Le Centre Spatial de Liège et ses activités en métrologie holographique basée sur des cristaux photoréfractifs

(1)

1

Dr. Marc GEORGES

Chef de projet

Le Centre Spatial de Liège

et ses activités en métrologie holographique basée

sur des cristaux photoréfractifs

(2)

2

Plan



Le Centre Spatial de Liège



Le Groupe Optique Non Linéaire

_{Le Groupe Optique Non Linéaire}



Interférométrie holographique



Cristaux photoréfractifs

(3)

3



_{CSL : Centre de recherches de l’Université de Liège}



_{Activité principale :}

Qualification optique en simulation d’ambiance spatiale

pour l’Agence Spatiale Européenne (ESA)



_{CSL = Facilité Coordonnée de l’ESA}



_{100 personnes}

– 60 scientifiques (optique, mécanique, thermique, cryogénie,..)_{60 scientifiques (optique, mécanique, thermique, cryogénie,..)} – techniciens_techniciens

(4)

4



_{Moyens d ’essai}



_Projets

 _GIOTTO_GIOTTO

 _HIPPARCOS_HIPPARCOS  _METEOSAT_METEOSAT  _VEGETATION_VEGETATION

 _{Faint Objet Camera}_{Faint Objet Camera}

(Télescope Spatial Hubble)

 _SILEX_SILEX

 _ISO_ISO

 _XMM_XMM

(5)

5



_{Développement de sous-systèmes ou}

instruments optiques - optomécaniques pour le

spatial (ESA, NASA)

Caméra Multi-couleurs Caméra Multi-couleurs GIOTTO GIOTTO SOHO-EIT SOHO-EIT

Extreme Ultraviolet Telescope to take solar corona

pictures at four wavelengths from 17 to 30 nm

OMC

optical monitoring camera for the

INTEGRAL satellite

INTEGRAL satellite IMAGE (coll. Univ. Berkeley, NASA)

IMAGE (coll. Univ. Berkeley, NASA)

Spectro-imageur d’aurores polaires

(6)

6



_{Centre de compétences de l’ESA}



_{Maintenir le savoir-faire en optique instrumentale et}

opto-mécanique

– Recherche_Recherche

– Développement_{Développement} 

_{Divers groupes :}

– Métrologie optique et calibration (incl. miroirs liquides)_{Métrologie optique et calibration (incl. miroirs liquides)} – Micro-optique/réseaux/optiques holographiques_{Micro-optique/réseaux/optiques holographiques}

– Coatings_Coatings

– Polissage ionique_{Polissage ionique} – Optique non linéaire_{Optique non linéaire}

(7)

7

Le Groupe Optique Non Linéaire



_{Activité débute en 1988}

– Caractérisation de cristaux photoréfractifs (Bi_{Caractérisation de cristaux photoréfractifs (Bi}1212SiOSiO2020,…) / Thèse ,…) / Thèse

doctorat

– Applications en traitement du signal (auto-corrélateur jointif, _{Applications en traitement du signal (auto-corrélateur jointif,}

interférométrie holographique temps moyenné)



_{Depuis 1993 : Interféromètres holographiques avec}

cristaux PR

– Plusieurs projets successifs et simultanés / Thèse de doctorat_{Plusieurs projets successifs et simultanés / Thèse de doctorat}



_{1995 - 1999 : Matériaux organiques sensibles dans le}

rouge

(PVK: ECZ: DMNPAA, …)

– Développement - caractérisation / Thèse de doctorat_{Développement - caractérisation / Thèse de doctorat}



_{Depuis 1998 : Cristallogénèse}

(8)

8

Interférométrie holographique



_{Métrologie du déplacement de la surface d ’un objet}

a

1. Enregistrement Holographique

objet - non déformé

support holographique faisceau laser séparateur de faisceau caméra Instant t Instant t₀₀

a

2. Déformation objet et lecture holographique

Camera faisceau laser

Séparateur de faisceau

Franges d’interférences superposées à l’image de l’objet

Instant t

Instant t₁₁

I(x,y)=I₀(x,y) [1+m(x,y) cos((x,y))]

Interférogramme

(9)

9

 _{Caractéristiques intéressantes de l’interférométrie holographique}_{Caractéristiques intéressantes de l’interférométrie holographique}

– Sans contact avec l’objet_{Sans contact avec l’objet}

– Grand nombre de capteurs (pixels)_{Grand nombre de capteurs (pixels)} – Faibles sollicitations (non destructif)_{Faibles sollicitations (non destructif)} – Accès au déplacement vectoriel_{Accès au déplacement vectoriel}

 _{Besoins de l’utilisateur potentiel}_{Besoins de l’utilisateur potentiel}

 _{Facile à mettre en œuvre}_{Facile à mettre en œuvre}

 _{Mesures aisées à interpréter, quantifiées et fiables}_{Mesures aisées à interpréter, quantifiées et fiables}  _{Transportable/portable, compact, robuste, flexible, …}_{Transportable/portable, compact, robuste, flexible, …}  _{Adaptable en configuration}_{Adaptable en configuration}

 _{Bon marché et économique d ’utilisation}_{Bon marché et économique d ’utilisation}

Interférométrie holographique

(10)

10



_{Element critique : support holographique}

– Auto-développant_{Auto-développant} – Réversible_Réversible

– Permettre des rapports Signal/Bruit importants_{Permettre des rapports Signal/Bruit importants} – Le moins d’opérations possibles avant la lecture_{Le moins d’opérations possibles avant la lecture}

• pas de changement d’intensité, rapport des faisceaux _{pas de changement d’intensité, rapport des faisceaux}

– Ecriture holographique simple à effectuer_{Ecriture holographique simple à effectuer}

• pas de pompage_{pas de pompage}

• de chargement électrique_{de chargement électrique}

• de chauffage/refroidissement,…_{de chauffage/refroidissement,…}

– Information rapidement disponible (temps de réponse court)_{Information rapidement disponible (temps de réponse court)}

Interférométrie holographique

Cristaux photoréfractifs répondent à ces critères

(11)

11

Cristaux Photoréfractifs

Champ de charges Champ de charges d’espaces créé entre d’espaces créé entre

zone claires et sombres

1.

1. Figure de franges créée par Figure de franges créée par interférence de 2 faisceaux

interférence de 2 faisceaux

2.

2. Charges générées par photo-excitation dans les zones claires,Charges générées par photo-excitation dans les zones claires,

(12)

12

Cristaux Photoréfractifs

3. Effet électro-optique linéaire (Pockels) :

Indice de réfraction

Indice de réfraction nn est modulé par le champ de charges d’espace est modulé par le champ de charges d’espace Enregistrement d’un réseau d’indice en volume

Enregistrement d’un réseau d’indice en volume (hologramme épais)(hologramme épais)

4. Processus dynamique et réversible

Support holographique enregistrable in-situ, réversible Support holographique enregistrable in-situ, réversible

(13)

13



_{Familles de cristaux}

– Sillénites : Bi_{Sillénites : Bi}1212SiOSiO2020 (BSO), Bi (BSO), Bi1212GeOGeO2020 (BGO), Bi (BGO), Bi1212TiOTiO2020 (BTO) (BTO) – Ferro-électriques : LiNbOFerro-électriques : LiNbO33, BaTiO, BaTiO33, KNbO, KNbO33, KTN, SBN,…, KTN, SBN,…

– Semi-conducteurs : CdTe, ZnTe, AsGa, InP,…_{Semi-conducteurs : CdTe, ZnTe, AsGa, InP,…}



_{Figures de mérite}

Cristaux Photoréfractifs

n = n

_sat

(1-exp(-t/))

– Densité d’énergie d’écriture à saturation : EDensité d’énergie d’écriture à saturation : E_s_s = = .I.I

(14)

14

Cristaux Photoréfractifs



_{Propriétés particulières}

– Configuration “Anisotropie de diffraction”_{Configuration “Anisotropie de diffraction”}

• Cristal = demi-onde sur faisceau diffracté_{Cristal = demi-onde sur faisceau diffracté}

l 

4 

n l



 1

a

P₂ P₁ P_diff P_t

– Configuration “Couplage” : Isotropie de diffraction_{Configuration “Couplage” : Isotropie de diffraction}

• Couplage entre onde transmise/onde diffractée_{Couplage entre onde transmise/onde diffractée}

constante de couplage

constante de couplage 

• Maximisation du contraste de l’interférogramme lorsque_{Maximisation du contraste de l’interférogramme lorsque} • Polarisation diffractée _{Polarisation diffractée} Polarisation incidente Polarisation incidente

Polarisation transmisePolarisation transmise

(15)

15

Cristaux Photoréfractifs



_{Sillenites : BSO - BGO - BTO}

E

_S_S

~ 1-10 mJ/cm

22

_,



_{~ 0.1 %,}



_{~ 0.5 cm}

-1-1



Ferroelectrics : LiNbO

_{Ferroelectrics : LiNbO}

₃₃

- KNbO

_{- KNbO}

₃₃

- BaTiO

_{- BaTiO}

₃₃

- SBN ...

_{- SBN ...}

E

_S_S

~ 1-10 J/cm

22

,

_,



~ 100 %,

_{~ 100 %,}



~ 1 - 40 cm

_{~ 1 - 40 cm}

-1-1



_{Semiconductors : CdTe - ZnTe - CdZnTe .…}

E

(16)

16



_{Interféromètre transportable :}

(1993 - 1997)

– laser : YAG pompé par diodes, 500 mW, 532 nm_{laser : YAG pompé par diodes, 500 mW, 532 nm} – séparateur de faisceaux_{séparateur de faisceaux}

– lentille illumination objet_{lentille illumination objet}

– filtrage/agrandissement faisceau référence_{filtrage/agrandissement faisceau référence} – imagerie + cristal_{imagerie + cristal}

(17)

17



_Applications

– Mesures statiques : contrôle non destructif (détection de défauts)_{Mesures statiques : contrôle non destructif (détection de défauts)}

Interférogramme obtenu

avec stimulation thermique

(40X55 cm

(40X55 cm22₎₎

Image de phase calculée

Image de phase calculée Image de phase déroulée puis Image de phase déroulée puis

différenciée verticalement

I_k(x,y)=I₀(x,y) [1+m(x,y) cos((x,y)+_k)]

 _calc= arctg I1– I4+ I2– I3 3 I2 – I3 – I1 – I4 1/2 I₂+ I₃ – I₁ + I₄ p.ex. k=4 p.ex. k=4

(18)

18



_{Applications (suite)}

– Visualisation d’un mode de vibration d’une aube de turbine_{Visualisation d’un mode de vibration d’une aube de turbine}

aa

t lecture stroboscopique Obturateurs Déformation objet enreg. hologr. T Acquisition d'images Décalage de phase

a

t 0 -T +T T_vib

(19)

19



_{Caméra holographique compacte (1998 - )}

– Tête optique : L=25 cm, diam=8 cm_{Tête optique : L=25 cm, diam=8 cm}

1 kg

– Laser : VERDI 5W_{Laser : VERDI 5W}

– Lumière guidée par fibre optique_{Lumière guidée par fibre optique}

(5 m, Transmission 80%, 5W inj.)

– Rack mobile incluant :_{Rack mobile incluant :}

• laser + alimentation_{laser + alimentation}

(20)

20



_Applications

– Contrôle non destructif : détection de défauts dans des soudures _{Contrôle non destructif : détection de défauts dans des soudures}

entre câbles plats (

(21)

21

a

aluminium plate

(back side)

piezosheets

point where the force is applied

clamping points of the plate



_{Applications (suite)}

– Métrologie de déplacements : calibration de lamelles _{Métrologie de déplacements : calibration de lamelles}

piézoélectriques agissant comme capteurs ou actuateurs pour

contrôle actif de structures (40 x 25 cm

(22)

22

a

carrier fringes alone

reference zone (baseplate) sample

(a)

a

carrier fringes and temperature step (b)

shade of sample on the baseplate



_{Applications (suite)}

– Mesure du Coefficient d ’Expansion Thermique d ’un tube en fibre _{Mesure du Coefficient d ’Expansion Thermique d ’un tube en fibre}

de carbone par comparaison du mouvement relatif entre sa section

(1 cm

(23)

23



_{Applications (suite)}

– Détection d’empreintes digitales (coll. Ecole Royale Militaire)_{Détection d’empreintes digitales (coll. Ecole Royale Militaire)}

Accentuation des empreintes

(24)

24



_{Interférométrie holographique en régime impulsionnel}

coll. Lab. Charles Fabry de l’Inst. d’Optique, Orsay

Gérald Roosen, Gilles Pauliat

– Utiliser laser YAG Q-switch (COHERENT Infinity)_{Utiliser laser YAG Q-switch (COHERENT Infinity)}

doublé en fréquence : 532 nm (adapté aux cristaux)

impulsion : 3 ns (cristaux répondent à la nanoseconde)

énergie : 0 à 400 mJ/impulsion

taux de répétition : 0,1 à 30 Hz

(25)

25

a

Pockels 1

a

piège

aa

ligne à retard objet O1 O2 CSP3 O3 O3’ Cam 1 Cam 2 LD M6 LD LC M4 M5 M1 M2 M3 cristal PR LDO1 CSP1

a

CSP2 Pockels 2

a

Pockels 3

Seconde Impulsion : Lecture holographique

Mesure de phase

Mesure de phase  : :

• Cam 1 : I = ICam 1 : I = I₀₁₀₁ (1+m sin (1+m sin ))

• Cam 2 : I = ICam 2 : I = I₀₂₀₂ (1+m cos (1+m cos ))

Première Impulsion : Ecriture holographique

(26)

26



_{Interférométrie holographique en régime impulsionnel}

– Mesure de vibrations : technique à 4 impulsions_{Mesure de vibrations : technique à 4 impulsions}

 R _f = A _f ei f

a

0 t

a

E1 t₀

a

L1 

a

E2 T/4

a

L2  A _f= D1 2 _{+ D} 22 2 1 – cos  0 1 2 3 4 5 0 50 100 150 200 250 300 350 400 A m pl it ud e (  m ) fréquence (Hz) 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0 50 100 150 200 250 300 350 400 A m pl it ud e (  m ) fréquence (Hz) Balayage en fréquence Balayage en fréquence

Apparition d ’un mode de résonance

(27)

27

– Limitations majeures :_{Limitations majeures :}

• impulsion laser unique : besoin de protocoles de déclenchement et _{impulsion laser unique : besoin de protocoles de déclenchement et}

synchronisation complexes de l ’impulsion

synchronisation complexes de l ’impulsion • balance en énergie entre les 2 impulsions_{balance en énergie entre les 2 impulsions} • 10 sec entre 2 mesures de A10 sec entre 2 mesures de Af.f.

– Besoin d ’une nouvelle source laser_{Besoin d ’une nouvelle source laser}

• YAG déclenché_{YAG déclenché}

• 2 impulsions :_{2 impulsions :} délai variablesdélai variables

énergies différentes

– Besoin de têtes holographiques améliorées_{Besoin de têtes holographiques améliorées}

• nouvelles configurations_{nouvelles configurations}

• nouveaux cristaux (e.g. CdTe)_{nouveaux cristaux (e.g. CdTe)}

• nouvelles méthodologies (mémoire de front d ’onde)_{nouvelles méthodologies (mémoire de front d ’onde)}

PHIFE

• VibrationsVibrations

(28)

28



_{Interféromètre en apesanteur : Fluid Science Laboratory}

(FSL) , Station Spatiale Internationale

 (x, y) = 2_ n( x,y,z) – n₀ dz

a

Hologram

a

Observation Camera Beam Expander Folding Mirror Beam Reducer BS Experimental Cell Variations de

Variations de nn intégrées le long de la intégrées le long de la ligne de vue

(29)

29



_{Instrument embarqué}

– FSL : Diagnostics multiples des _{FSL : Diagnostics multiples des}

fluides

Cristal sensible Cristal sensible

• Interférométrie speckle_{Interférométrie speckle}

• Interférométrie différentielle (Wollaston)_{Interférométrie différentielle (Wollaston)} • Schlieren_Schlieren

• Interférométrie holographique _{Interférométrie holographique}

– Design de base : Bobine film thermoplastique_{Design de base : Bobine film thermoplastique}

– Proposition MRC/CSL : remplacer par BSO_{Proposition MRC/CSL :}remplacer par BSO

– Pourquoi le BSO ?_{Pourquoi le BSO ?}

– Contrainte de l ’expérience holographique :_{Contrainte de l ’expérience holographique :}

• Temps de réponse à l ’écriture : 50 ms_{Temps de réponse à l ’écriture : 50 ms}

(30)

30

a

T2

a

T1



_{Interféromètre holographique de}

FSL

– Application aux phénomènes stables_{Application aux phénomènes stables}

– Application aux phénomènes instables_{Application aux phénomènes instables}

• Contrainte_Contrainte

– Enregistrement rapideEnregistrement rapide

– Au moins 1000 lectures_{Au moins 1000 lectures}

– Validation du fonctionnement sous radiations (en cours)_{Validation du fonctionnement sous radiations (en cours)} – Construction du hardware_{Construction du hardware}

(31)

31



_{OPTRION : Start-Up du Groupe Optique Non Linéaire}

– Commercialisation_{Commercialisation}

• Caméras holographiques_{Caméras holographiques}

• Fibres optiques monomodes haute puissance (VERDI)_{Fibres optiques monomodes haute puissance (VERDI)} • Cristaux photoréfractifs certifiés_{Cristaux photoréfractifs certifiés}

– Service aux industriels_{Service aux industriels}

• mesure de vibration_{mesure de vibration} • contrôle non destructif_{contrôle non destructif}