Comme dans de nombreux autres domaines de l’optique et de la photonique, l’avènement des lasers a apporté un changement révolutionnaire dans la métrologie optique. Depuis les premiers temps, les principes de la métrologie optique reposent sur l’utilisation ingénieuse de divers paramètres physiques qui caractérisent la lumière, tels que l’amplitude, la phase, la fréquence optique, la longueur d’onde, la cohérence et l’état de polarisation. Par conséquent, le nœud des problèmes en métrologie optique réside dans la manière dont ces paramètres peuvent être contrôlés avec précision afin que les informations sur les objets puissent être codées et décodées au mieux à partir de la lumière avec la plus grande précision possible.

L’utilisation des lasers a marqué la première fois dans la longue histoire de la métrologie optique que cette lumière hautement contrôlée est devenue disponible pour être utilisée comme support physique dans l’acquisition d’informations d’objets pour la détection et la mesure, et elle a ouvert de nouvelles possibilités en métrologie optique. Par exemple, les lasers stabilisés en fréquence, avec leur lumière fortement confinée dans le domaine spectral, ont fourni une norme bien définie pour la métrologie dimensionnelle, tandis que les lasers à impulsions ultracourtes, avec leur lumière fortement confinée dans le domaine temporel, ont permis de trouver une plage à haute résolution.

L’impact des lasers sur la métrologie optique est trop important et trop répandu pour être traité dans ce court article. Nous nous concentrons donc sur la façon dont les lasers ont modifié l’interférométrie industrielle, où le terme interférométrie est utilisé au sens large pour inclure l’interférométrie holographique et l’interférométrie de taches.

Activation de l’OCT

L’introduction du laser comme source de lumière pour l’interférométrie optique était d’une importance particulière pour les applications industrielles. L’interférométrie hétérodyne, utilisant un signal de battement limité au bruit de tir entre deux fréquences optiques différentes de lumière laser générées par une cellule de Bragg ou un laser Zeeman stabilisé, a permis une profilométrie de surface à ultra-haute résolution avec une résolution en hauteur atteignant ~ 1 Angstrom. L’interférométrie laser, basée sur la détection de phase homodyne par la technique de déphasage ou la technique de porteuse spatiale combinée à l’analyse de frange moderne, est maintenant largement utilisée pour les tests en plein champ de surfaces optiques.

La force de l’interférométrie laser à mesure de phase réside dans sa capacité à déterminer la phase jusqu’à la gamme des nanomètres. Cependant, cette force s’accompagne de la faiblesse que la phase détectée est enveloppée dans la plage de (-π, π) avec ambiguïté par des multiples entiers de 2π. Du fait de cette ambiguïté de phase, on échoue dans la mesure lorsqu’un objet testé, par example une micromachine, présente de grandes discontinuités correspondent à des sauts de phase supérieurs à π.

L’interférométrie de domaine spectral utilisant un laser accordable à fréquence optique nous a apporté une solution à ce problème, né de la monochromaticité de la lumière laser. Les franges spectrales, générées par le balayage de la fréquence optique du laser accordable en fréquence, portent des informations de profondeur sans ambiguïté sur les hauteurs d’objets discontinus dans leurs fréquences de franges. Cette technique d’interférométrie spectrale utilisant l’accordabilité en fréquence des lasers a constitué la base de la tomographie avancée en cohérence optique dans le domaine fréquentiel (OCT) d’aujourd’hui.

Techniques holographiques

Un autre changement significatif apporté à la métrologie optique par le laser a été l’expansion de l’interférométrie optique pour inclure l’interférence de champs optiques aléatoires dispersés à partir de surfaces diffuses ou propagés à travers un milieu trouble.

L’émergence de l’interférométrie holographique et de la métrologie des taches dans laquelle la cohérence de la lumière laser joue un rôle fondamental a été de la plus haute importance à cet égard. La capacité de l’holographie à enregistrer et à reconstruire le champ optique à partir d’un objet 3D permet des interférences entre deux champs optiques enregistrés à des instants différents avant et après la déformation et / ou le déplacement de l’objet.

Une autre caractéristique importante qui distingue l’interférométrie holographique de l’interférométrie conventionnelle est qu’elle est applicable aux objets généraux à surfaces non polies. Ces caractéristiques uniques de l’interférométrie holographique ont trouvé de nombreuses applications industrielles réussies mieux illustrées par les tests non destructifs d’un pneu pour une automobile. Une technique holographique alternative, souvent utilisée pour l’analyse des vibrations, est l’holographie moyenne dans le temps. Une surface vibrante est enregistrée dans un hologramme avec une durée d’enregistrement supérieure à la période de vibration de sorte que seules les franges d’interférence statique générées par la lumière provenant des nœuds de vibration sont enregistrées dans l’hologramme tandis que les franges dynamiques générées par la lumière provenant des boucles de vibration sont moyennées pendant la longue durée d’enregistrement. Ainsi, l’image reconstruite visualise les modes de vibration sous la forme d’une carte de contour de frange.

L’utilisation d’un laser à impulsions courtes offre une autre possibilité d’enregistrement de la lumière en vol par holographie. Un faisceau de référence à impulsions courtes éclairant l’hologramme selon un angle oblique sert de fenêtre temporelle lorsqu’il traverse l’hologramme de sorte que chaque partie de l’hologramme reconstruit l’objet à un instant de temps différent et permet la visualisation de la lumière en vol.

Les progrès récents des technologies CCD et CMOS ont permis d’enregistrer numériquement un hologramme avec un capteur d’image haute résolution et de reconstruire numériquement le champ optique avec un ordinateur ou optiquement par un modulateur spatial de lumière. Cette technique d’holographie numérique a ajouté une fonction si nouvelle à l’interférométrie holographique que deux champs optiques enregistrés à des moments et à des emplacements différents peuvent être comparés directement sur la base de données numériques en effectuant des opérations numériques arbitraires telles que la propagation et la focalisation de la lumière et des corrections d’aberrations.

Outre l’interférométrie holographique, l’holographie a introduit une autre fonction importante de la mise en forme du front d’onde dans l’interférométrie optique. Avec un hologramme généré par ordinateur, on peut synthétiser un front d’onde asphérique souhaité qui sert de standard prototype pour le test interférométrique d’une surface asphérique.

Interférométrie de taches

Les phénomènes de taches sont connus depuis longtemps, depuis que les lasers ont été utilisés pour l’holographie et le traitement de l’information optique. Ces distributions d’intensité granulaire induites par laser, résultant de la superposition cohérente de nombreux champs optiques aléatoires dispersés à partir de surfaces diffuses, ont d’abord été considérées comme du bruit ou une nuisance qui apparaît inévitablement lorsque l’imagerie est réalisée avec de la lumière laser. Bientôt, les chercheurs ont pris conscience que des taches laser aléatoires contiennent des informations utiles sur la surface de l’objet par laquelle la lumière laser est diffusée.

En photographie de taches, les motifs de taches observés sur la surface de l’objet sont utilisés comme marqueurs uniques qui indiquent des emplacements individuels sur la surface de l’objet, et la déformation et / ou le déplacement de l’objet sont détectés à partir du mouvement local de ces marqueurs de taches.

L’interférométrie de taches utilise l’interférence entre le champ optique aléatoire sur une surface d’objet diffuse créée par diffusion et le champ optique de référence, qui peut avoir un front d’onde lisse ou aléatoire. Contrairement à l’interférométrie classique, qui donne les informations de l’objet directement avec une carte de contour de frange, le motif de moucheture aléatoire observé sur la surface de l’objet ne donne aucune information directe sur l’objet en lui-même. Cependant, lorsque l’objet est déformé, par example par une charge thermique ou par une force externe, le motif moucheté change de distribution en raison de la variation de la différence de trajet optique introduite par la déformation. La différence entre les deux motifs de taches avant et après la déformation révèle la distribution de la déformation, qui est généralement visualisée sous la forme d’une carte de contour de frange en rectifiant la distribution de différence 2D.

Grâce à l’utilisation combinée de capteurs d’image haute résolution et d’analyses de franges modernes, la métrologie des taches est devenue un moyen indispensable d’essais non destructifs pour les applications industrielles et le génie civil.

Même avec ces cas très limités décrits ci-dessus, nous pouvons voir l’impact important du laser dans l’évolution de la métrologie optique moderne pour les applications industrielles. Avec nos collègues du domaine de la métrologie optique industrielle, nous souhaitons célébrer le 50e anniversaire du laser.

Peignes de fréquence
 Theodor Hänsch a partagé la moitié du Prix Nobel de physique 2005

Photo gracieuseté de Ludwig-Maximilians-Universitat, Munich.

L’Allemand Theodor Hänsch a partagé la moitié du prix Nobel de physique 2005 avec l’Américain John Hall pour le développement de la spectroscopie de précision à base de laser, y compris la technique du peigne de fréquence optique.

La technique du peigne de fréquence a permis de mesurer avec une extrême précision le nombre d’oscillations lumineuses par seconde, avec une précision de quinze chiffres.

La technologie de mesure basée sur le laser a approfondi notre connaissance des propriétés de la matière, de l’espace et du temps et a apporté des progrès aux horloges optiques extrêmement précises et aux systèmes de navigation par satellite tels que le GPS.

Applications laser

En plus de nombreuses applications en interférométrie, microscopie, spectroscopie, etc. les lasers sont utilisés pour:

  • Mesurer le débit de gaz et de fluide dans les automobiles
  • Sens de l’accélération et de la rotation
  • Étudier le flux d’air autour des avions, des missiles et des projectiles
  • Assurer des surfaces lisses sur les objectifs de l’appareil photo
  • Mesurer la distance et le déplacement
  • Mesurer la variation de température et de pression
 Mitsuo Takeda

Boursier SPIE Mitsuo Takeda est professeur à l’Université d’Électro-Communication de Tokyo et président de la Société d’Optique du Japon. Il est lauréat 2010 du prix Dennis Gabor, décerné par SPIE en reconnaissance de ses contributions au développement de l’holographie et de la métrologie optique.

 Malgorzata Kujawinska

Fellow SPIE Malgorzata Kujawinska est professeur d’optique appliquée et de photonique à l’Université de technologie de Varsovie et vice-présidente de Photonics21. Elle est ancienne présidente de SPIE et ancienne vice-présidente de la Commission Internationale d’Optique. Elle a reçu le Prix des réalisateurs SPIE 2010.