FR3084158A1 - Methode et dispositif de caracterisation de filtres optiques - Google Patents

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Abstract

Selon un aspect, la présente description concerne un dispositif de caractérisation en réflexion et/ou en transmission d'un filtre optique comprenant une source lumineuse (31) couplée à une fibre (32) mono mode, permettant de former une onde lumineuse de largeur spectrale supérieure à 10 nm, de densité spectrale de puissance supérieure à 1 µW/nm; un premier collimateur (33) configuré pour former à partir de ladite onde lumineuse, un faisceau faiblement divergent (Bi) de divergence inférieure à 1 mrad, incident sur une zone de caractérisation du filtre à caractériser avec un angle d'incidence donné ; et des moyens (34) d'analyse spectrale du faisceau réfléchi (Br) et/ou transmis (Bt) par ladite zone de caractérisation dudit filtre à caractériser, lorsque ladite zone est illuminée par ledit faisceau faiblement divergent.

Description

MÉTHODE ET DISPOSITIF DE CARACTÉRISATION DE FILTRES OPTIQUES
ETAT DE L’ART
Domaine technique de l’invention
La présente description concerne une méthode et un dispositif de caractérisation en transmission et/ou en réflexion de filtres optiques, et en particulier de filtres optiques non diffractifs.
Etat de l’art
Les filtres optiques sont des composants présentant des propriétés de transmission et/ou réflexion sélectives en fonction de la longueur d’onde et sont utilisés dans des domaines techniques très diversifiés comme le spatial, les télécommunications, la biophotonique, la lunetterie. Ils forment par exemple des filtres passe-bande, des miroirs sélectifs en longueur d’onde, des composants antireflets, des lames dichroïques.
On s’intéresse notamment dans la présente description aux filtres optiques non diffractifs, présentant une transmission et/ou réflexion exclusivement à l’ordre zéro, et plus précisément aux filtres en couches minces optiques (ou filtres interférentiels) ainsi qu’aux filtres présentant des structures de type réseaux sub-longueurs d’onde ou « métasurfaces ».
Ces filtres sont généralement conçus en utilisant des logiciels permettant de résoudre les équations de Maxwell de manière directe (e.g. Comsol®) ou inverse (e.g. Optilayer®). Les logiciels de conception déterminent en fonction des propriétés spectrales requises la structure physique des filtres, comme par exemple le nombre, la nature et l’épaisseur des couches dans un filtre interférentiel, ou la géométrie et la taille du réseaux dans les filtres de type métasurfaces. Après la fabrication, la concordance entre les caractéristiques souhaitées lors de la conception et les caractéristiques réelles des filtres est vérifiée expérimentalement.
Afin de procurer aux utilisateurs de ces filtres des données de caractérisation fiables, on cherche à ce que la validation expérimentale post fabrication des filtres soit faite dans des conditions expérimentales correspondant le plus précisément possible à celles utilisées dans les simulations théoriques lors de la phase de conception. Notamment, les conditions théoriques de calcul des filtres optiques sont basées sur une illumination en onde plane à différents angles d’incidence.
A ce jour, la méthode la plus classique pour caractériser les filtres optiques consiste à utiliser un système de type spectrophotomètre. Comme illustré sur la FIG. IA, un spectrophotomètre comprend généralement une source lumineuse 10 à large bande spectrale, un monochromateur 12 accordable pour émettre en sortie un faisceau lumineux monochromatique dont on peut faire varier la longueur d’onde, un élément séparateur 16 pour séparer le faisceau monochromatique en un faisceau de référence et un faisceau de mesure incident sur le filtre 14 à caractériser, et un détecteur 19 pour détecter l’intensité lumineuse des deux faisceaux, le faisceau de référence et le faisceau de mesure après transmission/réflexion par le filtre. Le monochromateur comprend par exemple un réseau 121, mobile, couplé à un diaphragme 122.
Cependant, dans un tel système de mesure, la résolution spectrale est finie (typiquement de l'ordre de quelques 0,1 nanomètres à quelques nanomètres), ce qui influence directement le rapport signal sur bruit et la dynamique de mesure du fait d'un flux disponible limité lorsqu'une source blanche est utilisée. Par ailleurs, la présence de diaphragmes contribue aussi à diminuer la densité de spectrale de puissance du faisceau de mesure incident sur le filtre à caractériser. Enfin, le faisceau de mesure présente généralement une divergence non négligeable, typiquement de l’ordre de quelques degrés, la divergence étant par ailleurs variable spectralement.
Les FIG. IB et IC illustrent ainsi la transmission théorique d’un filtre passe-bande étalon (courbes 101, 103), dans cet exemple un filtre interférentiel en couches minces, et la transmission mesurée du même filtre mesurée avec un spectrophotomètre du commerce (courbes 102, 104), en lumière naturelle, respectivement sous incidence normale (FIG. IB) et à 40° (FIG. IC). On observe que la divergence du faisceau de mesure du spectrophotomètre du commerce influence la mesure, et plus particulièrement aux grandes incidences, compte tenu de la plus grande sensibilité angulaire du filtre. En pratique, cela rend impossible la caractérisation du profil spectral aux forts angles d’incidence, comme dans cet exemple à 40°.
D'autres systèmes ont été développés pour pallier ces limitations, en particulier pour contrôler l'ensemble des paramètres critiques de mesure dont la divergence du faisceau de mesure. Ainsi, dans l’article de Floriot et al. (« Solid-spaced filters : an alternative for narrow-bandpass applications » Applied Optics/ Vol.45, No.7/ 1 March 2006), il est préconisé d’utiliser pour la caractérisation de filtres optiques un laser accordable couplé dans une fibre monomode. Cependant, cette solution est très coûteuse. Par ailleurs, l’utilisation du laser qui présente par nature une grande cohérence spatiale, génère des effets d’interférences parasites préjudiciables à la caractérisation des filtres optiques.
La présente invention décrit un dispositif de caractérisation de filtres optiques qui permet de s’approcher des conditions de calcul des performances théoriques des filtres, à savoir une illumination en onde plane pour différents angles d’incidence, tout en s’affranchissant de l’utilisation d’un laser accordable.
RESUME
Selon un premier aspect, un ou plusieurs exemples de réalisation concernent une méthode de caractérisation en réflexion et/ou en transmission d’un filtre optique comprenant : la formation, au moyen d’une source lumineuse couplée dans une fibre monomode, d’une onde lumineuse de largeur spectrale supérieure à 10 nm, de densité spectrale de puissance supérieure à 1 pW/nm;
la mise en forme de ladite onde lumineuse au moyen d’au moins un premier collimateur pour former un faisceau faiblement divergent de divergence inférieure à 1 mrad incident sur une zone de caractérisation du filtre avec un angle d’incidence donné ; et l’analyse spectrale du faisceau réfléchi et/ou transmis par ladite zone de caractérisation illuminée par ledit faisceau faiblement divergent.
Les déposants ont montré que la méthode de caractérisation ainsi décrite permet de s’approcher des conditions de calcul des performances théoriques des filtres optiques, et de bénéficier d’un très bon rapport signal sur bruit dans la caractérisation des filtres, notamment du fait de la densité spectrale de puissance et de la très faible divergence que l’on peut obtenir sur le faisceau de mesure incident sur le filtre à caractériser.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le mode qui se propage dans la fibre monomode est le mode TEMOq. L’onde lumineuse en sortie de la fibre monomode présente alors une distribution spatiale d’intensité monomode transverse, par exemple de type gaussien.
Ces propriétés du faisceau de mesure sont rendues possibles par l’emploi d’une source lumineuse, large bande et donc incohérente temporellement, couplée avec une fibre monomode, et l’absence de tout autre composant (e.g. diaphragme, réseau) en amont du filtre à caractériser qui pourrait limiter la densité spectrale de puissance du faisceau de mesure et sa qualité spatiale monomode transverse. En effet, l’illumination du composant à caractériser est large bande et l’analyse spectrale est réalisée en aval.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la longueur de cohérence temporelle de la source est inférieure à 300 pm, ce qui correspond sensiblement à une source lumineuse dans le proche infrarouge et de largeur spectrale de 10 nm.
La forte densité spectrale de puissance ainsi obtenue permet de réaliser des mesures rapides et/ou à très grand rapport signal sur bruit de sorte à obtenir une grande dynamique de mesure (plusieurs décades). En effet, le rapport signal sur bruit est d’autant plus important que le nombre de photons reçu est important. Une forte densité spectrale de puissance permet de collecter suffisamment de photons pour permettre une mesure en transmission ou réflexion même dans le cas de forte atténuation, et permet en outre de limiter le temps de mesure pour chaque longueur d’onde. En effet, le niveau de bruit étant proportionnel au nombre de photons intégrés, plus la densité spectrale de puissance est élevée, plus le temps d’intégration peut être réduit pour un même nombre de photons à intégrer.
En pratique, on cherchera un compromis en fonction des applications entre la largeur spectrale de la source et la densité spectrale de puissance (DSP), la DSP diminuant avec la largeur spectrale. Ainsi, on pourra choisir selon un ou plusieurs exemples de réalisation, une source lumineuse de largeur spectrale supérieure ou égale à 50 nm, voire supérieure à 100 nm pour des caractérisations de filtres sur des bandes spectrales plus grandes. On pourra également choisir de travailler avec des DSP plus importantes pour obtenir des plus grandes dynamiques de mesure, mais sur des plages spectrales plus petites.
En pratique, le couplage de la source dans la fibre monomode permet d’obtenir en sortie du au moins un premier collimateur un faisceau faiblement divergent limité par la diffraction, c’est-à-dire dont la divergence est la plus faible possible d’un point de vue expérimental.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la mise en forme de ladite onde lumineuse comprend l’ajustement de la dimension spatiale transverse du faisceau faiblement divergent à la dimension recherchée de ladite zone de caractérisation.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, l’ajustement de la dimension spatiale transverse du faisceau est réalisé au moyen d’un deuxième collimateur couplé avec le premier collimateur.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la méthode de caractérisation selon la présente description comprend en outre la collection du faisceau réfléchi et/ou transmis au moyen d’au moins un collimateur de collection.
Dans le cas où l’analyse spectrale est réalisée au moyen d’un ou plusieurs spectromètre(s) fibré(s), ledit au moins un collimateur de collection pourra être couplé à au moins une fibre de collection d’un spectromètre.
Il est remarquable de noter que du fait de la très faible divergence du faisceau de mesure incident sur le filtre à caractériser, il est possible de recoupler tout le flux réfléchi et/ou transmis dans une fibre de collection pour l’analyse spectrale. On s’affranchit ainsi des problèmes de lumière parasite ou ambiante. En particulier, l’utilisation d’une fibre de collection monomode pourra également permettre de déterminer si le composant crée des distorsions du faisceau incident (distorsion du front d’onde), car seule la partie non affectée par le composant pourra être recouplé dans la fibre. Il sera ainsi possible de qualifier le filtre également quant à l’uniformité et la planéité du composant.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, ledit au moins un collimateur de collection est placé sur une platine de translation et/ou de rotation. Pour une caractérisation des filtres optiques en transmission, la translation dudit au moins un collimateur de collection permet de compenser la déviation du faisceau transmis par le filtre du fait des effets de réfraction de la lumière lors d’une mesure hors incidence normale ; ainsi le flux collecté est maximal. Pour une caractérisation des filtres optiques en réflexion, la rotation dudit au moins un collimateur de collection permet d’adapter l’angle de réception du faisceau réfléchi par le filtre en fonction de l’angle du faisceau incident.
De façon générale, un « collimateur » est tout dispositif optique permettant d'obtenir un faisceau de rayons de lumière parallèles à partir d'une source de lumière. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le premier et/ou le deuxième collimateur pour la mise en forme du faisceau de mesure ainsi que ledit au moins un collimateur de collection sont formés d’un ou plusieurs éléments optiques réflectifs ou réfractifs. Des éléments optiques réflectifs permettent notamment de garantir des performances de collimation large bande spectrale.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la source selon la présente description comprend une diode superluminescente (ou « SLD » selon l’abréviation anglo-saxonne « superluminescent diode »), une diode électroluminescente (ou « LED » selon l’abréviation anglo-saxonne «light emitting diode») ou une diode laser (ou «LD» selon l’abréviation anglo-saxonne « laser diode ») pour l’étape de formation de l’onde lumineuse. De telles sources présentent des densités spectrales de puissance élevées et sont temporellement incohérentes, ce qui permet de limiter les effets parasites d’interférences. La bande spectrale de la source pourra être choisie en fonction de la bande spectrale de caractérisation du composant et plusieurs sources pourront être utilisées pour couvrir une plus grande bande spectrale de caractérisation. Compte tenu des gammes de sensibilité des détecteurs et des gammes d'émission des sources notamment de type SLD, LED ou LD, il est possible de couvrir a minima toute la gamme spectrale de 400 à 1700 nm. Bien entendu, d’autres sources peuvent être utilisées, comme par exemple des lasers à cascade quantique dans le cas où une mesure dans l’infrarouge est requise.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, l’étape d’analyse spectrale comprend la mesure de l’intensité lumineuse réfléchie et/ou transmise par ladite zone de caractérisation de l’échantillon, en fonction de la longueur d’onde, dans une bande spectrale comprise dans ladite largeur spectrale de ladite source.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, l’étape d’analyse spectrale comprend en outre la mesure de l’intensité lumineuse dudit faisceau incident faiblement divergent, en fonction de la longueur d’onde, dans ladite bande spectrale, sans l’échantillon, et le calcul du rapport des intensités lumineuses mesurées avec et sans échantillon, en fonction de la longueur d’onde.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, ladite intensité lumineuse, mesurée avec ou sans échantillon, est corrigée d’une valeur de bruit de fond.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la méthode de caractérisation selon la présente description comprend la variation de la polarisation du faisceau incident faiblement divergent sur le filtre optique au moyen d’un polariseur. L’analyse spectrale peut alors être effectuée pour chacune des polarisations afin de réaliser une caractérisation plus complète. Le polariseur peut être linéaire ou circulaire. Dans le cas d’un polariseur linéaire, il peut être monté sur une platine de rotation afin de mesurer de manière automatique les performances spectrales pour les deux polarisations s et p.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la méthode de caractérisation selon la présente description comprend en outre la formation à partir du faisceau incident faiblement divergent d’un faisceau de référence dans une voie de référence ; l’analyse spectrale du faisceau réfléchi et/ou transmis comprend la normalisation de l’intensité lumineuse dudit faisceau réfléchi et/ou transmis par l’intensité lumineuse du faisceau de référence. La voie de référence permet de s’affranchir des fluctuations d’intensité de la source de mesure.
Selon un deuxième aspect, un ou plusieurs exemples de réalisation concernent un dispositif de caractérisation en réflexion et/ou en transmission d’un filtre optique comprenant une source lumineuse couplée à une fibre monomode, permettant de former une onde lumineuse de largeur spectrale supérieure à 10 nm, de densité spectrale de puissance supérieure à 1 qW/nm;
au moins un premier collimateur configuré pour former à partir de ladite onde lumineuse, un faisceau faiblement divergent de divergence inférieure à 1 mrad, incident sur une zone de caractérisation du filtre à caractériser avec un angle d’incidence donné ; et des moyens d’analyse spectrale du faisceau réfléchi et/ou transmis par ladite zone de caractérisation illuminée par ledit faisceau faiblement divergent.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif comprend en outre au moins un collimateur de collection pour la collection du faisceau réfléchi et/ou transmis par ladite zone de caractérisation dudit filtre.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, ledit au moins un collecteur de collection est couplé à au moins une fibre de collection, monomode ou multimode.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la source comprend une diode superluminescente, une diode électroluminescente ou une diode laser.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les moyens d’analyse spectrale comprennent un ou plusieurs spectromètre(s) reliés à une ou plusieurs unités de calcul. Un spectromètre comprend typiquement un élément de dispersion spectrale de la lumière couplé avec un détecteur. L’unité de calcul permet de traiter les signaux délivrés par le détecteur et correspondant à des intensités lumineuses mesurées en fonction de la longueur d’onde.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le ou les spectromètre(s) sont fibrés.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif comprend en outre des moyens de rotation et/ou translation du filtre à caractériser pour faire varier l’angle d’incidence et/ou la position de la zone de caractérisation.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif comprend en outre un élément séparateur de faisceau configuré pour prélever une portion dudit faisceau incident faiblement divergent et former un faisceau de référence et un détecteur pour mesurer l’intensité lumineuse dudit faisceau de référence.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures suivantes :
FIGS. IA à IC (décrites précédemment), un système de caractérisation de filtres optiques selon l’art antérieur (FIG. IA) et des exemples comparatifs de caractérisations d’un filtre obtenus selon une méthode de l’art antérieur et selon la théorie, pour un angle d’incidence nul (FIG. IB) et à 40° (FIG. IC) ;
FIG. 2, un organigramme d’un exemple de méthode de caractérisation selon la présente description ;
FIG. 3, un schéma d’un exemple de système de caractérisation en transmission d’un filtre optique selon la présente description ;
FIGS. 4A et 4B, des schémas d’exemples de système de caractérisation respectivement en transmission et en réflexion de filtres optiques selon la présente description ;
FIG. 5A, 5B, des exemples comparatifs de caractérisations d’un filtre (identique à celui caractérisé sur les FIGS. IB, IC), obtenus selon un exemple de méthode selon la présente description et selon la théorie, pour un angle d’incidence nul (FIG. 5A) et à 40° (FIG. 5B).
Dans les figures, les éléments identiques sont indiqués par les mêmes références.
DESCRIPTION DETAILLEE
Dans la description détaillée suivante de modes de réalisation de la méthode et du dispositif, des détails spécifiques sont exposés afin de fournir une compréhension plus approfondie de la présente description. Cependant, il apparaîtra à l’homme du métier que la présente description peut être mise en œuvre sans ces détails spécifiques. Dans d’autres cas, des caractéristiques bien connues n’ont pas été décrites en détail pour éviter de compliquer inutilement la description.
Dans ce qui suit, le terme « comprendre » signifie la même chose que « inclure » et « contenir », et est inclusif ou ouvert et n’exclut pas d’autres éléments non récités. En outre, dans la présente description, les termes « environ », « substantiellement » et « à peu près » signifient la même chose que présentant une marge inférieure et/ou supérieure de 10% de la valeur respective.
Lorsque dans la présente description, il est fait référence à des étapes de calcul ou traitement pour la mise en œuvre notamment d’étapes de procédés, il est entendu que chaque étape de calcul ou traitement peut être mis en œuvre par logiciel, hardware, firmware, microcode ou toute combinaison appropriée de ces technologies. Lorsqu’un logiciel est utilisé, chaque étape de calcul ou traitement peut être mise en œuvre par des instructions de programme d’ordinateur ou du code logiciel. Ces instructions peuvent être stockées ou transmises vers un support de stockage lisible par un ordinateur (ou unité de calcul) et/ou être exécutées par un ordinateur (ou unité de calcul) afin de mettre en œuvre ces étapes de calcul ou traitement.
La FIG. 2 illustre trois étapes de la méthode de caractérisation d’un filtre optique (ou «échantillon») selon la présente description, à savoir une étape 201 d’illumination pour former une onde lumineuse incohérente temporellement, une étape 202 de mise en forme de ladite onde lumineuse pour former un faisceau faiblement divergent incident sur le filtre optique à caractériser et une étape 203 d’analyse spectrale dudit filtre au moyen du faisceau faiblement convergent. La FIG. 3 illustre un exemple de système 30 adapté à la mise en œuvre de la méthode de caractérisation selon la présente description.
Les filtres optiques à caractériser, également appelés « échantillons » dans la présente description, peuvent être par exemple des filtres non diffractifs, en réflexion ou en transmission. Les filtres non diffractifs ne génèrent pas d’ordres de diffraction autres que l’ordre zéro. Ainsi, il existe seulement un faisceau transmis et/ou un faisceau réfléchi en réflexion directe, ce qui facilite la caractérisation. Ces filtres forment par exemple des lames dichroïques, des filtres passe-bande, des filtres « inverses », c’est-à-dire à bande étroite en réflexion (ou « filtres de Notch »), des antireflets, des miroirs sélectifs en longueur d’onde, etc. Plus généralement, on cherche à caractériser des filtres présentant des variations hautes fréquences de leurs coefficients de transmission et/ou de réflexion ou de fortes variations de transmission d’une bande spectrale à une autre. Ces filtres peuvent être formés par exemple par des empilements de couches minces optiques ou sous forme de structures sub-longueurs d’onde ou « métasurfaces ».
L’étape d’illumination 201 comprend la formation d’une onde lumineuse incohérente temporellement, de largeur spectrale supérieure à 10 nm et de densité spectrale de puissance supérieure à 1 pW/nm, et dont la distribution d’intensité est monomode transverse. Comme illustré sur la FIG. 3, une telle onde lumineuse peut être obtenue avec une source lumineuse 31 de largeur spectrale supérieure à 10 nm et de densité spectrale de puissance supérieure à 1 pW/nm couplée dans une fibre d’entrée 32, qui est une fibre monomode.
La source lumineuse est par exemple une diode super luminescente (SLD) ou toute autre source large bande (diode laser, diode électroluminescente) qui peut être couplée à une fibre monomode. La gamme spectrale de la source peut être adaptée à la gamme spectrale requise pour la caractérisation. La forte densité spectrale de puissance permet de garantir une grande dynamique de mesure. En sortie de la fibre d’entrée 32, l’onde lumineuse forme un faisceau de distribution spatiale monomode transverse.
La mise en forme de l’onde lumineuse ainsi obtenue (étape 202) permet, par exemple au moyen d’un premier collimateur 33 (FIG. 3), de former un faisceau faiblement divergent Bi dont la divergence est inférieure à 1 mrad. Le faisceau incident Bi est avantageusement un faisceau gaussien ΤΕΜ00, avantageusement à faible niveau d’aberrations (M2 < 1,5). Ceci est rendu possible du fait du caractère monomode de l’onde lumineuse incidente sur le collimateur 33.
Le collimateur 33 comprend par exemple un ou plusieurs éléments optiques réflectifs, afin de garantir les performances de collimation large bande du faisceau ou peut comprendre un ou plusieurs éléments optiques réfractifs.
Selon un exemple de réalisation (non représenté sur les figures), deux collimateurs peuvent être agencés pour former un faisceau incident Bi dont la dimension spatiale transverse peut être adaptée à la dimension de la zone de l’échantillon à caractériser. Par exemple, la dimension spatiale transverse du faisceau incident peut être ajustée de quelques centaines de microns à quelques centimètres en fonction du besoin. L’ajustement de la dimension spatiale du faisceau prend en compte la dimension de la zone de caractérisation recherchée sur l’échantillon (une zone plus petite permet de s’affranchir d’éventuels problèmes d’uniformité sur l’échantillon) et la divergence du faisceau de caractérisation Bi (une augmentation de la taille de faisceau de mesure permettant de diminuer la divergence du faisceau).
Le faisceau de caractérisation Bi est incident sur l’échantillon F avec un angle d’incidence donné. Selon un exemple de réalisation, l’échantillon est agencé sur un système porte-échantillon (non représenté sur la FIG. 3) avec une platine de rotation, permettant de contrôler l’angle d’incidence du faisceau de caractérisation sur l’échantillon. Des platines de translation peuvent également être prévues pour balayer si besoin la zone de caractérisation sur l’échantillon. La collection du faisceau après réflexion et/ou transmission pourra alors prendre en compte les effets de déplacement du faisceau de caractérisation résultant de la déflection angulaire (mesure en réflexion) ou de la réfraction dans le substrat (mesure en transmission). Cet ajustement pourra être fait de façon manuelle ou automatique en maximisant le flux incident mesuré sur le détecteur.
L’analyse spectrale (étape 203) du faisceau réfléchi et/ou transmis par l’échantillon F est réalisée par exemple au moyen d’un spectromètre 34 relié à une unité de calcul 35. Le spectromètre 34 comprend par exemple un élément de dispersion spectrale de la lumière couplé avec un détecteur. Le spectromètre 34 est avantageusement un spectromètre fibré. L’unité de calcul est configurée pour traiter les signaux délivrés par le détecteur et correspondant à des intensités lumineuses mesurées en fonction de la longueur d’onde. L’élément de dispersion comprend par exemple un réseau de diffraction, ou un réseau de volume, ou un filtre variable. Le détecteur comprend par exemple une photodiode, une barrette de photodiode ou un détecteur matriciel, par exemple de type CCD ou CMOS. Le spectromètre fournit alors une information de la réponse spectrale en intensité lumineuse mesurée qui est ensuite analysée à l’aide d’un logiciel de traitement des données de l’unité de calcul.
L’analyse spectrale comprend la détermination en fonction de la longueur d’onde de l’intensité lumineuse Ι(λ) du faisceau après réflexion et/ou transmission. L’analyse spectrale peut comprendre en outre la détermination, en fonction de la longueur d’onde, de l’intensité lumineuse Ιιοο(λ) du faisceau incident faiblement divergent (mesurée sans échantillon) et la détermination, en fonction de la longueur d’onde, du rapport Ι(λ)/Ιιοο(λ) correspondant respectivement à la réflexion (R(X)) ou la transmission (Τ(λ)) de la zone de caractérisation en fonction de la longueur d’onde. Pour ce faire, une mesure de l’intensité est effectuée au moyen du même spectromètre 34, sans l’échantillon, avant ou après la caractérisation de l’échantillon, ou au moyen de deux spectromètres.
Il est également possible d’utiliser un échantillon étalon. Dans ce cas, l’intensité lumineuse Ιιοο(λ) correspond à l’intensité transmise ou réfléchie par l’échantillon étalon.
L’analyse spectrale peut également, pour s’affranchir d’un éventuel bruit de fond, faire une mesure de l’intensité lo avec le faisceau incident bloqué. La réflexion R ou la transmission T s’écrivent alors :
Les FIGS. 4A et 4B illustrent d’autres schémas d’exemples de systèmes de caractérisation selon la présente description. Le système 40a illustre un système de caractérisation en transmission et le système 40B illustre un système de caractérisation en réflexion.
Dans ces exemples, on retrouve comme sur la FIG. 3, la source 31 fibrée au moyen d’une fibre d’entrée monomode 32 et au moins un premier collimateur 33 permettant de former un faisceau incident faiblement divergent Bi.
Dans ces exemples, le faisceau transmis Bt (FIG. 4A) ou réfléchi Br (FIG. 4B) est collecté au moyen d’un collimateur de collection 41 couplé à une fibre de collection 42 mono mode ou multimode 42. Le choix du diamètre de cœur de la fibre 42 est fonction de la résolution spectrale requise et de la sensibilité à l’alignement. En effet, une fibre de collection de plus gros diamètre permettra de collecter plus facilement le flux réfléchi ou transmis. La sensibilité à l’alignement sera plus faible mais la résolution spectrale limitée, cette dernière étant dépendante, par exemple dans le cas d’un spectromètre de type analyseur optique de spectre, de la taille de la fibre d’entrée. Inversement, l’utilisation d’une fibre monomode permettra d’obtenir une meilleure résolution spectrale, mais sera plus sensible aux désalignements du système de collections entre I et Iwo.
Les systèmes de caractérisation illustrés sur les FIGS. 4A et 4B comprennent en outre et de façon optionnelle, une voie de référence. La voie de référence est formée par un élément séparateur de faisceau 44, configuré pour prélever une partie du faisceau incident Bi. La voie de référence comprend un détecteur 45, par exemple une photodiode, permettant de prendre en compte en temps réel les fluctuations lumineuses de la source. Dans ce cas, chacune des intensités Ι(λ), Ιιοο(λ) et Ιο définies ci-dessus sont normalisées par l’intensité du faisceau de référence, mesurée sur la voie de référence au moment de la mesure de Ι(λ).
Les systèmes de caractérisation illustrés sur les FIGS. 4A et 4B comprennent en outre, et de façon optionnelle, un polariseur 43 permettant de changer la polarisation du faisceau incident Bi sur l’échantillon. L’analyse spectrale peut alors être effectuée pour chacune des polarisations.
Le système de mesure permet ainsi, en combinaison avec la source à haute densité spectrale de puissance, de réaliser des mesures à haut rapport signal sur bruit (minimum 20) sur une gamme d’intensité d’au moins 3 décades.
Sur chacun des exemples 4A, 4B représentés, il est possible de prévoir une pluralité de spectromètres, par exemple deux spectromètres, par exemple des spectromètres fibrés, par exemple pour caractériser en même temps la transmission et la réflexion, ou pour caractériser un filtre dans des bandes spectrales différentes, etc.
Les FIGS. 5A et 5B illustrent des premiers résultats expérimentaux effectués au moyen d’un système de caractérisation selon la présente description, tel qu’illustré sur la FIG. 4A.
La source est une diode super luminescente centrée à 920 nm, de largeur spectrale à 3dB supérieure à 100 nm, puissance 5 mW couplée dans une fibre monomode. Les collimateurs d'émission et de réception sont des collimateurs réflectifs. Le collimateur de collection est fixé sur une platine de translation afin de compenser les effets de décalage de faisceau lors des mesures en incidence. Le spot de mesure est de ~2 mm de diamètre. Pour ces mesures, seule la transmission a été mesurée et la polarisation a été contrôlée si besoin à l'aide d'un polariseur linéaire placée en amont de l'échantillon, lui-même fixé sur une platine de rotation. Le détecteur est un analyseur optique de spectre et la lumière collectée par une fibre mono mode afin de d'obtenir une résolution spectrale optimale (< 0,5 nm).
La réponse spectrale en transmission d’un filtre optique interférentiel passe-bande étalon obtenu par empilement de couches minces optiques est mesurée dans les conditions d'éclairage 0 et 40 degrés d'incidence (courbes 502 et 504 respectivement). Le filtre étalon est le même que celui dont on a représenté des caractérisations sur les FIGS. IB, IC. L'accord avec les courbes théoriques (courbes 501 et 503 respectivement) est excellent que ce soit d'un

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS
    1. Méthode de caractérisation en réflexion et/ou en transmission d’un filtre optique (F) comprenant :
    la formation, au moyen d’une source lumineuse (31) couplée à une fibre (32) monomode, d’une onde lumineuse de largeur spectrale supérieure à 10 nm, de densité spectrale de puissance supérieure à 1 pW/nm;
    la mise en forme de ladite onde lumineuse au moyen d’au moins un premier collimateur (33) pour former un faisceau faiblement divergent (Bi) de divergence inférieure à 1 mrad, incident sur une zone de caractérisation du filtre à caractériser avec un angle d’incidence donné ; et l’analyse spectrale du faisceau réfléchi (Br) et/ou transmis (Bt) par ladite zone de caractérisation illuminée par ledit faisceau faiblement divergent.
  2. 2. Méthode de caractérisation selon la revendication 1, dans laquelle la mise en forme de ladite onde lumineuse comprend l’ajustement de la dimension spatiale transverse du faisceau faiblement divergent à la dimension recherchée de ladite zone de caractérisation.
  3. 3. Méthode de caractérisation selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre la collection du faisceau réfléchi et/ou transmis au moyen d’au moins un collimateur de collection.
  4. 4. Méthode de caractérisation selon la revendication 3, dans laquelle ledit au moins un collimateur de collection est couplé à une fibre de collection (42), monomode ou multimode.
  5. 5. Méthode de caractérisation selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre le déplacement en rotation et/ou en translation du filtre à caractériser (F) pour faire varier l’angle d’incidence et/ou la position de la zone de caractérisation.
  6. 6. Méthode de caractérisation selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre l’étape suivante :
    la variation de la polarisation du faisceau incident faiblement divergent sur le filtre optique au moyen d’un polariseur ;
    l’analyse spectrale pour chacune des polarisations.
  7. 7. Méthode de caractérisation selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre :
    la formation à partir du faisceau incident faiblement divergent d’un faisceau de référence dans une voie de référence ;
    et dans laquelle :
    l’analyse spectrale du faisceau réfléchi et/ou transmis comprend la normalisation de l’intensité lumineuse dudit faisceau réfléchi et/ou transmis par l’intensité lumineuse du faisceau de référence.
  8. 8. Dispositif de caractérisation en réflexion et/ou en transmission d’un filtre optique comprenant :
    une source lumineuse (31) couplée à une fibre (32) mono mode, permettant de former une onde lumineuse de largeur spectrale supérieure à 10 nm, de densité spectrale de puissance supérieure à 1 pW/nm;
    au moins un premier collimateur (33) configuré pour former à partir de ladite onde lumineuse, un faisceau faiblement divergent (Bi) de divergence inférieure à 1 mrad, incident sur une zone de caractérisation du filtre à caractériser avec un angle d’incidence donné ; et des moyens (34) d’analyse spectrale du faisceau réfléchi (Br) et/ou transmis (Bt) par ladite zone de caractérisation dudit filtre à caractériser, lorsque ladite zone est illuminée par ledit faisceau faiblement divergent.
  9. 9. Dispositif de caractérisation selon la revendication 8, dans lequel la source (31) comprend une diode superluminescente, une diode électroluminescente et/ou une diode laser.
  10. 10. Dispositif de caractérisation selon l’une quelconque des revendications 8 ou 9, comprenant au moins un collimateur de collection, pour la collection du faisceau réfléchi et/ou transmis par ladite zone de caractérisation dudit filtre.
  11. 11. Dispositif de caractérisation selon la revendication 10, dans lequel ledit au moins collimateur de collection est couplé à au moins une fibre de collection (42), monomode ou multimode.
  12. 12. Dispositif de caractérisation selon l’une quelconque des revendications 8 à 11, comprenant en outre des moyens de rotation et/ou translation du filtre à caractériser pour faire varier l’angle d’incidence et/ou la position de la zone de caractérisation.
  13. 13. Dispositif de caractérisation selon l’une quelconque des revendications 8 à 12,
    5 dans lequel les moyens d’analyse spectrale comprennent au moins un spectromètre (34) relié à au moins une unité de calcul (35), configurée pour le traitement des signaux délivrés par ledit au moins un spectromètre.
  14. 14. Dispositif de caractérisation selon l’une quelconque des revendications 8 à 13, comprenant en outre :
    10 - un élément séparateur de faisceau (44) configuré pour prélever une portion dudit faisceau incident faiblement divergent et former un faisceau de référence ;
    un détecteur (45) pour mesurer l’intensité lumineuse dudit faisceau de référence.
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