Le dispositif expérimental du polarimètre, décrit sur la figure IV.5, est constitué d’une source laser couplée à un système de mise en forme du faisceau, d’un bras fixe avant l’échantillon qui représente le système de codage en polarisation et d’un bras, mobile en rotation autour du porte échantillon, comprenant le système d’analyse en polarisation.
L’intérêt de ce polarimètre est d’être monté sur un goniomètre afin de pouvoir travailler aussi bien en transmission qu’en rétrodiffusion. Cette dernière configuration est particulièrement intéressante lors d’études sur des milieux fortement diffusants comme les tissus biologiques. Nous allons maintenant détailler les divers étages du dispositif expérimental.
III.1 − La source
Deux sources différentes ont été utilisées durant nos travaux. La première est une diode laser IQ1C140 distribué par Power Technology Inc. ayant une puissance d’émission de 140mW à 808 nm. La seconde est une diode laser L808P200 de chez Thorlabs Inc. Sa puissance d’émission maximale est de 200 mW à 808 nm. Cette diode laser est équipée d’un contrôleur de puissance permettant de faire varier la puissance d’émission en sortie de la diode. Elle est également dotée d’un contrôleur de température permettant de stabiliser la longueur d’onde ainsi que de réduire le bruit à la détection.
III.2 − Mise en forme du faisceau
Les fluctuations temporelles d’une source laser peuvent introduire des erreurs sur la mesure, en particulier si le temps de mesure est suffisamment long. Afin de corriger ces fluctuations, nous utilisons une voie de référence (grâce à un cube séparateur 98% - 2% qui divise le faisceau en deux). Cette correction a surtout été utilisée lors de mesures réalisées avec la première diode laser.
Le système de mise en forme est également constitué d’un polariseur Pe et d’une lame demi onde Le. Le polariseur Pe permet d’éliminer en grande partie l’émission spontanée du laser et de ne garder que l’émission stimulée. La lame demi-onde Le, placée devant le système de génération d’états de polarisation, permet de procéder au réglage de l’intensité incidente.
III.3 − Génération et analyse des états de polarisation
Comme nous l’avons vu précédemment, le polarimètre est constitué d’un système de mise en forme polarimétrique sur le bras fixe et d’un système d’analyse sur le bras mobile du goniomètre. Ces deux systèmes sont chacun constitués d’un polariseur fixe et d’une lame quart d’onde tournante. Il existe bien sûr d’autres techniques de génération ou de mesure d’états de polarisation [4.22] : modulateurs photo-élastiques [4.23], électro-optiques ou à effet Pockels [4.24]. De nombreux polarimètres utilisent aujourd’hui des retardeurs variables à cristaux liquides [4.25] [4.26]. S’ils ont l’avantage d’être très rapides, leur relative instabilité, due aux inhomogénéités de leur structure, n’offre pas une précision comparable aux lames biréfringentes que nous utilisons. Ces lames quart d’onde, associées à des polariseurs, ont été
III.3.1 − Polariseurs
Jusqu’à présent, au laboratoire [3.4] [4.1], les polariseurs utilisés dans le polarimètre étaient des polariseurs de Glan-Foucault. Ce sont des prismes à séparation d’air qui peuvent être utilisés à de fortes puissances. S’ils sont très utiles en polarimétrie ponctuelle, notamment grâce à un facteur de contraste de 1/106 pour les plus performants, ils ont toutefois quelques défauts qui ne peuvent être corrigés en imagerie.
Les polariseurs de ce type sont des polariseurs par séparation de faisceaux : ils divisent tout faisceau incident en deux faisceaux de polarisations différentes. Par sécurité, le faisceau non transmis doit être capturé par un matériau absorbant ou tout du moins diffusant. Ceci peut entraîner des réflexions parasites dans les éléments et donc des erreurs de mesures.
Pour pouvoir capturer des images de bonne taille, il faut que la dimension de tous les éléments du montage soit suffisamment grande. Les polariseurs de Glan-Foucault que nous utilisions avaient la dimension d’un cube d’arrête
O
= 1cm et ils limitaient, du coup, la taille maximum possible du faisceau.Du fait de leur géométrie interne, les polariseurs de Glan-Foucault ont des angles d’acceptance assez faibles (± 4° en général) et il peut y avoir des réflexions multiples au niveau de la lame d’air. Cela peut être préjudiciable si tous les rayons du faisceau lumineux d’entrée ne sont pas parfaitement parallèles. Nous verrons plus tard l’importance de ce critère.
Afin d’améliorer le montage en vue de faire de l’imagerie polarimétrique, il nous fallait donc des polariseurs fins, de dimension suffisante, ayant un bon facteur de contraste, un angle d’acceptance élevé et pouvant supporter de fortes puissances.
Notre choix s’est porté sur des polariseurs en verre dichroïque (VISIR CW02) de la gamme colorPol de chez Codixx. La technologie utilisée consiste à créer une couche de nano particules d’argent uniformément orientée à la surface d’un verre calcosodique. Grâce aux particules allongées d’argent, l’absorption de la lumière préalablement polarisée a lieu et la lumière non polarisée devient linéairement polarisée en passant à travers ce verre traité. L’absorption est sélective en fonction de la longueur d’onde de la lumière.
Pour résumer les améliorations apportées par les nouveaux polariseurs, nous faisons dans le tableau IV.2 un bilan comparatif des différentes caractéristiques techniques des polariseurs de Glan-Foucault utilisés précédemment et des nouveaux polariseurs en verre dichroïque.
Caractéristiques Polariseur de Glan-Foucault Polariseur en verre dichroïque
Taux de contraste § 1 000 000 : 1 § 100 000 000 : 1
Transmittance § 50% § 40%
Epaisseur (mm) § 10 § 2
Ouverture (mm) § 10 x 10 Ø 20,8
Angle d’acceptance (°) ± 4 ± 20
Tableau IV.2 : Comparatif des caractéristiques techniques d’un polariseur Glan-Foucault et d’un polariseur en verre dichroïque.
Les caractéristiques techniques des deux nouveaux polariseurs font que notre montage est maintenant équipé de polariseurs efficaces pour les applications en imagerie. Cependant, il faut ajouter au polarimètre d’autres importantes modifications.
III.3.2 − Lames quart d’onde
Il n’existe pas de lames dont les propriétés optiques (retard, orientation et ellipticité des lignes neutres) sont parfaites et uniques quelle que soit la longueur d’onde. Toutefois, il est possible d’obtenir des lames quart d’onde quasi achromatiques sur une plage de longueur d’onde souhaitée en utilisant des lames en quartz-MgF2 d’ordre zéro. Bien que l’on utilise le polarimètre qu’à la seule longueur d’onde de 808 nm, nous avons opté, en cas de futures études en longueur d’onde, pour des lames achromatiques sur le domaine 700–1000 nm. Ces lames sont obtenues en associant une lame de quartz avec une lame de fluorure de magnésium, par contact optique et en croisant leurs axes optiques [4.28]. Néanmoins, comme l’a montré B. Boulbry durant sa thèse au laboratoire, ces lames ne dérogent pas à la règle : leur retard n’est pas réellement égal à 90° et les états propres ne sont pas linéaires. Ces défauts proviennent d’un mauvais alignement interne des cristaux les constituant [4.4] [4.29].
Il est possible de compenser les défauts d’alignement intrinsèques inhérents aux lames utilisées en réalisant un étalonnage complet des lames en quartz-MgF2 d’ordre zéro quasi achromatiques. Nous verrons cette étape par la suite.
Les deux lames de phase sont entraînées en rotation par des moteurs pas à pas, précis au millième de degrés près, et commandés via un port GPIB par un programme réalisé sous LabviewTM.
III.4 − Détection et acquisition des données
La détection sur la voie de sortie se fait à l’aide d’une caméra CCD Mintron de 795x596 pixels. Selon le type de mesures (ponctuelles ou en imagerie), nous utilisons la caméra seule ou associée à un objectif Nikon de 28 mm. Un système d’acquisition et de traitement IMAQ Vision pour LabviewTM permet d’obtenir l’intensité codée sur 1024 niveaux de gris (image 10 bits).
La caméra, seule, est utilisée en tant que photodiode. Pour celà, une zone d’intérêt est sélectionnée et nous calculons la moyenne des intensités mesurées sur chaque pixel de la zone. Cette moyenne est donc, au niveau de bruit près, l’équivalent d’une mesure réalisée par une photodiode. Dans cette configuration, nous obtenons une unique matrice de Mueller pour le système étudié.
Utilisée avec l’objectif, la caméra permet d’imager une zone d’intérêt sur l’échantillon. Dans cette configuration, chaque pixel de la zone mesurée est caractérisé par une matrice de Mueller. L’objectif permet d’améliorer la définition spatiale de l’image : nous définissons alors la résolution du système, c'est-à-dire la dimension réelle de l’objet définie sur un pixel.