2.3.1 Modulateur spatial de lumière
Le cœur de notre montage expérimental est sans nul doute notre SLM, qui permet de«moduler»la lumière en réflexion en modifiant la phase du laser incident en affichant des hologrammes de phases. En effet, celui-ci comporte une grille (ou matrice) de nano-cristaux liquides, pouvant être assimilés à des miroirs montés sur des pistons dont la différence de longueur entraîne en réflexion un déphasage inégal de la lumière dans l’espace.
Après la réflexion, le laser déphasé va«interférer avec lui-même», engendrant ainsi un nouveau front d’onde et une nouvelle figure de diffraction.
Les hologrammes affichés sur le SLM sont représentés par des images en valeurs de gris allant de 0 à 255 (donc du noir au blanc), chacune étant ensuite traduite par le boîtier CTRL SLM en un phase allant de 0 à 2π.
Le SLM peut également fonctionner comme un simple miroir si l’hologramme qui y est affiché est représenté par une image totalement noire ; dans ce cas, on pourra indistinctement parler d’hologramme par défaut ou d’absence d’hologramme — mais pas d’absence de diffraction.
Diverses applications sont possibles, comme par exemple la création en usine un front de laser sortant pouvant découper des objets d’une manière bien déterminée (à l’instar de la société CAILabs) ou encore les pincettes optiques (optical tweezers) permettant de créer un front sortant qui piège des microparticules telles que des cellules afin de les déplacer de la manière souhaitée.
2.3.2 Analyseur de front d’onde
S’il existe plusieurs types d’analyseur de front d’onde, celui qui a été intégré à notre montage expérimental est l’analyseur dit«Shack Hartmann». Il est formé d’une matrice de microlentilles qui vont chacune focaliser une partie du faisceau en un point sur un capteur CCD dans le plan focal des microlentilles. La position de chacun de ces points par rapport à un emplacement correspondant à un front d’onde plat permet de visualiser la déformation du front d’onde mesuré, comme l’illustre la figure2.3. Le front peut ensuite être modélisé à partir de cette position par le biais d’un logiciel dédié, les groupes de pixels du CCD étant alors attribués à chaque microlentille. L’usage de ce type d’analyseur est très utile pour estimer l’aplatissement du front d’onde et pour observer ses déformations lorsque l’on applique un hologramme sur le SLM.
CHAPITRE 2. SUJET DU STAGE
Fin
Début B
IFFT FFT
Boucle
Initialisation B
Initialisation A
Sortie Oui
Début A
Non
FIGURE2.2 – Organigramme de programmation de l’initialisation et de la boucle de l’algorithme de Gerchberg-Saxton. Celui-ci peut être initialisé en A au plan «in» (partie bleue) pour commencer sa boucle par une transformation de Fourier directe, ou bien en B au plan«out»(partie ocre) pour commencer sa boucle par une transformation de Fourier inverse.
CCD
Microlentilles
Front d’onde Mesure
(a) Front d’onde plat et points de référence.
Point d´eplac´e
Point manquant
(b) Exemple de front d’onde déformé.
FIGURE2.3 – Schéma du fonctionnement d’un Shack-Hartmann dans le cas d’un front d’onde plat et d’un front déformé, avec une illustration de la mesure enregistrée par le logiciel.
Chapitre 3
Travail réalisé
Les expériences réalisées au cours de ces deux mois de stage ont autant porté sur l’application des notions théoriques en optique de Fourier que sur la compréhension des phénomènes physiques associés par leur observation, grâce au SLM et à l’analyseur de front d’onde. À ce titre, ces instruments sont caractéristiques du travail réalisé. Nous allons donc porter notre attention sur le montage expérimental mis en place et ses contraintes vis-à-vis du fonctionnement de nos instruments, puis sur des résultats préliminaires pavant la voie vers les deux aspects parallèles et complémentaires du stage : la génération algorithmique d’hologrammes de diffraction et la correction des aberrations de la forme du front d’onde d’un laser. Chacun de ces deux aspects sera suivi d’une discussion sur les résultats obtenus.
3.1 Montage expérimental
Diode laser
P´eriscope Biprisme L1
L2 Filtre F1
F2 CCD
LF1
SLM
Fibre optique
Coupleur C1
C2
PC Ecran 1´
Diviseur DVI
CTRL SLM
Ecran 2´
Shack-Hartmann
2
LSH
Puissance-m`etre
LT2 LT1
LF2 Flip-mirror
FIGURE3.1 – Montage expérimental réalisé. Pointillés ocres : câble Ethernet. Lignes bleues : câbles DVI. Tirets ocres : câble USB 2.0. Pointillés et tirets noirs : câbles propriétaires pour le SLM. Le cas échéant, les flèches indiquent le sens de l’axe optique.
Au laser, au SLM et au Shack-Hartmann s’adjoignent plusieurs autres éléments optiques nécessaires à la bonne utilisation de l’algorithme et permettant une optimisation maximale du laser utilisé en amont du SLM.
Néanmoins, leur montage est assujetti à plusieurs contraintes [6], notamment d’espace et de surface.
3.1. MONTAGE EXPÉRIMENTAL
3.1.1 Éléments optiques
Diode laser Générant par des semi-conducteurs un faisceau laser à la fois gaussien et ellispoïdal, et de longueur d’ondeλ=830,0 nm (dans le proche infrarouge), elle doit être suivie par unbiprismepour obtenir au passage de ses différents dioptres un faisceau circulaire et gaussien.
Du fait de contraintes d’espace et de la nécessité de définitivement fixer la direction de l’axe optique à la sortie de la diode, lepériscopequi la sépare du biprisme, manuellement monté à l’aide de miroirs et de pieds, permet de ramener le faisceau à la hauteur des faces de ce dernier, en lieu et place d’un système plus commun de deux miroirs disposés à 45° par rapport à l’axe optique.
Fibre optique Elle permet, en y faisant pénétrer le faisceau, d’avoir toute latence pour le diriger (et contourner lesdites contraintes), mais surtout de«purifier»le signal obtenu en sortie, c’est-à-dire obtenir unlaser monomode dont la cohérence temporelle sera suffisante pour négliger la dépendance du champ électromagnétique vis-à-vis du temps.
Elle nécessite l’usage de deux miroirs à 45° ainsi que de deuxcoupleurs de fibreen entrée (C1) et en sortie (C2), chacun équipé d’une lentille convergente destinée à focaliser le faisceau aux extrémités de la fibre, et d’une autre lentille convergente L1 de distance focalefL1=100,0 mm. L’ensemble permet de minimiser les pertes en puissance à sa sortie.
SLM Pierre angulaire du montage, il permet comme énoncé d’afficher un hologramme provoquant la diffraction du faisceau lors de sa réflexion sur sa surface active. Le nôtre est un Hamamatsu WFS150-5C dont la surface mesure 16×12 mm, soit 792×600 px. Sa résolution est de 20×20 µm/px ou de 49,5×50,0 px/mm. Sa fréquence de rafraîchissement est de 60 Hz.
Il est toutefois nécessaire de modifier la polarisation la lumière du laser à l’aide de lalame λ2 afin de rendre la plus efficiente possible la diffraction et de pouvoir conserver une polarisation identique en tout point du montage, afin de pouvoir considérer le champ comme scalaire. De plus, puisqu’en sortie de C2 le faisceau est divergeant, le placement de la lentille convergente L2 (fL2=125,0 mm) s’impose pour le collimater, suivi d’un filtre(F1) pour éviter une saturation du signal au niveau du capteur CCD ou du Shack-Hartmann. Entre les deux s’intercale unflip-mirrorpouvant si nécessaire renvoyer le faisceau vers un puissance-mètre ou une photo-diode.
Ces derniers permettent de mesurer la puissance de laser en sortie de la fibre.
Le SLM est incliné par rapport à l’axe optique d’un angle inférieur à 10° afin de minimiser les pertes en puissance, mais aussi pour des contraintes d’espace. Le laser y est dirigé à l’aide d’un deuxième diptyque de miroirs à 45°, puis redirigé à l’aide d’un troisième diptyque vers un cube séparateurnon polarisant (dit
«NPBS») permettant l’usage parallèle d’une caméra CCD et du Shack-Hartmann. De plus, il est relié par des câbles propriétaires à un boîtier de contrôle de modèle Hamamatsu LCOS CTRL X104468 Series, que nous dénommerons«CTRL SLM».
Télescope inversé Dernier élément installé, et situé en amont du SLM, il est constitué d’une lentille divergente LT1 (fLT1=30,0 mm) et d’une convergente LT2 (fLT2=200,0 mm) dont les foyers objets sont confondus afin de pouvoir agrandir le faisceau d’un facteur de grandissementG=6,66. Ceci permet de couvrir l’ensemble de la surface du SLM, ce qui aura une influence sur la qualité des figures de diffraction obtenues et du front d’onde mesuré.
CCD Dénomme le type du capteur de la caméra servant à visualiser l’intensitéIcoutdu faisceau après réflexion sur le SLM, associée à l’amplitude Aoutc . Les hologrammes de ce dernier sont plus efficients et plus aisés à calculer si l’on se trouve dans le cas d’une diffraction en champ lointain, permise par l’usage de la lentille LF1 (fLF1=250,0 mm) ; la caméra se trouve ainsi dans le plan de Fourier de cette lentille.
Le modèle utilisé est une JAI CM-030 GE, de taille 4,9×3,7 mm soit 656×494 px pour une résolution de 7,4×7,4 µm/px ou de 135 px/µm, avec une fréquence de rafraîchissement maximale de 60 Hz. Le capteur est sensible au proche infrarouge et à la lumière visible mais la caméra filme en noir et blanc. Elle est équipée d’un cache et d’un filtre (F2) permettant d’obstruer la lumière visible autant que faire se peut.
Shack-Hartmann Il s’agit de l’analyseur de front d’onde, un modèle ThorLabs WFS150-5C, d’une taille de 800×600 px pour une résolution de 20×20 µm/px ou de 50,0 px/mm, et équipé d’une grille de 37 par 29 micro-lentilles. Il est également équipé d’une lentille LSH dont l’usage se limite à celui d’adaptateur pour un cache qui obstrue la lumière visible. L’ensemble permet de mesurer la déformation du front d’onde du faisceauWcout, associée à la phaseφcoutdu champ au plan du Shack-Hartmann. Son orientation est modifiable à l’aide de vis de réglage micrométriques. Une lentille convergente LF2 (fLF2=125,0 mm) peut être éventuellement placé de façon à ce que le Shack-Hartmann soit dans son plan focal, afin de retrouver la même configuration que pour la
3.1. MONTAGE EXPÉRIMENTAL
caméra CCD. Enfin, toutes les microlentilles sont de focale effective fML=3,2 mm, bien que cela soit sans grande importance.
Notons que l’intensité reçue par le Shack-Hartmann sur son capteur n’est pas répartie de la même façon que sur le plan de caméra CCD, du fait des microlentilles et de la lentille LSH, qui rendent l’analyseur inadapté à la mesure de l’intensité après réflexion sur le SLM.
PC Permettant de contrôler le SLM et de visualiser les données fournies par la caméra et le Shack-Hartmann, il est relié en DVI à l’écran 1, et à un diviseur DVI qui duplique l’affichage envoyé par la seconde sortie DVI du PC vers les deux éléments y étant branchés : l’écran 2 (résolution : 800×600 px, fréquence de rafraîchissement : 60,0 Hz) et le CTRL SLM. Le PC est également relié par un câble Ethernet au CCD, et par un câble USB 2.0 au Shack-Hartmann.
L’écran 1 (fréquence de rafraîchissement : 60,0 Hz) permet d’afficher l’interface de l’ordinateur, et notamment les logiciels associés au CCD, à l’algorithme et au Shack-Hartmann. L’écran 2 (résolution : 800×600 px, fréquence de rafraîchissement : 60,0 Hz) permet d’afficher l’hologramme voulu tout en le transmettant au CTRL SLM, reconnu par le PC comme un écran.
3.1.2 Mise en place du montage
L’ensemble de éléments a nécessité une installation minutieuse sur trois semaines, car, à l’inverse des travaux pratiques en optique réalisés jusqu’ici, les éléments de notre montage possèdent quatre degrés de liberté en termes de placement : trois relatifs à la position dans l’espace et un relatif à l’orientation par rapport à l’axe optique. Aligner ces éléments de façon à ce que le faisceau soit entièrement contenu dans leurs surfaces et centré autant que faire se peut avec les axes optiques propres à chaque lentille, qui plus est lorsque le chemin optique est invisible à l’œil nu, a pris un temps considérable.
D’autre part, la surface disponible pour le montage de ces éléments étant réduite, nous avons fait le choix d’un chemin optique qui intersecte avec lui-même (sans interaction) entre le filtre F1 et le cube séparateur. Cette même contrainte a pesé dans le choix du placement du SLM au sein du montage car il existe deux façons de l’y intégrer. La première, comme énoncé précédemment, est de l’incliner au maximum de 10° par rapport au chemin optique incident, et d’utiliser des miroirs et éléments optiques de taille réduite à proximité du faisceau réfléchi pour ne pas l’obstruer — qui plus est si celui-ci est agrandi par le télescope inversé. L’autre possibilité consiste à l’incliner de 45° par rapport au chemin optique, en conjonction de l’usage de plusieurs lentilles et miroirs destinés à minimiser les artefacts de diffraction induits par un tel angle. Cette dernière possibilité nécessitant un nombre accru d’éléments optiques, qui plus est assujettis à des contraintes géométriques incompatibles avec la surface disponible pour les placer [6], la faible inclinaison a prévalue.
Enfin, les surfaces réfléchissantes des miroirs, du cube séparateur et du SLM étant sujettes à des déformations en cas de changement de température, celle-ci a été fixée à 19◦C.
3.1.3 Couplage de la fibre optique
Une des parties les plus ardues du montage est le couplage de sa fibre optique. Afin d’obtenir un laser monomode, on peut faire passer le laser d’origine au sein de la fibre. La méthode la plus classique fait usage des vis de réglage fin du système de deux miroirs précédant le coupleur C1, associé à un puissance-mètre ou à une photo-diode en sortie de la fibre permettant de quantifier en permanence l’effet du réglage. Une autre méthode utilisée a été le couplage de fibre par laser contre-convergeant, qui consiste, à l’aide d’un branchement spécifique à fixer à l’extrémité de sortie de la fibre un deuxième laser, qui prend ainsi la direction opposée au premier en par la sortie de la fibre. Ensuite, il ne reste plus qu’à aligner les deux lasers grâce à la propriété du retour inverse de la lumière. Cette méthode, d’une grande précision, est économe en temps mais nécessite néanmoins d’être en possession de deux lasers, l’un devant pouvoir directement se brancher à la fibre. Malgré tout, le couplage a dû être régulièrement réitéré du fait du déréglage des vis ; la première tentative a nécessité quatre jours, les dernières ne nécessitant pas plus d’une heure en fin de stage.
En termes de puissance optique, le premier couplage fut désastreux : la méthode classique n’ayant permis qu’une transmission maximale de 1,5 µW sur les 30,0 mW du laser circulaire en entrée du coupleur C1, nous nous sommes tournés vers la seconde, et avons atteint approximativement 5,5 mW en sortie de la fibre, ce qui ne correspond tout de même qu’à une transmission d’approximativement 18,3 % du faisceau incident. Cette dernière proportion, qui aura été celle de référence à chaque couplage ultérieur, est relative à la puissance du faisceau incident au niveau du coupleur C1, qui est à la fois circulaire et gaussien.
Dans notre cas, ce faible rendement n’a pas posé de problèmes majeurs du fait, même dans de telles conditions, d’une saturation en intensité du capteur CCD et en puissance de l’analyseur de front d’onde — d’où l’usage des filtres F1 et F2.