La caractérisation des miroirs utilisés sur les lignes de lumière de SOLEIL pour focaliser le rayonnement à des dimensions de quelques centaines de nanomètres nécessite le développement d’instruments de mesures non disponibles commercialement. Le Groupe Optique de SOLEIL a ainsi dû concevoir, en collaboration avec la société EOTECH, un microscope spécifique permettant d’atteindre le niveau de précision attendu pour la caractérisation des optiques de SOLEIL.
La résolution requise pour la caractérisation de ces optiques doit être inférieure à 1 nm avec une reproductibilité avoisinant les 0,1 nm. Plusieurs instruments sont nécessaires à l’observation des pièces optiques : chaque instrument est performant pour une gamme spatiale spécifique : le laboratoire de métrologie du Groupe Optique dispose d’instruments permettant l’observation de défauts dont la dimension latérale est supérieure à 500 µm en utilisant un profilomètre optique et/ou un analyseur de front d’onde de type Shack-Hartmann. Cependant, le besoin d’optiques de plus en plus performantes en termes de qualité de focalisation contraint l’observation des défauts à des tailles bien plus petites, allant jusqu’à 50 µm. Il a donc été nécessaire de concevoir un microscope à plus fort grossissement conservant la résolution de 1 nm. Toutes ces contraintes ont amené le Groupe Optique à choisir de développer un interféromètre à balayage de phase, principe déjà bien utilisé par d’autres laboratoires de métrologie synchrotron à partir de versions commerciales d’instrument fortement modifiées.
Le résultat d’un travail en collaboration
Pour arriver à de telles performances, il est important de pouvoir contrôler tous les éléments du système de métrologie : les optiques, le contrôle d’acquisition et les calculs numériques nécessaires à la reconstruction de la topographie de la surface. De plus, il fallait un système optique le moins sensible possible à la distorsion et aux défauts de mise au point. Il était donc nécessaire de développer un objectif interférométrique télécentrique adapté au champ à observer. Plusieurs fabricants ont été contactés et seule la société EOTECH a relevé le défi d’aider le Groupe Optique à développer cet instrument à partir d’un concept d’objectif télécentrique proposé par la société MBO metrology.
Figure 1 : Interféromètre « stitching » à balayage de phase, installé en salle blanche à SOLEIL.
Dans un premier temps, un premier prototype a été développé au cours de l’année 2011 pour valider le système optique et la chaîne d’acquisition et, à l’été 2012, une version finale a été installée dans le laboratoire de métrologie du Groupe Optique, dans une pièce dédiée, à la température et à l’hygrométrie contrôlées (figure 1). Afin de pouvoir mesurer la surface totale de l’optique, celui-ci est monté sur une table de translation. La topographie totale du miroir est reconstruite par raccordement des images prises successivement sur le miroir (figure 2). Une répétabilité à mieux que 0,2 nm a été obtenue au cours du cycle de mesure.
Figure 2 : Image d’un miroir plan reconstruite à partir de 35 images locales successives.
De futures comparaisons de mesures sont prévues avec d’autres laboratoires de métrologie dans le cours de l’année 2013 afin de mieux analyser la résolution de l’instrument. L’instrument étant complètement modulable et modifiable, les caractéristiques de cet instrument seront amenées à évoluer dans le futur.
Ce travail a reçu des financements de la Région Ile de France : SESAME 2007, convention # F-08-1097/R et de l’Agence Nationale de la Recherche, 09- NANO-008-AXOC.