Centre Spatial de Lige Universit de Lige Le

Centre Spatial de Liège Université de Liège Le Centre Spatial de Liège et ses activités en métrologie holographique basée sur des cristaux photoréfractifs Dr. Marc GEORGES Chef de projet © Centre Spatial de Liège 2002 1

Centre Spatial de Liège Université de Liège Plan · Le Centre Spatial de Liège · Le Groupe Optique Non Linéaire · Interférométrie holographique · Cristaux photoréfractifs · Projets en interférométrie holographique photoréfractive © Centre Spatial de Liège 2002 2

Centre Spatial de Liège Université de Liège Le Centre Spatial de Liège ¨ 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, . . ) – techniciens – administratifs © Centre Spatial de Liège 2002 3

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Le Centre Spatial de Liège Moyens d ’essai ¨ - © Centre Spatial de Liège 2002 Projets GIOTTO HIPPARCOS METEOSAT VEGETATION Faint Objet Camera (Télescope Spatial Hubble) SILEX ISO XMM Instruments d ’ENVISAT 4

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Le Centre Spatial de Liège Développement de sous-systèmes ou instruments optiques - optomécaniques pour le spatial (ESA, NASA) OMC SOHO-EIT optical monitoring camera for the Extreme Ultraviolet Telescope to take solar corona INTEGRAL satellite pictures at four wavelengths from 17 to 30 nm IMAGE (coll. Univ. Berkeley, NASA) Spectro-imageur d’aurores polaires Caméra Multi-couleurs GIOTTO © Centre Spatial de Liège 2002 5

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ ¨ Le Centre Spatial de Liège Centre de compétences de l’ESA Maintenir le savoir-faire en optique instrumentale et opto-mécanique – Recherche – Développement ¨ Divers groupes : – – – © Métrologie optique et calibration (incl. miroirs liquides) Micro-optique/réseaux/optiques holographiques Coatings Polissage ionique Optique non linéaire Centre Spatial de Liège 2002 6

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Le Groupe Optique Non Linéaire Activité débute en 1988 – Caractérisation de cristaux photoréfractifs (Bi 12 Si. O 20, …) / Thèse doctorat – 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 ¨ 1995 - 1999 : Matériaux organiques sensibles dans le rouge (PVK: ECZ: DMNPAA, …) – Développement - caractérisation / Thèse de doctorat ¨ Depuis 1998 : Cristallogénèse – Bi 12 Si. O 20 (532 nm), Cd. Te (1064 nm) © Centre Spatial de Liège 2002 7

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Interférométrie holographique Métrologie du déplacement de la surface d ’un objet Instant t 1 Instant t 0 Interférogramme © Centre Spatial de Liège 2002 I(x, y)=I 0(x, y) [1+m(x, y) cos(Df(x, y))] 8

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Caractéristiques intéressantes de l’interférométrie holographique – – ¨ © Interférométrie holographique Sans contact avec l’objet Grand nombre de capteurs (pixels) Faibles sollicitations (non destructif) Accès au déplacement vectoriel Besoins de l’utilisateur potentiel - Facile à mettre en œuvre - Mesures aisées à interpréter, quantifiées et fiables - Transportable/portable, compact, robuste, flexible, … - Adaptable en configuration - Bon marché et économique d ’utilisation Centre Spatial de Liège 2002 9

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Interférométrie holographique Element critique : support holographique – – Auto-développant Réversible Permettre des rapports Signal/Bruit importants Le moins d’opérations possibles avant la lecture • pas de changement d’intensité, rapport des faisceaux – Ecriture holographique simple à effectuer • • • pas de pompage de chargement électrique de chauffage/refroidissement, … – Information rapidement disponible (temps de réponse court) Cristaux photoréfractifs répondent à ces critères © Centre Spatial de Liège 2002 10

Centre Spatial de Liège Université de Liège Cristaux Photoréfractifs 1. Figure de franges créée par interférence de 2 faisceaux 2. Charges générées par photo-excitation dans les zones claires, migrent et sont piégées dans les zones sombres Champ de charges d’espaces créé entre zone claires et sombres © Centre Spatial de Liège 2002 11

Centre Spatial de Liège Université de Liège Cristaux Photoréfractifs 3. Effet électro-optique linéaire (Pockels) : Indice de réfraction n est modulé par le champ de charges d’espace Enregistrement d’un réseau d’indice en volume (hologramme épais) 4. Processus dynamique et réversible Support holographique enregistrable in-situ, réversible © Centre Spatial de Liège 2002 12

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Cristaux Photoréfractifs Familles de cristaux – Sillénites : Bi 12 Si. O 20 (BSO), Bi 12 Ge. O 20 (BGO), Bi 12 Ti. O 20 (BTO) – Ferro-électriques : Li. Nb. O 3, Ba. Ti. O 3, KNb. O 3, KTN, SBN, … – Semi-conducteurs : Cd. Te, Zn. Te, As. Ga, In. P, … ¨ Figures de mérite Dn = Dnsat (1 -exp(-t/t)) – Densité d’énergie d’écriture à saturation : Es = t. I – Efficacité de diffraction : h = Idiff/Iref ~ (Dn)2 © Centre Spatial de Liège 2002 13

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Cristaux Photoréfractifs Propriétés particulières – Configuration “Anisotropie de diffraction” • Cristal = demi-onde sur faisceau diffracté • Polarisation diffractée Polarisation incidente Polarisation transmise • Maximisation du contraste de l’interférogramme par analyseur – Configuration “Couplage” : Isotropie de diffraction • Couplage entre onde transmise/onde diffractée constante de couplage G • Maximisation du contraste de l’interférogramme lorsque © Centre Spatial de Liège 2002 14

Centre Spatial de Liège Université de Liège © Cristaux Photoréfractifs ¨ Sillenites : BSO - BGO - BTO ES ~ 1 -10 m. J/cm 2, h~ 0. 1 %, G~ 0. 5 cm-1 ¨ Ferroelectrics : Li. Nb. O 3 - KNb. O 3 - Ba. Ti. O 3 - SBN. . . ES ~ 1 -10 J/cm 2, h~ 100 %, G ~ 1 - 40 cm-1 ¨ Semiconductors : Cd. Te - Zn. Te - Cd. Zn. Te. … ES ~ 0. 1 -1 m. J/cm 2, h~ 1 %, G ~ 0. 5 cm-1 Centre Spatial de Liège 2002 15

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Interférométrie holographique photoréfractive Interféromètre transportable : (1993 - 1997) – – – © laser : YAG pompé par diodes, 500 m. W, 532 nm séparateur de faisceaux lentille illumination objet filtrage/agrandissement faisceau référence imagerie + cristal piézo dans trajet référence (décalage de phase) Centre Spatial de Liège 2002 16

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Interférométrie holographique photoréfractive Applications – Mesures statiques : contrôle non destructif (détection de défauts) Interférogramme obtenu avec stimulation thermique (40 X 55 cm 2) Image de phase calculée Image de phase déroulée puis différenciée verticalement Ik(x, y)=I 0(x, y) [1+m(x, y) cos(f(x, y)+bk)] p. ex. k=4 © Centre Spatial de Liège 2002 17

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Interférométrie holographique photoréfractive Applications (suite) – Visualisation d’un mode de vibration d’une aube de turbine © Centre Spatial de Liège 2002 18

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Interférométrie holographique photoréfractive Caméra holographique compacte (1998 - ) – Tête optique : L=25 cm, diam=8 cm 1 kg – Laser : VERDI 5 W – Lumière guidée par fibre optique (5 m, Transmission 80%, 5 W inj. ) – Rack mobile incluant : • laser + alimentation • électronique de contrôle de la caméra © Centre Spatial de Liège 2002 19

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Interférométrie holographique photoréfractive Applications – Contrôle non destructif : détection de défauts dans des soudures entre câbles plats (10 x 5 cm 2) © Centre Spatial de Liège 2002 20

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Interférométrie holographique photoréfractive Applications (suite) – Métrologie de déplacements : calibration de lamelles piézoélectriques agissant comme capteurs ou actuateurs pour contrôle actif de structures (40 x 25 cm 2) © Centre Spatial de Liège 2002 21

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Interférométrie holographique photoréfractive Applications (suite) – Mesure du Coefficient d ’Expansion Thermique d ’un tube en fibre de carbone par comparaison du mouvement relatif entre sa section (1 cm 2, surligné en blanc) et la base sur laquelle il est posé. © Centre Spatial de Liège 2002 22

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Interférométrie holographique photoréfractive Applications (suite) – Détection d’empreintes digitales (coll. Ecole Royale Militaire) Accentuation des empreintes © Centre Spatial de Liège 2002 23

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Interférométrie holographique photoréfractive 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) doublé en fréquence : 532 nm (adapté aux cristaux) impulsion : 3 ns (cristaux répondent à la nanoseconde) énergie : 0 à 400 m. J/impulsion taux de répétition : 0, 1 à 30 Hz © Centre Spatial de Liège 2002 24

Centre Spatial de Liège Université de Liège Interférométrie holographique photoréfractive Première Impulsion : Ecriture holographique Seconde Impulsion : Lecture holographique Mesure de phase f : • Cam 1 : I = I 01 (1+m sin f) • Cam 2 : I = I 02 (1+m cos f) © Centre Spatial de Liège 2002 25

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Interférométrie holographique photoréfractive Interférométrie holographique en régime impulsionnel – Mesure de vibrations : technique à 4 impulsions Balayage en fréquence Apparition d ’un mode de résonance © Centre Spatial de Liège 2002 26

Centre Spatial de Liège Université de Liège Interférométrie holographique photoréfractive – Limitations majeures : • impulsion laser unique : besoin de protocoles de déclenchement et synchronisation complexes de l ’impulsion • balance en énergie entre les 2 impulsions • 10 sec entre 2 mesures de Af. – Besoin d ’une nouvelle source laser • YAG déclenché • 2 impulsions : délai variables énergies différentes – Besoin de têtes holographiques améliorées • • • © PHIFE • Vibrations • Aérodynamique nouvelles configurations nouveaux cristaux (e. g. Cd. Te) nouvelles méthodologies (mémoire de front d ’onde) Centre Spatial de Liège 2002 27

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Interférométrie holographique photoréfractive Interféromètre en apesanteur : Fluid Science Laboratory (FSL) , Station Spatiale Internationale Variations de n intégrées le long de la ligne de vue © Centre Spatial de Liège 2002 28

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Interférométrie holographique photoréfractive Instrument embarqué – FSL : Diagnostics multiples des fluides • • Interférométrie speckle Interférométrie différentielle (Wollaston) Schlieren Interférométrie holographique – Design de base : Bobine film thermoplastique – Proposition MRC/CSL : remplacer par BSO – Pourquoi le BSO ? – Contrainte de l ’expérience holographique : • Temps de réponse à l ’écriture : 50 ms • laser YAG faible puissance : 150 m. W (532 nm) © Centre Spatial de Liège 2002 Cristal sensible 29

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ Interférométrie holographique photoréfractive Interféromètre holographique de FSL – Application aux phénomènes stables – Application aux phénomènes instables • Contrainte – Enregistrement rapide – Au moins 1000 lectures – Validation du fonctionnement sous radiations (en cours) – Construction du hardware © Centre Spatial de Liège 2002 30

Centre Spatial de Liège Université de Liège ¨ OPTRION : Start-Up du Groupe Optique Non Linéaire – Commercialisation • Caméras holographiques • Fibres optiques monomodes haute puissance (VERDI) • Cristaux photoréfractifs certifiés – Service aux industriels • mesure de vibration • contrôle non destructif © Centre Spatial de Liège 2002 31