Montage du système

Le système a été développé sur la table optique verticale en accord avec la modélisation mécanique et la disposition des composants donnée par la simulation optique. Le montage a été réalisé avec l’aide de Stéphane Perrin, post-doctorant de l’équipe.

Figure 2-34 Photo du montage de l’interféromètre de Linnik sur la table optique verticale. Réglage de l’illuminateur

L’alignement des diaphragmes et des lentilles optiques s’est effectué en utilisant un laser He-Ne et des cibles d’alignement (trou de 1 mm) spécialement conçues pour le réglage de systèmes montés sur cage (ensemble de 4 tiges). Après avoir vérifié que le laser était correctement aligné avec l’axe optique du système, les composants ont été ajoutés et alignés les uns après les autres. Pour chaque élément, deux cibles étaient placées de part et d’autre afin de régler la position de l’élément selon les axes X et Y en jouant sur la translation de la monture mécanique.

Réglage de la caméra et de la lentille de tube

Comme dit précédemment, la lentille « imageur » doit être située à une distance comprise entre 70 et 170 mm des objectifs. Pour le positionnement de la caméra au niveau du plan focal image de la lentille, le réglage s’est effectué en deux étapes. Tout d’abord, la distance entre la lentille et le capteur est approximativement fixée à 143 mm (distance de travail de la lentille de tube). Le réglage précis s’effectue ensuite à l’aide d’un objectif de Mirau. Celui-ci, étant corrigé à l’infini, renvoie une image nette à l’infini lorsque l’objet est situé à la distance de travail de l’objectif. Le miroir de référence à l’intérieur de l’objectif interférométrique est quant à lui, placé de telle sorte que la différence de marche soit nulle lorsque l’objet est également placé à la distance de travail de l’objectif. Il suffit donc de déplacer l’échantillon verticalement, afin de faire apparaître les franges, puis de modifier légèrement la position de la caméra pour faire coïncider la netteté de l’image avec l’apparition des franges (superposition des plans de cohérence et de focalisation).

Réglage des éléments de polarisation

Nous observons sur la figure 2-25la présence d’un analyseur sur le chemin retour de la lumière. Cet élément est en effet nécessaire suite à l’utilisation d’un cube séparateur polarisant, qui génère, au niveau de la lentille « imageur », deux ondes dont les polarisations sont rectilignes et orthogonales. D’après les lois de Fresnel et Arago (Mujat et al., 2004) (qui exposent les conditions à respecter pour que deux ondes avec des états de polarisations donnés puissent interférer), deux ondes ramenées dans le même plan de polarisation peuvent interférer à condition qu’elles aient été à l’origine polarisées dans le même plan. Kanseri et al. (Kanseri et al., 2007) ont démontré expérimentalement ces lois à l’aide d’un interféromètre de Mach-Zehnder pour les cas des polarisations linéaires et circulaires. Dans notre cas de figure, la lumière émise par la source est polarisée aléatoirement, puis devient polarisée linéairement selon l’orientation du polariseur. Cette orientation est adaptée en fonction de la quantité de lumière que l’on souhaite injecter dans chaque bras de l’interféromètre. La part de lumière polarisée est transmise vers le miroir de référence, tandis que la lumière polarisée est réfléchie vers l’échantillon. Après avoir traversé les lames quart d’onde orientées à 45° des polarisations incidentes, les ondes référence et objet deviennent respectivement polarisées circulairement droite et circulairement gauche. Dans le bras de référence, la lumière réfléchie par le miroir subit un déphasage de π. Elle devient polarisée circulairement gauche, puis, après avoir retraversé la lame quart d’onde, redevient polarisée linéairement à un angle de 90° de la polarisation incidente (polarisation p). Toute la lumière réfléchie par le miroir de référence est alors réfléchie par le cube polarisant en direction de la caméra.

Le principe est quasiment identique dans le bras objet. La seule différence est que pour l’étude d’un échantillon compliqué (diffusant par exemple), la lumière peut posséder, après avoir été réfléchie, une polarisation elliptique arbitraire en raison des propriétés optiques anisotropes de l’échantillon (Moneron et al., 2007).

Après être passées de nouveau dans le cube, les ondes objet et de référence ont des états de polarisations linéaires et orthogonaux. Ils ne peuvent donc pas interférer. La lame quart d’onde située en amont de la lentille « imageur » permet de transformer chaque polarisation en une polarisation circulaire de sens opposé. Enfin, l’analyseur ramène chaque onde dans le même plan de polarisation, faisant apparaître les franges d’interférences puisque celles-ci étaient initialement polarisées dans le même plan (défini par le polariseur).

La figure 2-35 illustre les explications données ci-dessus en représentant les états de polarisation de la lumière durant sa propagation dans l’interféromètre après chaque élément optique sensible à la polarisation.

Figure 2-35 Changement des états de polarisation de la lumière durant sa propagation dans l’interféromètre.

C.G et C.D font respectivement référence aux polarisations circulaires gauches et droites.

Le réglage des polariseurs et des lames quart d’onde est effectué selon la procédure suivante, consistant à observer l’intensité au niveau de la caméra :

On règle le polariseur de l’illumination pour avoir un maximum d’intensité transmise dans le bras de référence. Rien ne doit être réfléchi vers l’objet (polarisation p).

On tourne la lame /4 pour avoir un maximum d’intensité au niveau de la caméra. Elle doit alors être inclinée de 45° par rapport à la polarisation incidente.

On oriente la lame /4 située en amont de la lentille imageur à 45° de la polarisation rectiligne incidente. On vérifie que le faisceau devient polarisé circulairement en tournant le polariseur placé avant la caméra μ l’intensité doit rester constante quelle que soit l’orientation du polariseur. Une faible variation d’intensité indique une polarisation légèrement elliptique. On change l’inclinaison du polariseur de l’illumination pour avoir cette fois un maximum d’intensité réfléchie vers l’échantillon (polarisation s).

On répète l’étape 2.

Si le réglage de l’étape 3 est correct, la lame /4 est correctement orientée. On tourne le polariseur situé avant la caméra et on vérifie que l’intensité reste constante.

Réglage final

La dernière étape consistait à régler très précisément l’inclinaison de l’ensemble « objectif + miroir de référence » par rapport à l’objectif du bras objet. Une fois cette étape réalisée, il suffisait de positionner le miroir de référence et l’échantillon au niveau des plans focaux images des objectifs, puis de régler la différence de marche en modifiant la position de l’ensemble « objectif + miroir de référence ». Des franges d’interférences ont alors été obtenues. Cependant, nous avons observé un étalement très important des franges (non conforme à l’utilisation d’une LED blanche spectralement étendue) avec un contraste très peu élevé. Connaissant la sensibilité des systèmes interférométriques par rapport à l’inclinaison des composants optiques, nous pensions que ces problèmes s’expliquaient par :

une inclinaison de l’objectif de référence, ou une inclinaison du miroir de référence,

ou une inclinaison du cube polarisant qui a été fixé à la main (collé) à l’intérieur de la cage. Pour vérifier ces hypothèses nous avons utilisé l’objectif de Mirau. Lorsque que celui-ci fut fixé dans le bras objet, des franges d’interférences de très bonne qualité, fortement contrastées (figure 2-27), ont été obtenues. Cependant, lorsque l’objectif fut fixé au niveau du bras de référence, le même problème que précédemment est apparu. Nous en avons déduit que l’inclinaison de l’objectif était mal ajustée. Ce réglage étant particulièrement difficile, puisqu’il s’effectue à la main, nous avons décidé de modifier l’agencement du bras de référence. Bien entendu, le bloc « objectif + miroir de référence » se doit de demeurer indépendant du reste du montage, afin de pouvoir régler la différence de marche. Nous avons opté pour des montures se fixant à la table de translation et également liées au cube séparateur par une série de quatre tiges. Ainsi, tout en autorisant et en guidant la translation des éléments selon Z, ce nouvel agencement devrait permettre de positionner correctement l’objectif et le miroir au niveau de l’axe optique. De plus, cela permettrait d’orienter automatiquement le miroir de référence en incidence normale.