Mois : février 2022

Avec le laser stabilisé en température et le polarimètre version 1, j’ai pu mesurer les états de polarisation suivants :

Mélange de deux polarisations (non polarisé)

Explication : la lame quart d’onde a soit aucun impact (zéro degré par rapport à la polarisaion), soit transforme une partie en polarisation circulaire. Puisque les deux polarisations orthogonales ont une intensité égale, la moitié passe le polariseur devant la photodiode et le signal reste constant.

Polarisation horizontale

Explication : La lame quart soit n’a aucun impact (signal maximal, toute la polarisation passe le polariseur devant la photodiode), soit retire la moitié du signal lorsqu’elle est à 45 degrés (la polarisation est complètement transformée en circulaire, et le polariseur filtre la moitié du signal).

Polarisation verticale

Explication : La lame quart d’onde soit n’a aucun impact, à zéro degré (le polariseur bloque complètement la polarisation à 90 degrés, signal à 0), soit elle convertit complètement le signal en polarisation circulaire lorsqu’elle est à 45 degrés (le polariseur en filtre la moiité et le signal est à 1/2 de la valeur d’intensité).

Transition entre les deux polarisation orthogonales

Polarisation circulaire

Explication : La polarisastion circulaire est convertie en polarisation linéaire par la lame quart d’onde, qui tourne ensuite l’axe de polarisaion linéaire. Cela prend donc une rotation de 90 degrés pour passer d’un maximum à un minimum, parce qu’elle passe à travers un autre polariseur linéaire. La période est deux fois plus grande parce que la lame quart d’onde doit tourner deux fois plus (90 degrés vs 45 degrés).

Mélange entre polarisation linéaire et circulaire

Développements futurs

Le moteur utilisé est simplement un moteur DC sans encodeur et sans régulation de vitesse, ce qui crée des variations, et l’orientation absolue n’est pas accessible. Pour différencier entre la polarisation linéaire et la polarisation circulaire, on remarque que l’information en fréquence est importante. En faisant la transformée de Fourier, on pourrait retrouver le poids des composantes circulaires et linéaires.

Si on s’attend à n’avoir que de la polarisation linéaire, le système proposé par siliconsam dans son laser régulé en température fonctionne mieux, car on peut échantillonner simultanément les deux états, à l’aide d’un cube beamsplitter polarisant et de deux photodiodes, le tout sans pièces mécaniques et sans traitement de signal, ce qui rend le tout très simple.

La position angulaire absolue de la lame quart d’onde permettrait de différencier entre les deux polarisation circulaires (gauche et droite) qui sont décalés en phase de 90 degrés. En ce moment, en regardant seulement le signal sinusoidale sans tenir en compte de l’angle, c’est impossible de voir la différence, parce que le signal passe de zéro au maximum d’intensité dans les deux cas.

L’information en phase et en fréquence est donc aussi importante que l’intensité dans le temps. Le premier débroussaillage est fait, pour la suite, une meilleure optomécanique est nécessaire.

Le mois passé, je suis tombé sur une boîte contenant du matériel optique que j’avais acheté au bac, inspiré par les laboratoires de Travaux pratiques d’optique photonique et de Fibre optique. Il y avait un paquet de lames quart d’onde en mica (spruce pine mica co part no 1000-0236), une paire de polariseurs circulaires provenant de lunettes de cinéma 3D, et une feuille de polariseur linéaire dichroique. Partant de ce matériel et d’un schéma rudimentaire du polarimètre de thorlabs :

je me suis dit que j’avais assez d’information en main pour construire mon propre polarimètre, pour la modique somme de pas mal moins que le 5861$US de la version de Thorlabs (ou encore 6750$US pour celui d’Edmund).

La complexité de l’optomécanique réside dans le fait que l’on veut faire tourner la lame quart d’onde selon son axe central, qui est aussi l’axe optique; autrement dit, l’axe de rotation doit être dégagé de tout matériel. C’est pas un requis très commun dans le monde de la mécanique et de la robotique. Après avoir investigué rapidement comment faire tourner un bearing sur lui-même sans grand succès, je suis tombé sur ce kit : Servocity Gear Drive Pan Kit for 37mm Spur Gear Motor. Il est vendu comme la base d’un systèm pan/tilt vertical (axe de rotation autour du z). La particularité est que l’axe central est un tube avec des bearings extérieurs, ce qui est parfait pour mon assemblage.

J’ai imprimé une première pièce pour coller ma lame quart d’onde avec de la colle blanche ordinaire :

$fn=50;
difference(){
cylinder(d=31.5,h=2);
cylinder(d=13,h=2);
}

J’ai également placé une photodiode et un polariseur linéaire dichroique pour compléter l’assemblage.

Monture pour le polariseur :

$fn=50;

difference(){
cube([42,42,7]);
translate([8,8,0]) cube([26,26,7]);
translate([5,0,7/2]) rotate([-90,0,0]) cylinder(d=4.5,h=42);
translate([42-5,0,7/2]) rotate([-90,0,0]) cylinder(d=4.5,h=42);
}

Monture pour la photodiode :

$fn=50;

difference(){
cube([42,42,7]);
translate([18,0,3]) cube([6,24,4]);
translate([5,0,7/2]) rotate([-90,0,0]) cylinder(d=4.5,h=42);
translate([42-5,0,7/2]) rotate([-90,0,0]) cylinder(d=4.5,h=42);
}

La photodiode est branchée dans un ampli transimpédance au gain ajusté correctement avec une résistance. La sortie est envoyée à un analog input de l’arduino. Le sketch utilisé est simplement l’exemple Graph :

void setup() {
// initialize the serial communication:
Serial.begin(9600);
}

void loop() {
// send the value of analog input 0:
Serial.println(analogRead(A0));
// wait a bit for the analog-to-digital converter to stabilize after the last
// reading:
delay(2);
}

Avec le delay pour ajuster la fréquence d’échantillonage (ici, 500Hz). J’utilise la fonction traceur série intégré à l’IDE (outils -> traceur série)

Un moteur DC de 37mm de diamètre, 1100 rpm et 12V est utilisé avec une simple source de puissance à plusieurs voltages, ce qui permet de sélectionner sa vitesse. L’engrenage du système pan a un ratio 4.2:1 et j’opère le moteur à basse vitesse, environ 30rpm. Dû au couplage inconstant entre les engrenages et la friction, une petite variation dans la vitesse de rotation est observée, ce qui affecte la précision de la lecture de polarisation. Dans une version ultérieure, on pourrait utiliser un stepper qui fournirait une bien meilleure précision angulaire.

C’est un premier prototype pour identifier les défis à relever pour la suite. Dans un prochain article, je parlerai des mesures obtenues.