Détecteurs

Plusieurs types de détecteurs seront utilisés. Pour faire les mesures avec le laser CO2, un

détecteur HgCdTe sera amplement suffisant (voir les applications numériques dans le para- graphe 4.8). Nous disposons de plus d’un détecteur dont l’étendue géométrique de réception est extrêmement faible (3λ2 _{pour λ = 8.5 µm) de façon à limiter le bruit du fond thermique}

et donc augmenter la sensibilité du détecteur. Cette limitation de l’étendue géométrique est obtenue grâce à une lentille froide et un diaphragme froid dans le détecteur. Ce détecteur est sensible entre 7, 8 à 12 µm.

Ce détecteur a les caractéristiques suivantes :

• Surface sensible 50 × 60 µm

• Température de fonctionnement 77 K

• D∗de 2 à 4 × 1010cm.Hz−1/2.W−1

4.4. Conception Optique 109

• Seuil de destruction 20mW

• Le détecteur est au foyer d’une lentille de 6, 5mm de focale

• Le diamètre du diaphragme froid est de 2mm il est placé sur la lentille froide

• Le hublot du cryostat se trouve 5 cm en avant du détecteur.

Par contre pour les mesures avec le corps noir ce type de détecteur s’avère insuffisant lorsque les extinctions sont proches des performances maximales du bancs. Nous disposons pour cela d’une ancienne caméra développé par le CEA : CAMIRAS (Galdemard et al. (1998)). C’est une cible en Si : Ga fonctionnant à 4K, sensible entre 6 et 27 µm. Ses caractéristiques de détection sont les suivantes :

• Matrice : 192x128 pixels

• Pixels : 75µm × 75µm

• Photo-électrons d’obscurités (à 4K) : 6 × 105_e−_.px−1_.s−1

• Bruit de lecture : 1300 e−_.px−1

• Taille des puits : 2 × 107_e−_{ils ne doivent pas être pleins à plus que 2/3}

• L’efficacité quantique moyenne du détecteur (voir figure 4.14, page 93 (b)) est de 0.3 pour la bande 6 − 11 µm et de 0.35 pour la bande 11 − 20 µm

• L’optique de la caméra est ouverte à f/35

• Bruit de lecture : Blecture = 1300√nlecturese−

4.4.5 Métrologie de la différence de marche

Nous l’avons vu, les fluctuations de la différence de marche sont un des facteurs limitants importants d’un interféromètre annulant, à la fois en terme d’extinction et de stabilité. Il est possible de réduire l’influence de ce phénomène en utilisant un contrôle actif. Pour cela il faut disposer d’une métrologie qui permet de mesurer le chemin optique. Nous souhaitons implé- menter deux types de dispositifs métrologiques. Le premier est une métrologie basée sur un système commercial de chez Agilent que nous devons adapter. Le second est basé sur la mo- dulation de la différence de marche du faisceau scientifique.

4.4.5.1 Métrologie Agilent

Cette métrologie a été développée par la société Agilent pour réaliser des asservissements de machines de très haute précision. Elle est constituée d’un laser Hélium Néon visible stabilisé en fréquence et modulé en polarisation (à haute fréquence > 20 MHz), d’un interféromètre, d’un détecteur et d’une électronique de traitement. Les intérêts de ce dispositif sont sa grande cadence de mesure (∼20 MHz), sa grande précision (jusqu’à 0, 15nm de résolution) et bien sûr le fait de ne pas avoir à le développer.

Pour pouvoir utiliser cette métrologie, il faut pouvoir modifier l’interféromètre Agilent de fa- çon à pouvoir l’imbriquer avec notre interféromètre annulant. La plus importante modification à apporter consiste à changer le type d’interféromètre employé. Les interféromètres Agilent commerciaux sont tous des Michelson. Notre montage est un interféromètre de Mach-Zehnder. J’ai conduit une étude expérimentale et théorique de cette adaptation qui a donné les conclu- sions suivantes :

FIG. 4.29: Photo du montage expérimental qui a permis de tester un interféromètre Agilent en mode

Mach-Zehnder.

Puissance du laser 400 µW

Flux nécessaire sur le détecteur > 0, 8 µW (transmission du système : t > 0, 2%) Coefficient de réflexion pour un

miroir doré Ro = 93%

Coefficients de

réflexion/transmission pour une lame en ZnSe

Rz = 17% Tz = 60%

Coefficient de transmission pour une

lame dichroïque traité ITO Tt= 80%

Transmission d’un hublot en verre Tv = 90%

TAB. 4.4: Données de base pour effectuer les calculs de photométrie sur la métrologie Agilent

• La résolution de la mesure obtenue est de 0,6 nm

• Le passage au mode Mach-Zehnder fonctionne à condition de séparer les deux polarisations émises par le laser.

• Pour obtenir ce fonctionnement il faut que les deux faisceaux recombinés soient parallèles à une précision interférométrique (Pour cela il suffit d’utiliser deux polariseurs à 45˚ en entrée et en sortie de l’interféromètre de façon à mélanger les états de polarisation du laser pour pouvoir observer les interférences entre les deux faisceaux)

• Pour réellement mesurer la différence de marche de l’interféromètre, il faut que la source soit rigidement liée à la table de l’interféromètre. En particulier la source ne doit pas être en dehors d’une table optique isolée mécaniquement (comme cela était le cas sur le banc SYNAPSE). Dans le cas contraire une partie des mouvements mesurés par le système est due aux mouvements relatifs entre la source et l’interféromètre.

Pour pouvoir utiliser la métrologie Agilent, il faut aussi que le détecteur reçoive suffisamment de flux. Cela donne des contraintes sur schéma optique de l’interféromètre. En effet au moins un des déphaseurs achromatiques n’est pas transparent dans le visible. Il faut donc pouvoir dans ce cas là, passer au dessus du déphaseur (comme sur la figure 4.19, page 99). Le tableau 4.4 résume les conditions photométriques nécessaires au bon fonctionnement du système Agilent. Le faisceau Agilent devra passer dans le montage d’au moins 2 façons différentes (voir schéma 4.30) :

4.4. Conception Optique 111

(a) (b)

FIG. 4.30: Schéma des diverses configurations de passage du faisceau Agilent dans l’interféromètre

Déphaseur Solution (a) solution (b)

APS DP t = T2 vTz4RzR4o = 1, 3% - APS FC t = T2 vTz4RzR4o = 1, 3% t = Tt2Tz4RzR6o = 0, 9% APS FR t = T2 vTz4RzR4o = 1, 3% t = Tt2Tz6R8o = 1, 7%

TAB. 4.5: Tableau des transmissions vues par le faisceau métrologique Agilent.

cas du déphaseur à lames dispersives.

Solution (b) : En passant par un chemin parallèle au faisceau scientifique, mais en passant

dans le déphaseur, pour le déphaseur à retournement de champ électrique. L’intérêt dans ce cas est de pouvoir ajouter des traitements réfléchissants sur une partie des optiques qui n’est pas vue par le faisceau scientifique.

Dans le cas de la solution (b) le faisceau métrologique est proche du faisceau scientifique. Il doit en être séparé au moyen d’une lame dichroïque. Il existe une solution classique pour effectuer cette séparation le traitement ITO (Indium Tin Oxyde). On obtient environ 80 % de transmission dans le visible et 80 % de réflexion dans l’infrarouge.

Dans tous les cas le laser métrologique et le détecteur seront utilisés à température ambiante. Il faut donc tenir compte des pertes introduites par les hublots de la cuve pour calculer le flux reçu par le détecteur. Ces hublots seront en ZnSe pour la voie scientifique.

Dans le cas de la solution (a), il est possible d’utiliser des hublots dans un verre introduisant moins de perte pour un faisceau visible (NBK7 par exemple).

Les transmissions des différentes solutions sont indiquées dans le tableau 4.5. La solution (a) est applicable à tous les déphaseurs, mais pour des raisons géométriques elle ne sera pas appliqué dans tous les cas (cela nécessiterait des optiques de trop grande dimension).

4.4.5.2 Métrologie par modulation

Nous l’avons vu ce type de métrologie quoique lent, est extrêmement attractif pour stabiliser l’interféromètre à long terme et aussi pour localiser le point de fonctionnement de l’instru- ment (en fonction de la différence de marche). La mise en œuvre de cette méthode apporte des contraintes sur le banc :

Lorsque la source est le corps noir, Le détecteur employé pour faire les mesures à forte ex- tinction sera la caméra CAMIRAS. Ce détecteur ne permettra probablement pas de faire des mesures à une cadence suffisante pour effectuer la mesure de la phase (le système électronique d’acquisition est obsolète et peu de gens ont encore les compétences pour le modifier).

Lors de l’utilisation du laser CO2 par contre il sera possible de se passer de CAMIRAS, et

d’utiliser un détecteur monopixel dont l’utilisation est nettement plus simple.

On peut tout à fait imaginer d’utiliser les deux sources lumineuses en même temps : Le corps noir étant utilisé pour faire la mesure de l’extinction et le laser CO2pour la métrologie. Il faut

trouver un moyen de séparer les deux faisceaux. En effet le laser CO2 éblouirait CAMIRAS.

Deux méthodes peuvent être employées pour effectuer cette séparation :

• On peut employer une lame dichroïque pour séparer d’un coté le laser à 10, 6 µm et de l’autre le continuum émis par le corps noir. La difficulté de cette solution est de trouver un filtre qui ait une extinction du laser CO2 suffisante pour ne pas éblouir la caméra. Il faudrait un filtre

présentant une extinction de 10−4_/10−5_{de la raie laser pour ne pas éblouir la caméra.}

• On peut aussi utiliser un multiplexage temporel et utiliser un chopper pour séparer les deux voies.

Dans un premier temps la métrologie par modulation sera utilisée de façon directe, car les mesures seront effectuées grâce au seul détecteur monopixel.