Spectroscopic analysis of white light interferograms for dispersion and profile measurements
Interférométrie spectrale pour la mesure de dispersion et la géométrie de surface
Résumé
The aim of this PhD work is to build an optical system measurement for characterization of large fields graded index and aspherical lenses. To achieve a complete structure characterization (spatial variation of index and surface profile) we have developed a spectral interferometer. This set-up allows to observe white light channelled spectrum carrying spectral phase information.
One of the originality of this work comes from the use of a white light supercontinuum source generated in a single-mode microstructured fiber. This source offers exceptional performances as a broadband continuous spectrum, a high power density and a high spatial coherence which authorizes the study of rarely tested components.
The spectral interferograms need to be numerically treated in order to perform phase calculation. Profile measurements lead to periodic interferograms and are treated by a seven points algorithm phase calculation, while dispersion measurement leads to aperiodic interferograms and are treated by a simultaneous time-frequency analysis (wavelets transform) combined with a least square fitting method applied on the intensity curve.
The experimental results shows the various abilities of spectral interferometry as : nanometric resolution of profile determination, high resolution of group refractive index measurements (10-3), and simultaneous characterization of chromatic and geometrical aberrations of optical imaging systems.
One of the originality of this work comes from the use of a white light supercontinuum source generated in a single-mode microstructured fiber. This source offers exceptional performances as a broadband continuous spectrum, a high power density and a high spatial coherence which authorizes the study of rarely tested components.
The spectral interferograms need to be numerically treated in order to perform phase calculation. Profile measurements lead to periodic interferograms and are treated by a seven points algorithm phase calculation, while dispersion measurement leads to aperiodic interferograms and are treated by a simultaneous time-frequency analysis (wavelets transform) combined with a least square fitting method applied on the intensity curve.
The experimental results shows the various abilities of spectral interferometry as : nanometric resolution of profile determination, high resolution of group refractive index measurements (10-3), and simultaneous characterization of chromatic and geometrical aberrations of optical imaging systems.
L'objectif de ce travail de thèse est l'élaboration d'un instrument de mesure optique dédié à la caractérisation de lentilles à gradient d'indice et d'asphériques de grandes dimensions. Pour parvenir à une caractérisation complète de la structure : variation spatiale de l'indice et de la topographie de surface, nous avons mis en place un banc d'interférométrie spectrale. Ce dispositif conduit à l'observation de spectres cannelés en lumière blanche (faible cohérence temporelle) porteurs d'une information de déphasage spectral entre les deux ondes qui interfèrent.
L'originalité de ce travail provient de l'utilisation d'une source supercontinuum de lumière blanche généré par pompage optique dans une fibre microstructurée. Cette source aux performances remarquables en termes de : largeur spectrale, de densité de puissance et de cohérence spatiale, permet d'analyser des composants peu étudiés jusqu'à présent.
L'exploitation des interférogrammes enregistrés nécessite la mise en place de traitements numériques adaptés. Ainsi les spectrogrammes périodiques associés aux mesures profilométriques sont traités par une méthode de décalage de phase 7 points, et les spectrogrammes non périodiques correspondant aux mesures de dispersion sont traités par une technique d'analyse simultanée temps-fréquence (transformée en ondelettes) couplée à une méthode d'ajustement de l'intensité par moindres carrés.
Les résultats expérimentaux mettent en évidence les différentes possibilités de l'interférométrie spectrale, la mesure de profil de surface avec une résolution nanométrique, la mesure de la variation spectrale de l'indice de groupe avec une résolution de 10-3, et la caractérisation simultanée des aberrations chromatiques et géométriques de systèmes imageurs.
L'originalité de ce travail provient de l'utilisation d'une source supercontinuum de lumière blanche généré par pompage optique dans une fibre microstructurée. Cette source aux performances remarquables en termes de : largeur spectrale, de densité de puissance et de cohérence spatiale, permet d'analyser des composants peu étudiés jusqu'à présent.
L'exploitation des interférogrammes enregistrés nécessite la mise en place de traitements numériques adaptés. Ainsi les spectrogrammes périodiques associés aux mesures profilométriques sont traités par une méthode de décalage de phase 7 points, et les spectrogrammes non périodiques correspondant aux mesures de dispersion sont traités par une technique d'analyse simultanée temps-fréquence (transformée en ondelettes) couplée à une méthode d'ajustement de l'intensité par moindres carrés.
Les résultats expérimentaux mettent en évidence les différentes possibilités de l'interférométrie spectrale, la mesure de profil de surface avec une résolution nanométrique, la mesure de la variation spectrale de l'indice de groupe avec une résolution de 10-3, et la caractérisation simultanée des aberrations chromatiques et géométriques de systèmes imageurs.
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