Assemblage d’un polarimètre à lame quart d’onde rotative

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 :

Source : thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=1564

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);
}

La lame quart d’onde située à l’intérieur de la pièce rotative, fixée à l’aide de la monture imprimée en 3D

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

Le polariseur est collé sur la monture du mileu, lui aussi avec de la colle blanche. La photodiode est collée sur la plaque arrière avec de la colle chaude.

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.

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