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Jan 15, 2024

Interféromètre à lumière blanche ultramince à l'échelle picométrique

Scientific Reports volume 12, Numéro d'article : 8656 (2022) Citer cet article 1810 Accès aux détails des métriques L'interférométrie en lumière blanche est une technique bien établie avec des précisions diverses

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 8656 (2022) Citer cet article

1810 Accès

Détails des métriques

L'interférométrie à lumière blanche est une technique bien établie avec diverses applications de précision. Cependant, les interféromètres conventionnels tels que Michelson, Mach-Zehnder ou Linnik sont de grande taille, nécessitent un alignement fastidieux pour obtenir des franges de lumière blanche et nécessitent des techniques d'isolation du bruit pour obtenir des résultats inférieurs. stabilité nanométrique et, surtout, présentent une dispersion déséquilibrée provoquant une incertitude dans la référence de retard zéro absolu. Ici, nous démontrons un interféromètre à lumière blanche ultra-mince permettant une résolution picométrique en exploitant la division du front d'onde d'un faisceau lumineux incohérent à large bande après transmission à travers une paire de plaques de verre identiques d'une épaisseur micrométrique. Le chevauchement spatial entre les deux fronts d'onde divisés diffractés produit facilement des franges de lumière blanche stables et à contraste élevé, avec une référence sans ambiguïté à la position absolue du retard de trajet nul. Les franges colorées évoluent lorsque l’une des plaques ultrafines est tournée pour régler l’interféromètre avec une résolution picométrique sur une plage de plusieurs dizaines de µm. Notre analyse théorique valide la formation de franges et met en évidence l'auto-étalonnage de l'interféromètre pour les mesures à l'échelle picométrique. Nous démontrons la mesure de la longueur de cohérence de plusieurs sources incohérentes à large bande aussi petites que quelques micromètres avec une résolution pico-échelle. De plus, nous proposons une configuration polyvalente à double passage utilisant l'interféromètre ultra-mince permettant une cavité d'échantillon pour des applications supplémentaires dans le sondage des propriétés dynamiques de la matière.

Les interféromètres à lumière blanche sont des outils clés pour la mesure non invasive et sans contact de la topographie de surface via l'interférométrie à balayage vertical, la caractérisation des couches minces, la mesure de la dispersion des composants optiques et pour caractériser les propriétés de cohérence des sources optiques1,2,3,4,5, 6,7. Les interféromètres à lumière blanche sont généralement basés soit sur la division en amplitude, soit sur la division du front d'onde d'un faisceau lumineux8. Pour obtenir une interférence de lumière blanche avec de tels interféromètres, la différence de chemin optique (OPD) entre ses deux bras doit être adaptée à la longueur de cohérence de la source à large bande, qui est généralement de quelques cycles optiques9,10. Les interféromètres basés sur la division d'amplitude tels que les configurations Michelson, Mach-Zehnder, Mirau ou Linnik8,11 sont des systèmes multi-composants dans lesquels il devient difficile d'obtenir une référence automatique répétable à une position de retard zéro absolu. De plus, l'interféromètre doit être stabilisé contre divers bruits acoustiques, mécaniques ou autres en utilisant des approches actives ou passives qui rendent ces systèmes de grande taille avec un alignement fastidieux. Bien que la résolution pico-échelle ait déjà été démontrée avec des interféromètres laser compacts scannés via des étapes de traduction piézoélectrique12,13,14, peu de travaux ont atteint une résolution et une stabilité pico-échelle avec un interféromètre à lumière blanche. De plus, pour effectuer des mesures quantitatives, il est essentiel d'équilibrer la dispersion des matériaux dans un interféromètre à lumière blanche avec une référence sans ambiguïté à une différence de marche nulle absolue, ce qui est difficile avec les conceptions conventionnelles. La position du retard sur le trajet zéro est une référence essentielle d'un interféromètre et est généralement estimée à l'aide d'une analyse dans le domaine temporel telle que la méthode de l'amplitude de l'enveloppe utilisant des interférogrammes en lumière blanche15.

Auparavant, des interféromètres à division de front d'onde, tels que le classique à double fente de Young ou le bi-prisme de Fresnel, étaient utilisés pour obtenir des franges de lumière blanche statique, mais sans beaucoup d'accordabilité8,16,17. Bien que des interféromètres accordables aient été conçus en exploitant la division du front d'onde par miroirs divisés plans, sphériques ou toroïdaux, ou par plaques de verre ultra-minces, ils ont principalement été utilisés avec des impulsions ultrarapides cohérentes comme lignes à retard optiques pour la spectroscopie pompe-sonde. Les conceptions basées sur des miroirs divisés ne produisent pas directement des interférogrammes de lumière blanche avec une lumière incohérente en raison de la longueur de cohérence intrinsèque à l'échelle microscopique des sources lumineuses à large bande, des fluctuations de la longueur du trajet de l'interféromètre et du manque d'accordabilité à l'échelle pico-échelle. On peut se demander s’il est possible de concevoir un interféromètre à lumière blanche à division de front d’onde compact et réglable offrant une stabilité et une résolution à l’échelle picométrique avec une référence sans ambiguïté au retard absolu du trajet zéro.