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Visualisation des brouillards par holographie
Volume 4, number 1
VISUALISATION
OPTICS COMMUNICATIONS
DES
BROUILLARDS
PAR
September 1971
HOLOGRAPHIE
*
H. R O Y E R , F. A L B E et P. S U T T E R L I N Institut Franco-Allernand de Recherches de St. Louis, St. Louis (68), France
Repu le 17 juillet 1971 A technique for visualizing and counting small water droplets via holography is described. The rubylaser output was split off and one half only was expanded to form the reference beam. Hence the signal/ reference ratio was enlarged and bright images were reconstructed. The use of a T V - e a m e r a system was not necessary to record the image.
1. I N T R O D U C T I O N La p o s s i b i l i t 4 de f a i r e d e s h o l o g r a m m e s de p a r t i c u l e s en s u s p e n s i o n dans l ' e s p a c e a 4t4 4 v o q u g e ddpuis p l u s i e u r s a n n d e s [1,2]. Sur la d e m a n d e du C e n t r e d ' E s s a i s d e s P r o p u l s e u r s de S a c l a y , nous a v o n s e n t r e p r i s l ' d t u d e des b r o u i l l a r d s g i v r a n t s au m o y e n de c e t t e t e c h n i q u e . I1 s ' a g i t d ' a b o r d de v i s u a l i s e r et de c o m p t e r des gouttelettes d'eau pulvdrisdes dans l'air. Le d i a m d t r e de c e s g o u t t e s v a r i e a u t o u r de 20 m i c r o n s et la c o n c e n t r a t i o n m o y e n n e en eau e s t de l ' o r d r e du g r a m m e p a r m 3. L e flux d e s p a r t i c u l e s en m o u v e m e n t s ' i n s c r i t d a n s un c y l i n d r e de d i a m d t r e 40 c m e n v i r o n . A l ' e n r e g i s t r e m e n t c o m m e ~i la r e s t i t u t i o n , l e s p r o b l d m e s ~ r d s o u d r e sont l i d s ~ la n a t u r e p a r t i c u l i d r e de l ' o b j e t . E n effet, l e s g o u t t e l e t t e s de b r o u i l l a r d se d i s t i n g u e n t p a r l e u r v i t e s s e (jusqu'~i 100 m / s e c ) , l e u r s d i m e n s i o n s ( 2 0 ~ m en. m o y e n n e ) et l e u r f a i b l e l u m i n o s i t d . Nous e n t e n d o n s p a r hi que l ' d n e r g i e d i f f u s d e p a r c h a q u e g o u t t e en d i r e c tion de l ' h o l o g r a m m e e s t f a i b l e en r e g a r d de l a l u m i ~ r e qui s e r t ~i l e s 4 c l a i r e r .
2. LA S O U R C E L U M I N E U S E L ' u t i l i s a t i o n du l a s e r ~ i m p u l s i o n c o m m e source d'enregistrement s'impose pour ce type d ' e x p d r i e n c e : au c o u r s d ' u n e i m p u l s i o n de 30 n s e c , le d d p l a c e m e n t - donc le flou - d ' u n e p a r t i c u l e 4 v o l u a n t ~ 100 m / s e c a t t e i n t ddj~ 3 ~ m , s o i t le t i e r s du r a y o n m o y e n d e s g o u t t e s . L e s q u a l i t d s de c o h d r e n c e d e s l a s e r s ~ r u b i s sont rarement suffisantes pour l'holographie. * Les ~tudes mentionn6es dans [a pr~sente publication ont ~t~ effectu~es ~ ia demande de ia Direction technique des Constructions A6ronautiques.
C o n s i d d r a n t le p r i x de c e u x qui sont conCus s p d cialement pour ~tre monomodes, nous avons p r d f d r 4 m o d i f i e r un l a s e r de c o n c e p t i o n c o u r a n t e . L a c e l l u l e de K e r r d e s t i n d e au d d c l e n c h e m e n t de l ' i m p u l s i o n u n i q u e a 4t4 r e m p l a c d e p a r une c u v e c o n t e n a n t un l i q u i d e ~i a b s o r p t i o n s a t u r a b l e ( c r y p t o c y a n i n e + mdthanol); de p l u s , on a r d a l i s 4 un f i l t r a g e s p a t i a l dans la c a v i t 4 en l i m i t a n t la s e c tion e f f i c a c e du r u b i s p a r un d i a p h r a g m e de 2 m m de d i a m d t r e [9, 10]. A i n s i a m d n a g 4 , le l a s e r f o u r n i t une 4 n e r g i e de 40 m J a v e c une l o n g u e u r de c o h d r e n c e s u p d r i e u r e ~i 50 c m .
3. P R O C E D E D ' E N R E G I S T R E M E N T Des 4tudes effectudes prdcddemment sur ce s u j e t [3-6] ont s o u l i g n 4 l ' i n t d r ~ t du ' m o n t a g e de G a b o r ' [8] (fig. 1). O u t r e son e x t r e m e s i m p l i c i t d , c e t t e d i s p o s i t i o n o f f r e l ' a v a n t a g e de r ~ d u i r e l e s a b e r r a t i o n s de c h a m p ( v i s u a l i s a t i o n d e s o b j e t s dans l ' a x e du f a i s c e a u de r d f d r e n c e ) . E n c o n t r e p a r t i e , la p o s i t i o n de l ' i m a g e au m i l i e u du f a i s c e a u d ' d c l a i r a g e r e n d s a v i s u a l i s a tion d ' a u t a n t p l u s d i f f i c i l e que le f a c t e u r de d i f f u s i o n des g o u t t e s r e s t e f a i b l e . I1 f a i t a l o r s r e c o u r i r ~i d e s a r t i f i c e s cofiteux ( r d c e p t e u r p h o t o 4 1 e c t r i q u e + c i r c u i t de t d l d v i s i o n ) p o u r a m d l i o r e r le c o n t r a s t e et la l u m i n o s i t 4 de l ' i m a g e .
o
.~=C-
Fig.1. Hologramme de Gabor 75
Volume 4, n u m b e r 1
OPTICS COMMUNICATIONS
September 1971
..i': ~'!:.. /as,~r ~ ~bts
L Fn~#s/aoz t, obyectlt b v
~)
,,,::! .i~.::~',: ,', ,I::;
Fig.3. Schema en montage de restitution.
II
Fig.2. Seh6ma du montage de p r i s e de vue applicable (a) aux p a r t i c u l e s diffusant [a [umiere dans tout l ' e s p a c e ; (b) aux p a r t i c u [ e s diffractant [a [umi~re dans un petit angle p a r rapport au faisceau incident.
La suppression des aberrations de champ 4tant, ~ notre avis, indispensable pour une visualisation correcte, nous avons cherch4 conserver le principe d'une op4ration 'dans l'axe' tout en apportant au montage les modifactions jug4es essentielles. La fig. 2 sch4matise le dispositif adoptd, qui suscite les remarques suivantes. (i) L a s 4 p a r a t i o n d e s f a i s c e a u x p a r l a l a m e s4paratrice S permet un ajustement de la lumi6re diffusde par chaque goutte (faisceau objet) en r a p p o r t a v e c l ' 6 n e r g i e du f a i s c e a u du r6f. [7]. PlutSt que d'att4nuer cette derni~re, on maint i e n t le f a i s c e a u o b j e t d a n s s a f o r m e i n i t i a l e , c o n centr4e ~ l'int6rieur d'un cylindre de quelques mm de diam~tre. L'intensit4 diffus4e est ainsi a c c r u e d a n s u n r a p p o r t 1000. (ii) L e m o u v e m e n t d e s p a r t i c u l e s e s t p e r p e n d i c u l a i r e a u x d e u x f a i s c e a u x l u m i n e u x , de s o r t e que la phase des ondes r64mises par les particules ne varie pas pendant le temps d'exposition.
4. COMPTAGE
DES
5. RESULTATS Ce proc4d4
nous a permis
PARTICULES
La restitution se fait commoddment au moyen d ' u n l a s e r ~i g a z H e - N e e n a t t r i b u a n t l e s m S m e s p o s i t i o n s r e l a t i v e s ~ l ' h o l o g r a m m e et au f a i s c e a u de rdf4rence. Ainsi l'image virtuelle ne possSde q u e d e f a i b l e s a b e r r a t i o n s d u e s ~i l a d i f f 4 r e n c e des longueurs d'ondes d'enregistrement (~t = 6943 A) e t d e r e s t i t u t i o n ( k ' = 6328 A). U n o b j e c t i f 76
d ' a s s e z g r a n d e l o c a l e (:. 1 0 c m ) d o i t a l o r s f o r m e r une image r4elle - 4galement tridimensionelles u r l a q u e l l e p e u t s e f a i r e le c o m p t a g e a u m i c r o scope. La reproduction des volumes est li4e au relief de l ' i m a g e r 4 e l l e ; e l l e s e f a i t f i d ~ l e m e n t (au r a p p o r t k / ; t ' p r o s ) s i l ' o b j e c t i f de r e p r i s e g a r d e u n g r a n d i s s e m e n t u n i t 4 p o u r t o u t e s l e s p a r t i e s du c h a m p . E n c o r e f a u t - i l q u e l a p r o f o n d e u r de c h a m p s o i t f a i b l e , c e qui e s t le c a s ici. O n v o l t l ' i n t 4 r ~ t de r e n d r e s o l i d a i r e s l ' o b j e c t i f de r e p r i s e et le m i c r o s c o p e , c o m m e s u r l a fig. 3: e n d 4 p l a c a n t l ' e n s e m b l e o b j e c t i f + m i c r o s c o p e , on m a i n t i e n t le g r a n d d i s s e m e n t c o n s t a n t t o u t a u l o n g de l ' o b j e t . D'ofi u n e m e s u r e d i r e c t e de l a c o n c e n tration.
Fig.4.
d'obtenir des images
Volume 4, number 1
OPTICS COMMUNICATIONS
September i971
m / s e e ) . On a r e p r o d u i t s u r la fig. 5 l ' a g r a n d i s s e m e n t , dans un r a p p o r t 150, de l ' u n e de c e s p a r t i c u l e s . Son d i a m ~ t r e a p p a r e n t est de 40 ~m. T o u t e f o i s , le m o u v e m e n t de la goutte, la d i f f r a c t i o n ai n si que l e s a b e r r a t i o n s peuvent a l t 4 r e r s e n s i b l e m e n t la m e s u r e . La deuxi~me 4tape de notre recherche consistera pr4cisdment ~ r4duire l e s s o u r c e s d ' e r r e u r s en vue de m e s u r e r des diam@tres de p a r t i c u l e s a n i m 4 s de v i t e s s e s 41ev4es.
Fig.5. b r i l l a n t e s et c o n t r a s t 4 e s ~i p a r t i r de b r o u i l l a r d s synth4tisds en l a b o r a t o i r e . A t i t r e d ' e x e m p l e , la fig. 4 m o n t r e la r e s t i t u t i o n d'un jet de p a r t i c u l e s 4 m i s p a r un a t o m i s e u r ( v i t e s s e : quelques
RE FERENCES [I] M.Coady, Electron.News 25 (1966). [2] B.J.Thompson, G.B.Parrent, J.H.Ward et B. Justh, J.Appl. Meteorology 5 (1966) 343. [3] J.H.Ward et B.J.Thompson, J.Opt. Soe. Am. 57 (1967) 275. [4] B.J.Thompson, J.H.WardetW.R.Zinky, Apph Opt. 6 (1967) 519. [5] B . J . T h o m p s o n e t W . R . Z i n k y , Appi.Opt. 7 (1968) 2426. [6] M.E.Fourney, J.H.Matkin et A.P.Waggoner, Rev. Sci. Instr. 40 (1969) 205. [7] R.Hickling, J.Opt. Soc.Am. 59 (1969) 1334. [8] D.Gabor, Proc.Roy. Soc. A197 (1949) 483. [9] A. Hirth, Compt. Rend. Aead. Sci. (Paris) B268 (1969) 961. [10] A.Hirth, Opt. Commun. 2 (1970) 139.
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H. R O Y E R , F. A L B E et P. S U T T E R L I N Institut Franco-Allernand de Recherches de St. Louis, St. Louis (68), France
Repu le 17 juillet 1971 A technique for visualizing and counting small water droplets via holography is described. The rubylaser output was split off and one half only was expanded to form the reference beam. Hence the signal/ reference ratio was enlarged and bright images were reconstructed. The use of a T V - e a m e r a system was not necessary to record the image.
1. I N T R O D U C T I O N La p o s s i b i l i t 4 de f a i r e d e s h o l o g r a m m e s de p a r t i c u l e s en s u s p e n s i o n dans l ' e s p a c e a 4t4 4 v o q u g e ddpuis p l u s i e u r s a n n d e s [1,2]. Sur la d e m a n d e du C e n t r e d ' E s s a i s d e s P r o p u l s e u r s de S a c l a y , nous a v o n s e n t r e p r i s l ' d t u d e des b r o u i l l a r d s g i v r a n t s au m o y e n de c e t t e t e c h n i q u e . I1 s ' a g i t d ' a b o r d de v i s u a l i s e r et de c o m p t e r des gouttelettes d'eau pulvdrisdes dans l'air. Le d i a m d t r e de c e s g o u t t e s v a r i e a u t o u r de 20 m i c r o n s et la c o n c e n t r a t i o n m o y e n n e en eau e s t de l ' o r d r e du g r a m m e p a r m 3. L e flux d e s p a r t i c u l e s en m o u v e m e n t s ' i n s c r i t d a n s un c y l i n d r e de d i a m d t r e 40 c m e n v i r o n . A l ' e n r e g i s t r e m e n t c o m m e ~i la r e s t i t u t i o n , l e s p r o b l d m e s ~ r d s o u d r e sont l i d s ~ la n a t u r e p a r t i c u l i d r e de l ' o b j e t . E n effet, l e s g o u t t e l e t t e s de b r o u i l l a r d se d i s t i n g u e n t p a r l e u r v i t e s s e (jusqu'~i 100 m / s e c ) , l e u r s d i m e n s i o n s ( 2 0 ~ m en. m o y e n n e ) et l e u r f a i b l e l u m i n o s i t d . Nous e n t e n d o n s p a r hi que l ' d n e r g i e d i f f u s d e p a r c h a q u e g o u t t e en d i r e c tion de l ' h o l o g r a m m e e s t f a i b l e en r e g a r d de l a l u m i ~ r e qui s e r t ~i l e s 4 c l a i r e r .
2. LA S O U R C E L U M I N E U S E L ' u t i l i s a t i o n du l a s e r ~ i m p u l s i o n c o m m e source d'enregistrement s'impose pour ce type d ' e x p d r i e n c e : au c o u r s d ' u n e i m p u l s i o n de 30 n s e c , le d d p l a c e m e n t - donc le flou - d ' u n e p a r t i c u l e 4 v o l u a n t ~ 100 m / s e c a t t e i n t ddj~ 3 ~ m , s o i t le t i e r s du r a y o n m o y e n d e s g o u t t e s . L e s q u a l i t d s de c o h d r e n c e d e s l a s e r s ~ r u b i s sont rarement suffisantes pour l'holographie. * Les ~tudes mentionn6es dans [a pr~sente publication ont ~t~ effectu~es ~ ia demande de ia Direction technique des Constructions A6ronautiques.
C o n s i d d r a n t le p r i x de c e u x qui sont conCus s p d cialement pour ~tre monomodes, nous avons p r d f d r 4 m o d i f i e r un l a s e r de c o n c e p t i o n c o u r a n t e . L a c e l l u l e de K e r r d e s t i n d e au d d c l e n c h e m e n t de l ' i m p u l s i o n u n i q u e a 4t4 r e m p l a c d e p a r une c u v e c o n t e n a n t un l i q u i d e ~i a b s o r p t i o n s a t u r a b l e ( c r y p t o c y a n i n e + mdthanol); de p l u s , on a r d a l i s 4 un f i l t r a g e s p a t i a l dans la c a v i t 4 en l i m i t a n t la s e c tion e f f i c a c e du r u b i s p a r un d i a p h r a g m e de 2 m m de d i a m d t r e [9, 10]. A i n s i a m d n a g 4 , le l a s e r f o u r n i t une 4 n e r g i e de 40 m J a v e c une l o n g u e u r de c o h d r e n c e s u p d r i e u r e ~i 50 c m .
3. P R O C E D E D ' E N R E G I S T R E M E N T Des 4tudes effectudes prdcddemment sur ce s u j e t [3-6] ont s o u l i g n 4 l ' i n t d r ~ t du ' m o n t a g e de G a b o r ' [8] (fig. 1). O u t r e son e x t r e m e s i m p l i c i t d , c e t t e d i s p o s i t i o n o f f r e l ' a v a n t a g e de r ~ d u i r e l e s a b e r r a t i o n s de c h a m p ( v i s u a l i s a t i o n d e s o b j e t s dans l ' a x e du f a i s c e a u de r d f d r e n c e ) . E n c o n t r e p a r t i e , la p o s i t i o n de l ' i m a g e au m i l i e u du f a i s c e a u d ' d c l a i r a g e r e n d s a v i s u a l i s a tion d ' a u t a n t p l u s d i f f i c i l e que le f a c t e u r de d i f f u s i o n des g o u t t e s r e s t e f a i b l e . I1 f a i t a l o r s r e c o u r i r ~i d e s a r t i f i c e s cofiteux ( r d c e p t e u r p h o t o 4 1 e c t r i q u e + c i r c u i t de t d l d v i s i o n ) p o u r a m d l i o r e r le c o n t r a s t e et la l u m i n o s i t 4 de l ' i m a g e .
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Fig.1. Hologramme de Gabor 75
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September 1971
..i': ~'!:.. /as,~r ~ ~bts
L Fn~#s/aoz t, obyectlt b v
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,,,::! .i~.::~',: ,', ,I::;
Fig.3. Schema en montage de restitution.
II
Fig.2. Seh6ma du montage de p r i s e de vue applicable (a) aux p a r t i c u l e s diffusant [a [umiere dans tout l ' e s p a c e ; (b) aux p a r t i c u [ e s diffractant [a [umi~re dans un petit angle p a r rapport au faisceau incident.
La suppression des aberrations de champ 4tant, ~ notre avis, indispensable pour une visualisation correcte, nous avons cherch4 conserver le principe d'une op4ration 'dans l'axe' tout en apportant au montage les modifactions jug4es essentielles. La fig. 2 sch4matise le dispositif adoptd, qui suscite les remarques suivantes. (i) L a s 4 p a r a t i o n d e s f a i s c e a u x p a r l a l a m e s4paratrice S permet un ajustement de la lumi6re diffusde par chaque goutte (faisceau objet) en r a p p o r t a v e c l ' 6 n e r g i e du f a i s c e a u du r6f. [7]. PlutSt que d'att4nuer cette derni~re, on maint i e n t le f a i s c e a u o b j e t d a n s s a f o r m e i n i t i a l e , c o n centr4e ~ l'int6rieur d'un cylindre de quelques mm de diam~tre. L'intensit4 diffus4e est ainsi a c c r u e d a n s u n r a p p o r t 1000. (ii) L e m o u v e m e n t d e s p a r t i c u l e s e s t p e r p e n d i c u l a i r e a u x d e u x f a i s c e a u x l u m i n e u x , de s o r t e que la phase des ondes r64mises par les particules ne varie pas pendant le temps d'exposition.
4. COMPTAGE
DES
5. RESULTATS Ce proc4d4
nous a permis
PARTICULES
La restitution se fait commoddment au moyen d ' u n l a s e r ~i g a z H e - N e e n a t t r i b u a n t l e s m S m e s p o s i t i o n s r e l a t i v e s ~ l ' h o l o g r a m m e et au f a i s c e a u de rdf4rence. Ainsi l'image virtuelle ne possSde q u e d e f a i b l e s a b e r r a t i o n s d u e s ~i l a d i f f 4 r e n c e des longueurs d'ondes d'enregistrement (~t = 6943 A) e t d e r e s t i t u t i o n ( k ' = 6328 A). U n o b j e c t i f 76
d ' a s s e z g r a n d e l o c a l e (:. 1 0 c m ) d o i t a l o r s f o r m e r une image r4elle - 4galement tridimensionelles u r l a q u e l l e p e u t s e f a i r e le c o m p t a g e a u m i c r o scope. La reproduction des volumes est li4e au relief de l ' i m a g e r 4 e l l e ; e l l e s e f a i t f i d ~ l e m e n t (au r a p p o r t k / ; t ' p r o s ) s i l ' o b j e c t i f de r e p r i s e g a r d e u n g r a n d i s s e m e n t u n i t 4 p o u r t o u t e s l e s p a r t i e s du c h a m p . E n c o r e f a u t - i l q u e l a p r o f o n d e u r de c h a m p s o i t f a i b l e , c e qui e s t le c a s ici. O n v o l t l ' i n t 4 r ~ t de r e n d r e s o l i d a i r e s l ' o b j e c t i f de r e p r i s e et le m i c r o s c o p e , c o m m e s u r l a fig. 3: e n d 4 p l a c a n t l ' e n s e m b l e o b j e c t i f + m i c r o s c o p e , on m a i n t i e n t le g r a n d d i s s e m e n t c o n s t a n t t o u t a u l o n g de l ' o b j e t . D'ofi u n e m e s u r e d i r e c t e de l a c o n c e n tration.
Fig.4.
d'obtenir des images
Volume 4, number 1
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September i971
m / s e e ) . On a r e p r o d u i t s u r la fig. 5 l ' a g r a n d i s s e m e n t , dans un r a p p o r t 150, de l ' u n e de c e s p a r t i c u l e s . Son d i a m ~ t r e a p p a r e n t est de 40 ~m. T o u t e f o i s , le m o u v e m e n t de la goutte, la d i f f r a c t i o n ai n si que l e s a b e r r a t i o n s peuvent a l t 4 r e r s e n s i b l e m e n t la m e s u r e . La deuxi~me 4tape de notre recherche consistera pr4cisdment ~ r4duire l e s s o u r c e s d ' e r r e u r s en vue de m e s u r e r des diam@tres de p a r t i c u l e s a n i m 4 s de v i t e s s e s 41ev4es.
Fig.5. b r i l l a n t e s et c o n t r a s t 4 e s ~i p a r t i r de b r o u i l l a r d s synth4tisds en l a b o r a t o i r e . A t i t r e d ' e x e m p l e , la fig. 4 m o n t r e la r e s t i t u t i o n d'un jet de p a r t i c u l e s 4 m i s p a r un a t o m i s e u r ( v i t e s s e : quelques
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