Techniques de décalage de phase

La variation de phase peut être réalisée avec divers éléments optiques. Les techniques les plus utilisées sont :

• les transducteurs piézo-électriques

• les modulateurs électro-optiques

• les modulateurs acousto-optiques

Le déphasage par transducteur piézo-électrique consiste à coller un miroir sur le transducteur sur lequel on applique une tension. La tension déforme le piézo-électrique et le miroir se déplace, faisant ainsi varier finement la phase optique. Si le faisceau lumineux est réfléchit en incidence normale, un déplacement de λ/8 est suffisant pour réaliser un déphasage de .

La figure 10 illustre cette méthode. Les tensions appliquées sur le cristal sont généralement de l'ordre de quelques dizaines de volts.

Le cristal piézo-électrique est généralement piloté avec des marches de tension. Le pilotage en tension sinusoïdale est possible en évitant de s'approcher des fréquences de résonance car le cristal pourrait être sévèrement endommagé. Cette technique est certainement la plus utilisée dans les interféromètres commerciaux. Cependant, elle est très sensible aux perturbations environnementales telles que les vibrations transversales. En effet, de telles perturbations font vibrer le cristal et le miroir ce qui a pour effet de perturber le déphasage entre les interférogrammes.

Le décalage de phase à l'aide d'un modulateur électro-optique utilise la polarisation de la lumière. Ainsi, on doit nécessairement travailler avec un interféromètre à faisceaux polarisés. Le modulateur est placé dans l'interféromètre avant séparation des faisceaux et la polarisation de l'onde incidente est orientée à 45° des lignes neutres du modulateur. En appliquant une haute tension sur le cristal, une biréfringence est induite dans le matériaux ce qui induit une différence de phase optique entre les deux polarisations qui se propagent dans le milieu. Par exemple avec un cristal de niobate de lithium, LiNbO3, en configuration transverse, la variation de phase est donnée par la relation suivante :

où V est la tension appliquée, L la longueur du cristal, d son épaisseur, n0 , ne sont les indices ordinaires et extraordinaires du cristal et r13 , r33 sont des coefficients du tenseur électro-optique :

Les valeurs des coefficients sont : r13 =8,10×10-12m/V et r33=30,4×10-12m/V. Généralement, les sensibilités sont de l'ordre de Φ=1,5×V mrad pour des longueurs d'ondes visibles. La figure 11 schématise la configuration du modulateur. Le faisceau incident arrive polarisé rectilignement dans le plan (OXZ).

Le cristal peut être piloté avec des marches de tension (décalage de phase par marche) ou une tension sinusoïdale (modulation sinusoïdale) avec une fréquence de plusieurs centaines de hertz.

Dans le cas où on utilise un cristal acousto-optique (TeO2, KRS5, HgS), un cristal piézo-électrique génère une onde acoustique de longueur d'onde λac dans le milieu d'indice optique n. Cette onde acoustique induit une variation d'indice par effet photo-élastique. Ce réseau d'indice se déplace à la vitesse de l'onde acoustique mais reste statique en apparence pour l'onde optique qui est alors diffractée. Dans le régime dit de Bragg, lorsque la longueur d'onde acoustique est beaucoup plus faible que l'épaisseur du cristal, pour un angle d'incidence tel que

le faisceau lumineux diffracte sur un seul ordre et sa fréquence est décalée d'une quantité égale à la fréquence de l'onde acoustique, ƒac . La figure 12 illustre la configuration du modulateur.

Lorsque les interférences ont lieu entre un faisceau diffracté et un faisceau non diffracté, le cosinus du signal contient le terme de modulation temporelle donné par . La technique du « phase bucket » peut alors être appliquée. Les fréquences acoustiques généralement utilisée sont de quelques Mhz, jusqu'à plus de 100 Mhz pour certains modulateurs.

Généralement, on utilise 2 modulateurs, un sur chaque faisceau, avec une légère différence de fréquence de sorte que la modulation du cosinus s'écrit et devient comptatible avec les cadences d'acquisitions usuelles des caméras.