparateur de faisceau pour séparer et recombiner les faisceaux. L’interféromètre de Twyman-Green est une variante de l’interféromètre de Michelson qui mesure les composants optiques avec une source ponctuelle monochromatique comme source de lumière. Les interféromètres Fizeau utilisent un seul séparateur de faisceau orienté perpendiculairement au séparateur de faisceau des interféromètres Michelson, ce qui permet au système de ne nécessiter qu’un miroir. Les interféromètres de Fabry-Perot permettent des trajets multiples de la lumière en utilisant deux miroirs parallèles partiellement transparents au lieu de deux trajectoires de faisceau séparées.

Figure 8 : Diverses configurations communes d’interféromètres
Figure 4 : Diverses configurations communes d’interféromètres

Les particules de poussière ou les imperfections des composants optiques qui composent un interféromètre, outre l’optique testée, peuvent entraîner des différences de trajet optique qui peuvent être interprétées à tort comme étant des défauts de surface sur l’optique. L’interférométrie exige un contrôle précis des trajets des faisceaux. En outre, les mesures peuvent être soumises à un bruit de laser et à un bruit quantique.

Microscopie à force atomique

La microscopie à force atomique (ou AFM pour Atomic Force Microscopy) est une technique qui permet d’obtenir une topographie de surface avec une résolution atomique (Figure 5). Une pointe extrêmement petite et pointue balaie la surface d’un échantillon, ce qui permet une reconstruction en 3D de la surface. La pointe est fixée à un levier rectangulaire ou triangulaire connecté au reste de la tête du microscope. Le mouvement du levier est contrôlé par des céramiques piézoélectriques qui assurent un positionnement tridimensionnel du levier avec une résolution subnanométrique.2

En optique laser, l’AFM est principalement utilisée pour calculer la rugosité de surface d’un composant optique, laquelle peut affecter de manière significative les performances d’un système optique laser car elle est souvent la principale source de diffusion. L’AFM peut fournir une carte en trois dimensions d’une surface avec une précision de l’ordre de quelques ångström.3

Figure 5 : La microscopie à force atomique produit des cartes topographiques à l’échelle du nanomètre pouvant s’avérer utiles pour caractériser les réseaux
Figure 5 : La microscopie à force atomique produit des cartes topographiques à l’échelle du nanomètre pouvant s’avérer utiles pour caractériser les réseaux

La pointe est balayée sur l’échantillon soit en contact constant avec le système (mode contact), soit en contact intermittent avec la surface (mode tapping). En mode tapping, le levier oscille à sa fréquence de résonance, la pointe n’entrant en contact avec la surface que pendant une brève période lors du cycle d’oscillation. Le mode contact est moins compliqué que le mode tapping et permet une reconstruction plus précise de la surface. Toutefois, le risque d’endommagement de la surface pendant le balayage est plus élevé et la pointe s’use plus rapidement, ce qui réduit sa durée de vie. Dans les deux modes, un laser est réfléchi par le haut du levier sur un détecteur. Les changements de hauteur de la surface de l’échantillon dévient le levier et modifient la position du laser sur le détecteur, générant ainsi une carte de hauteur précise de la surface (Figure 6).

Figure 6 : Les modifications de la topographie de la surface déplacent la pointe de l’AFM, ce qui modifie la position du laser réfléchi sur la surface détectée et permet de mesurer la topographie de la surface
Figure 6 : Les modifications de la topographie de la surface déplacent la pointe de l’AFM, ce qui modifie la position du laser réfléchi sur la surface détectée et permet de mesurer la topographie de la surface

La forme et la composition de la pointe jouent un rôle clé dans la résolution spatiale de l’AFM et doivent être choisies en fonction du spécimen faisant l’objet d’un balayage. Plus la pointe est petite et effilée, plus la résolution latérale est élevée. Cependant, les petites pointes présentent des temps de balayage plus longs et des coûts plus élevés que les grosses pointes.

Le contrôle de la distance entre la pointe et la surface détermine la résolution verticale d’un système AFM. Le bruit mécanique et le bruit électrique limitent la résolution verticale car les caractéristiques de surface plus petites que le niveau de bruit ne peuvent pas être résolues.4 La position de la pointe par rapport à l’échantillon est également sensible à la dilatation ou à la contraction des composants de l’AFM dues aux variations thermiques.

L’AFM est une technique de métrologie chronophage principalement utilisée pour la validation et le contrôle des processus, une petite fraction de la surface d’un échantillon de l’ordre de 100 μm x 100 μm étant mesurée pour fournir une représentation statistiquement significative de son processus de fabrication dans son ensemble.

Interférométrie à lumière blanche pour mesurer la rugosité des surfaces superpolies

L'interférométrie à lumière blanche (WLI) peut, elle aussi, être utilisée pour mesurer la rugosité de surface. La combinaison de l'AFM et de la WLI permet aux fabricants d'optiques de mesurer la topographie de la surface sur une large gamme de fréquences spatiales, et même de mesurer la rugosité de surface sous-Angstrom RMS des surfaces superpolies.

La plupart des interféromètres utilisent un laser monochromatique comme source d’éclairage car la grande longueur de cohérence du laser permet d’observer facilement les franges d’interférence, mais les interféromètres en lumière blanche utilisent une source d’éclairage à large bande pour analyser la hauteur de la surface. La hauteur de la surface peut être mesurée parce que l'interférence à un endroit donné est la plus élevée lorsque les longueurs du chemin optique de référence et du chemin optique mesuré sont égales, de sorte que la modulation de la distance entre la WLI et la surface de test génère des données de topographie de la surface. Les interféromètres à lumière blanche sont généralement des interféromètres de Michelson dont l’optique de test est placée dans un bras et une optique de référence dans l’autre (Figure 7). La longueur du bras de référence est modifiée en traduisant l’optique de référence sur une certaine distance.

Figure 7 :
Figure 7 : Schéma d'un interféromètre Michelson à lumière blanche typique utilisé pour déterminer la rugosité de surface. L'appareil est maintenu immobile lorsque l'on fait varier la hauteur de la surface de test.

La WLI et l'AFM ont des gammes de fréquences spatiales qui se chevauchent et peuvent toutes deux être utilisées pour mesurer la rugosité de surface sous-Angstrom des surfaces superpolies (Tableau 2). L'appareil le plus adapté dépend de la gamme des fréquences spatiales mesurées.5 Il est largement admis que les optiques destinées à être utilisées dans les spectres visibles n'ont pas besoin d'être mesurées au-delà de ~2 000 cycles/mm, ce qui est idéal pour la WLI. Toutefois, pour les optiques destinées à être utilisées dans les spectres UV, la gamme de fréquences spatiales plus élevée de l'AFM peut être nécessaire. L'AFM peut également mesurer des fréquences spatiales plus basses (comme le montre le Tableau 2), mais d'autres facteurs rendent l'AFM moins favorable pour la production. En raison des temps de mesure plus longs, l'AFM est extrêmement sensible aux fluctuations de la température et aux vibrations externes. Par conséquent, l'AFM est mieux adaptée à l'environnement contrôlé d'un laboratoire d'essai tandis que la WLI est mieux adapté à un réglage en usine.

Appareil Limite inférieure de la fréquence spatiale [cycles/mm] Limite supérieure de la fréquence spatiale [cycles/mm] Remarque
Interféromètre à lumière blanche
(Zygo NewView)
1
3
5
9
25
40
50
90
180
360
900
1 800
(Grossissem. obj)
2,75
5
10
20
50
100
Microscopie à force atomique 30
35
45
60
90
185
8 000
9 600
12 000
16 000
24 000
50 000
En fonction du rayon de la pointe et de la configuration de l'appareil
Tableau 2 : Plages de fréquences spatiales raisonnables d'un interféromètre à lumière blanche avec objectifs interchangeables et d’un microscope à force atomique5

Analyseurs de front d’onde Shack-Hartmann

Les analyseurs de front d’onde Shack-Hartmann (ou SHWFS) mesurent l’erreur de front d’onde transmise et réfléchie d’un composant ou d’un système optique avec une gamme dynamique et une précision élevées. Le SHWFS est devenu très populaire grâce à sa facilité d’utilisation, sa rapidité de réaction, son coût relativement faible et sa capacité à fonctionner avec des sources lumineuses incohérentes.

Le front d’onde d’une onde optique est une surface sur laquelle l’onde a une phase constante. Les fronts d’onde étant perpendiculaires à la direction de propagation, la lumière collimatée présente un front d’onde plan et la lumière convergente ou divergente un front d’onde courbe ( Figure 8). Les aberrations dans les composants optiques entraînent des erreurs de front d’onde ou des distorsions dans les fronts d’onde transmis ou réfléchis. En analysant l’erreur de front d’onde transmise et réfléchie, il est possible de déterminer les aberrations et les performances d’un composant optique.

Figure 8 : La lumière parfaitement collimatée présente un front d’onde plan. La lumière qui diverge ou converge après une lentille parfaite sans aberration aura un front d’onde sphérique
Figure 8 : La lumière parfaitement collimatée présente un front d’onde plan. La lumière qui diverge ou converge après une lentille parfaite sans aberration aura un front d’onde sphérique

Le SHWFS utilise un réseau de microlentilles ayant la même distance focale pour focaliser des parties de la lumière incidente sur un détecteur. Le détecteur est divisé en petits secteurs, avec un secteur pour chaque microlentille. Un front d’onde incident plan parfait donne une grille de points focalisés avec la même séparation que l’espacement centre à centre du réseau de microlentilles. Si un front d’onde déformé avec une certaine erreur de front d’onde est incident sur un SHWFS, la position des points sur le détecteur changera (Figure 9). La déviation, la déformation ou la perte d’intensité des points focaux détermine l’inclinaison locale du front d’onde au niveau de chacune des microlentilles. Les inclinaisons individuelles peuvent être utilisées pour recréer le front d’onde intégral.

Figure 9 : Toute erreur de front d’onde présente dans la lumière entrant dans un SHWFS entraînera un déplacement des positions des points focalisés sur le réseau de détecteurs
Figure 9 : Toute erreur de front d’onde présente dans la lumière entrant dans un SHWFS entraînera un déplacement des positions des points focalisés sur le réseau de détecteurs

L’un des avantages du SHWFS par rapport à l’interférométrie est que la gamme dynamique est essentiellement indépendante de la longueur d’onde, ce qui offre plus de flexibilité. Toutefois, la gamme dynamique des SHWFS est limitée par le secteur de détecteur attribué à chaque microlentille. Le point focal de chaque microlentille doit couvrir au moins 10 pixels sur son secteur respectif pour qu’une reconstruction précise du front d’onde ait lieu. Plus la zone du détecteur couverte par le point focal est grande, plus la sensibilité du SHWFS est grande. Cependant, il y a un compromis : la gamme dynamique est plus courte. En général, le point focal de la microlentille ne doit pas couvrir plus de la moitié du secteur désigné du détecteur ; cela garantit un compromis raisonnable entre sensibilité et gamme dynamique.6

L’augmentation du nombre de microlentilles dans un réseau entraîne une augmentation de la résolution spatiale ainsi qu’une diminution de la moyenne de la pente du front d’onde sur l’ouverture de la microlentille. Cependant, moins de pixels sont alloués à chaque microlentille. Les microlentilles de plus grande taille produisent une mesure plus sensible et plus précise pour les fronts d’onde à variation lente. Toutefois, cela peut entraîner un échantillonnage insuffisant des fronts d’onde complexes ainsi qu’un lissage artificiel du front d’onde reconstruit.7

Spectrophotomètres

Les spectrophotomètres mesurent la transmission et la réflectivité des composants optiques. Ils sont essentiels pour caractériser les performances des traitements optiques (Figure 10). Un spectrophotomètre typique se compose d’une source de lumière à large bande spectrale, d’un monochromètre et d’un détecteur (Figure 11). La lumière de la source lumineuse est envoyée dans la fente d’entrée du monochromètre où elle se divise en ses composants de longueur d’onde à l’aide d’un élément dispersif tel qu’un réseau de diffraction ou un prisme. La fente de sortie du monochromètre bloque toutes les longueurs d’onde à l’exception d’une bande étroite qui passe à travers la fente, et cette bande de longueur d’onde étroite illumine l’optique de test. La modification de l’angle du réseau de diffraction ou du prisme modifie les longueurs d’onde qui passent par la fente de sortie, ce qui permet de régler finement la bande de longueur d’onde de test. La lumière réfléchie ou transmise par l’optique de test est ensuite dirigée sur un détecteur, ce qui permet de déterminer la réflectivité ou la transmission de l’optique à une longueur d’onde donnée.

Figure 10 : Exemple de spectre de réflectivité d’un Miroir Laser Excimère TECHSPEC® capturé à l’aide d’un spectrophotomètre
Figure 10 : Exemple de spectre de réflectivité d’un Miroir Laser Excimère TECHSPEC® capturé à l’aide d’un spectrophotomètre
Figure 11: The test wavelength of a spectrophotometer can be finely tuned by adjusting the angle of the diffraction grating or prism in the monochrometer
Figure 11 : La longueur d’onde de test d’un spectrophotomètre peut être affinée en ajustant l’angle du réseau de diffraction ou du prisme dans le monochromètre

La source lumineuse doit présenter une stabilité exceptionnelle ainsi qu’une intensité suffisante sur une large gamme de longueurs d’onde pour éviter les fausses lectures. Les lampes tungstène-halogène sont l’une des sources de lumière les plus utilisées pour les spectrophotomètres en raison de leur longue durée de vie et de leur capacité à maintenir une luminosité constante.Des sources lumineuses multiples couvrant différentes gammes de longueurs d’onde sont souvent utilisées si une gamme totale très large est nécessaire.

Plus la largeur des fentes du monochromètre est faible, plus la résolution spectrale du spectrophotomètre est élevée. Cependant, diminuer la largeur des fentes réduit également la puissance transmise et peut augmenter le temps d’acquisition de la lecture et la quantité de bruit.1

Une grande variété de détecteurs sont utilisés dans les spectrophotomètres car certains détecteurs sont mieux adaptés à certaines gammes de longueurs d’onde. Les tubes photomultiplicateurs (PMT) et les photodiodes à semi-conducteurs sont des détecteurs courants utilisés pour la détection dans l’ultraviolet, le visible et l’infrarouge.8 Les PMT utilisent une surface photoélectrique pour obtenir une sensibilité inégalée par rapport aux autres types de détecteurs. Lorsque la lumière est incidente sur la surface photoélectrique, des photoélectrons sont libérés et continuent à libérer d’autres électrons secondaires, ce qui entraîne un gain élevé. La grande sensibilité des PMT est bénéfique pour les sources lumineuses de faible intensité ou lorsque des niveaux élevés de précision sont requis. Les photodiodes à semi-conducteurs telles que les photodiodes à avalanche constituent une alternative moins coûteuse aux PMT ; cependant, elles présentent un bruit plus élevé et une sensibilité plus faible que les PMT.

Alors que la plupart des spectrophotomètres sont conçus pour être utilisés dans les spectres ultraviolet, visible ou infrarouge, certains spectrophotomètres fonctionnent dans des régions spectrales plus exigeantes telles que le spectre ultraviolet extrême (UVE), avec des longueurs d’onde de 10 à 100 nm. Les spectrophotomètres UVE utilisent généralement des réseaux de diffraction avec des espacements de réseau extrêmement petits pour disperser efficacement le rayonnement UVE incident.

Mesure de la dispersion de retard de groupe

Les interféromètres à lumière blanche sont utilisés pour mesurer la dispersion de retard de groupe (GDD) des composants optiques réfléchissants et transmissifs. La GDD est essentielle aux performances des optiques laser ultrarapides, car la courte durée d’impulsion de ces derniers entraîne une dispersion chromatique importante dans les milieux optiques. Vous trouverez de plus amples informations sur la GDD et l’optique ultrarapide dans notre Note d’application : La dispersion des impulsions ultrarapides.

La plupart des interféromètres utilisent un laser monochromatique comme source d’éclairage car la grande longueur de cohérence du laser permet d’observer facilement les franges d’interférence, mais les interféromètres en lumière blanche utilisent une source d’éclairage à large bande pour analyser la dispersion. Les interféromètres à lumière blanche sont généralement des interféromètres de Michelson dont l’optique de test est placée dans un bras et une optique de référence dans l’autre (Figure 12). La longueur du bras de référence est modifiée en traduisant l’optique de référence sur une certaine distance.

Les interférogrammes révèlent des signaux lorsque les longueurs de trajet optique des deux bras deviennent identiques et que la position exacte à laquelle cela se produit dépend de la longueur d’onde. Cela permet de déterminer avec précision la différence de longueur du trajet optique entre les différentes longueurs d’onde et de révéler ainsi la GDD de l’optique de test (Figure 12).

Figure 12 : Graphique de la GDD en fonction de la longueur d’onde pour un miroir ultrarapide hautement dispersif obtenu par interférométrie en lumière blanche
Figure 12 : Graphique de la GDD en fonction de la longueur d’onde pour un miroir ultrarapide hautement dispersif obtenu par interférométrie en lumière blanche

Le signal est détecté soit par un photodétecteur, soit par un spectromètre. Les photodétecteurs intègrent les signaux de différentes longueurs d’onde dans le temps, et l’application d’un algorithme de transformation de Fourier aux interférogrammes capturés révèle la GDD et la dispersion chromatique dépendant de la longueur d’ondeterferograms reveals the wavelength-dependent GDD and chromatic dispersion.5 L’utilisation d’un spectromètre au lieu d’un photodétecteur élimine la nécessité d’un transfert de Fourier des données saisies.

La sensibilité des interféromètres en lumière blanche basés sur des photodétecteurs dépend de la taille des pas de la platine utilisée pour réaliser la translation de l’optique de référence. Cela n’est pas un problème avec les systèmes basés sur des spectromètres.

Microscopie à contraste interférentiel différentiel

La microscopie à contraste interférentiel différentiel (CID) est utilisée pour la détection hautement sensible des défauts dans les matériaux transmissifs, en particulier pour identifier les dommages causés par les lasers dans les traitements et les surfaces optiques (Figure 13). L’observation de ces caractéristiques avec la microscopie traditionnelle en champ clair est difficile car l’échantillon est transmissif. La microscopie CID améliore le contraste en convertissant les gradients dans la longueur du trajet optique à partir des variations de l’indice de réfraction, de la pente de la surface ou de l’épaisseur en différences d’intensité au niveau du plan d’image. Les pentes, les vallées et les discontinuités de surface sont imagées avec un contraste amélioré pour révéler le profil de la surface. Les images CID ont l’apparence d’un relief en 3D correspondant à la variation de la longueur du trajet optique de l’échantillon. Toutefois, cette apparence de relief en 3D ne doit pas être interprétée comme étant la topographie 3D réelle de l’échantillon.

Figure 13: Image of laser induced damage captured using DIC microscopy
Figure 13 : La microscopie CID convertit les gradients de longueur du trajet optique en différences d’intensité au niveau du plan d’image, ce qui permet de visualiser les dommages induits par le laser qui seraient autrement difficiles à détecter

La microscopie CID utilise des polariseurs ainsi qu’un prisme biréfringent Wollaston ou Nomarski pour séparer une source de lumière en deux rayons polarisés orthogonalement (Figure 14). Une lentille d’objectif focalise les deux composants sur la surface de l’échantillon déplacée d’une distance égale à la limite de résolution du microscope. Après avoir été collimatés par une lentille de condenseur, les deux composants sont ensuite recombinés à l’aide d’un autre prisme de Wollaston. Les composants combinés passent ensuite à travers un second polariseur appelé analyseur, qui est orienté perpendiculairement au premier polariseur. L’interférence due à la différence de longueur du trajet optique des deux composants entraîne des variations de luminosité visibles.

Figure 5 : Configuration typique de microscopie CID où un prisme de Wollaston divise le faisceau d’entrée en 2 états polarisés séparément
Figure 14 : Configuration typique de microscopie CID où un prisme de Wollaston divise le faisceau d’entrée en 2 états polarisés séparément

L’une des limites de la microscopie CID est son coût élevé par rapport aux autres techniques de microscopie. Les prismes de Wollaston utilisés pour séparer et recombiner les différents états de polarisation sont plus coûteux que les composants nécessaires aux techniques de microscopie telles que la microscopie à contraste de phase ou à contraste de modulation de Hoffman.9

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EN SAVOIR PLUS

Références

  1. Hinterdorfer, Peter, and Yves F Dufrêne. “Detection and Localization of Single Molecular Recognition Events Using Atomic Force Microscopy.” Nature Methods, vol. 3, no. 5, 2006, pp. 347–355., doi:10.1038/nmeth871.
  2. Binnig, G., et al. “Atomic Resolution with Atomic Force Microscope.” Surface Science, vol. 189-190, 1987, pp. 1–6., doi:10.1016/s0039-6028(87)80407-7.
  3. Dr. Johannes H. Kindt. “AFM enhancing traditional Electron Microscopy Applications.” Atomic Force Microscopy Webinars, Bruker, Feb. 2013, www.bruker.com/service/education-training/webinars/afm.html.
  4. Murphey, Douglas B, et al. “DIC Microscope Configuration and Alignment.” Olympus, www.olympus-lifescience.com/en/microscope-resource/primer/techniques/dic/dicconfiguration/
  5. Paschotta, Rüdiger. Encyclopedia of Laser Physics and Technology, RP Photonics, October 2017, www.rp-photonics.com/encyclopedia.html.
  6. Forest, Craig R., Claude R. Canizares, Daniel R. Neal, Michael McGuirk, and Mark Lee Schattenburg. "Metrology of thin transparent optics using Shack-Hartmann wavefront sensing." Optical engineering 43, no. 3 (2004): 742-754.
  7. John E. Greivenkamp, Daniel G. Smith, Robert O. Gappinger, Gregory A. Williby, "Optical testing using Shack-Hartmann wavefront sensors," Proc. SPIE 4416, Optical Engineering for Sensing and Nanotechnology (ICOSN 2001), (8 May 2001); doi: 10.1117/12.427063
  8. Wassmer, William. “An Introduction to Optical Spectrometry (Spectrophotometry).” Azooptics.com, https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=753.

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