4.4 Conception Optique
4.4.3 Interféromètre
4.4.3.1 Schéma
Le schéma retenu pour l’interféromètre est celui d’un Mach-Zehnder. En fait deux versions de l’interféromètre seront implémentées. Une version simple, applicable aux déphaseurs à lames dispersives et au déphaseur à passage par le foyer. Le déphaseur à retournement de champ électrique lui, nous l’avons vu, nécessite un montage symétrique.
FIG. 4.22: Schéma optique des deux versions de l’interféromètre. Dans la version symétrique, les miroirs
sont remplacés par des miroir en ZnSe, non traités.
(a) (b)
FIG. 4.23: (a) schéma de principe des séparatrices/recombinatrice pour le banc NULLTIMATE. (b)
Schéma représentant la distribution spatiale des différentes réflexions parasites des sépara- trice. Il est à noter qu’aucun faisceau parasite n’est parallèle ou colinéaire avec les faisceaux principaux.
Les interféromètres sont repliés par les lignes à retard. Cela permet d’économiser des surfaces optiques.
La symétrisation de l’interféromètre a été faite à l’économie de surface. Par conséquent cette version du banc a une transmission bien moins bonne que la version simple. Dans la version symétrique, les miroirs MI1 et MI2 du schéma 4.19 sont remplacés par des lames en ZnSe. Dans chaque bras sont ajoutés des séparatrices vues en transmission de façon à équilibrer le nombre de réflexions et de transmissions dans chaque bras. L’impératif est d’obtenir cet équi- libre avant le déphaseur, puis après le déphaseur.
4.4. Conception Optique 103
4.4.3.2 Séparatrices / Recombinatrices
Nous avons vu au paragraphe 4.1.2.2 quelles sont les contraintes sur le dispositif optique de séparation. Nous avons choisi des séparatrices à doubles lames biseautées. En effet elles pré- sentent dans notre montage un certain nombre d’avantages :
• Rejet des faisceaux parasites, voir figure 4.23,
• Faisceaux non dispersé angulairement pour les déphaseurs achromatiques (Ils sont par contre dispersés latéralement),
• Existence d’un moyen simple d’ajuster l’épaisseur relative séparatrice/recombinatrice (il suf- fit de translater l’une des deux lames),
• Possibilité de les utiliser comme déphaseur achromatique médiocre pendant la phase de test de l’interféromètre.
Le matériau retenu pour les séparatrices est le ZnSe. En effet ce matériau est le seul maté- riau parmi ceux étudiés pour les lames dispersives qui soit transparent dans le visible et dont l’usinage est bien maîtrisé. Le KRS5 aurait été un meilleur matériau au point de vue de la trans- mission dans la bande 11 − 18 µm mais les propriétés mécaniques et thermiques de ce matériau nous ont fait préférer le ZnSe comme matériau pour l’interféromètre de test.
Grâce à la possibilité d’ajustement de l’épaisseur relative séparatrice/recombinatrice, les tolé- rances d’alignement de ce dispositif sont assez larges :
• La tolérance d’alignement imposée par les défauts de chromatismes est de un degré (par rapport au faisceau)
• La tolérance d’alignement imposée par les défauts de polarisation domine. Elle est de ±30 secondes d’arc (par rapport au faisceau)
La monture retenue pour ce dispositif est montrée figure 4.24, page suivante. La monture doit assurer plusieurs fonctions. Elle doit tout d’abord assurer le maintien en direction des deux lames de la séparatrice lors du refroidissement de l’interféromètre. Pour cela il faut utiliser une monture isostatique, qui permet au système des dilatations différentielles entre les différents matériaux. La deuxième fonction à assurer est la thermalisation de la lame de ZnSe. Il a été choisi de dissocier cette fonction de la précédente pour simplifier la conception mécanique. La solution retenue consiste à percer la lame de ZnSe dans une partie loin du faisceau et de fixer grâce à une vis une tresse de thermalisation. La pression de la vis a été calibrée de façon à ne pas déformer la lame en ZnSe et à permettre une thermalisation dans des délais raisonnables (voir annexe B). Les déformations introduites sur la lame dans la partie utile sont inférieures à λvis/20(voir annexe B).
Des lames semi-réfléchissantes sont souvent traitées de façon à obtenir des coefficients de ré- flexion et de transmission le plus proche possible de 50%. L’indice du matériau choisi est de nznse ≃ 2, 4, ce qui est élevé. Cela donne des coefficients de réflexion moyen de 17% dans l’in-
frarouge et une transmission de 83 % en moyenne dans la même bande. Il est certainement possible de trouver un traitement améliorant la situation, mais cela serait au prix d’un risque supplémentaire sur la qualité de l’extinction. En effet tout traitement a des effets sur la polarisa- tion et la phase, variables avec la longueur d’onde. Ces effets sont compensés par la symétrie du banc, mais il faut cependant que les traitements des séparatrices et des recombinatrices soient
FIG. 4.24: Schéma illustrant les principes retenus pour la monture des lames en ZnSe constituant les
dispositifs séparateur et recombinateur. Les fonctions de maintien en position et de therma- lisation sont découplées. La fonction de maintien en position est assurée par une monture isostatique permettant de supporter les dilatations différentielles importantes entre les sépa- ratrices et le métal de la monture au moment du passage à basse température. La fonction thermalisation est assurée par une vis traversant la lame de ZnSe.
4.4. Conception Optique 105
FIG. 4.25: Schéma illustrant la façon dont les miroirs en Zerodur doivent être montés.
les plus identiques possibles (des différences d’épaisseur moyenne de couche de l’ordre du na- nomètre au plus). Nous avons choisi de ne pas faire déposer de traitement semi-réfléchissant de façon à minimiser le coût des séparatrices (un traitement non standard est cher, d’autant plus quand celui-ci doit fonctionner à basse température) et les risques pour l’extinction.
4.4.3.3 Miroirs (hors déphaseurs et lignes à retard)
Les miroirs de l’interféromètre seront de deux types :
• Soit des miroirs en ZnSe pour sa version symétrique. Dans ce cas ils seront montés sur le banc de la même façon que les lames séparatrices.
• Soit des miroirs en Zerodur. Dans ce cas leur monture est montrée sur la figure 4.25. Le principe est toujours de séparer les fonctions de thermalisation et de maintien de la direction. Pour faciliter la thermalisation les miroirs doivent être adhérés sur une base elle aussi en Zerodur. Les tresses de thermalisation seront fixées à cette base. Les déformations causées par les efforts introduits par les tresses de thermalisation seront donc négligeables au niveau de la surface optique. La monture isostatique est réalisée par une liaison trois traits (trois trous coniques dans la base en Zerodur dans lesquels se logent trois billes en céramique, qui glissent dans trois vés concourants dans le métal de la monture).
Le traitement retenu dans le cas des miroirs en Zerodur est un traitement à l’or non protégé. En effet les matériaux classiques déposés pour réaliser une protection de la couche d’or intro- duisent des pertes importantes aux longueurs d’ondes de NULLTIMATE. Voir figure 4.26 (a) pour le cas de deux matériaux de protections classiques. Il y a des bandes d’absorption non né- gligeables, qui peuvent être réduites avec l’épaisseur de la couche. Cependant les couches de 20nmprotègent-t-elle encore la couche d’or sachant que ces couches sont inévitablement po- reuses ? De plus il faudrait obtenir des couches de protection d’une grande uniformité, car une inégalité d’épaisseur dans les traitements, entre les deux voies, a un effet sur l’extinction (voir
6 8 10 12 14 16 18 60 65 70 75 80 85 90 95 100 λ en µm R ´efl ex io n en %
R´eflectance de traitements or prot´eg´e
Protection : 20 nm de SiO2 Protection : 150 nm de SiO2 Protection : 20 nm d’Alumine Protection : 150 nm d’Alumine (a) −1 10 0 10 1 10 2 10 −8 10 −7 10 −6 10 −5 10 −4 10 −3 10 Diff´erence d’´epaisseur en nm E xt in ct io n
Effet sur l’extinction des non-homog´en´eit´es de traitement Bande 6 − 11µm
Bande 11 − 18µm
(b)
FIG. 4.26: Figure illustrant les défauts potentiels introduits par l’utilisation d’une couche de protection
sur des optiques en or dans le cadre de l’interférométrie annulante. (a) Réflectance spectrale d’un miroir en or protégé dans différents cas, dans la bande spectrale de NULLTIMATE. (b) Effet sur l’extinction d’une inégalité d’épaisseur moyenne du traitement protecteur pour deux miroirs de l’interféromètre.
figure 4.26 (b)). Il faut moins d’un nanomètre de différence d’épaisseur moyenne entre deux optiques homologues dans les différents bras de l’interféromètre. C’est réalisable pour des op- tiques planes mais probablement plus difficile à obtenir pour des optiques concaves comme celle du déphaseur à passage par le foyer. Nous avons choisi l’or non protégé car sa fragilité est tout à fait maîtrisable. Le risque sur les performances, induit par un traitement de protection, nous a semblé trop élevé.
FIG. 4.27: Lignes à retards développées pour Darwin sous la direction de l’entreprise TNO-TPD. A
4.4. Conception Optique 107
Caractéristiques Valeur
Puissance dissipée pour la maquette 20mW
Tilt dynamique résiduel en sortie de montage ≤ 0.1 µrad Décalage latéral du faisceau de sortie ≤ 10 µm
Défaut de front d’onde (à 300 K) 12 nmrms
Transmission dans la bande 4 − 20 µm > 97% Rotation relative de polarisation < 2 × 10−4degrés
Ellipticité relative de la polarisation < 1 × 10−3degrés
Tilt statique < 4 µrad
Course 20mm
Résolution 0.3 nm
Stabilité en boucle fermée 0.9 nm
Vitesse de déplacement maximale 20mm.s−1
Temps de réponse < 20 ms
TAB. 4.3: Caractéristiques des lignes à retards conçues sous la direction de TNO-TPD, d’après Van den
Dool et al. (2006a).
4.4.3.4 Lignes à retards
Pour les lignes à retard deux systèmes ont été envisagés :
• Reproduire de façon cryogénique les lignes à retard de SYNAPSE, c’est à dire des prismes en toit montés sur une translation ayant peu de rotations résiduelles. L’adaptation cryogénique devait être développée par l’entreprise CEDRAT groupe.
• Notre projet s’est trouvé temporellement retardé ce qui a permis à un autre contrat de l’ESA d’aboutir sous la forme de lignes à retards cryogéniques, conçues pour l’instrument en vol. Leur utilisation sur le banc est possible et leurs spécifications sont évidemment correctes. Ces lignes à retards sont des oeils de chats. Le mécanisme d’actuation est le même que celui d’un haut-parleur : un système aimant-bobine. Les caractéristiques de la ligne à retard sont données dans le tableau 4.3.
4.4.3.5 Compensateur d’intensité
Pour pouvoir obtenir un fort contraste nous avons déjà vu qu’il fallait pouvoir compenser des défauts d’intensité. Il faut le faire de façon achromatique. A cause de la diffraction le diamètre du faisceau varie linéairement avec la longueur d’onde il peut y avoir jusqu’à 2 mm entre les diamètres extrêmes de la bande passante. Un couteau sous forme de demi-plan serait donc chromatique. Il en va de même pour des diaphragmes circulaires. La forme de couteau qui est la plus “achromatique” dans notre cas est le secteur angulaire voir figure 4.28, page suivante.
4.4.3.6 Compensateur de polarisation
FIG. 4.28: Schémas illustrant le principe et la mise en œuve du dispositif de compensation d’intensité. A
gauche un schéma illustre le caractère achromatique du dispositif. A droite, le schéma illustre la façon de faire varier la valeur effective du secteur angulaire vue par le faisceau à la manière du store vénitien proposé par (Serabyn (2003a)).
4.4.3.7 Filtrage optique
Le filtrage optique sera réalisé dans un premier temps par un trou filtrant. Lorsque des fibres optiques ou des guides d’ondes monomodes seront disponibles alors ils seront installés sur le banc