CDC-photopolymères - Construction en Photonique
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1/9 E t ud e e n t e m p s ré e l d e s p rop ri é t é s d ’ u ne ré s i ne p hot op ol y m é ri s a b l e Élèves : Partenaire : Adresse : Parrain du projet : Tél : Fax : E-mail: Financement : MULLER André - SILVA Nicolas - FACHE Gaétan I.P.C.M.S. 23 rue du Loess BP 43 67034 STRASBOURG Alberto Barsella (33) 3 88 10 70 90 (33) 3 88 10 72 45 [email protected] Lycée Jean Mermoz - I.P.C.M.S. A. Définition du cahier des charges L’objectif de ce chapitre est de saisir et d’énoncer le besoin, c’est-à-dire l’exigence fondamentale nécessitant la mise en œuvre du système. A.1. Analyse du besoin A.1.1. Saisie du besoin Il est actuellement possible de créer un réseau de franges rectilignes dans une fine couche de résine photopolymérisable placée entre deux lames de microscope. Il faut pour cela faire interférer 2 faisceaux faisant un certain angle entre eux. La longueur d’onde d’émission du laser doit être adaptée à la sensibilité de la résine (exemple ; faisceau vert issu d’un laser YAG doublé en fréquence). Les zones de l’échantillon éclairées par les franges d’interférence subissent alors une variation locale d’indice de réfraction à cause de la réaction de polymérisation. Cette fine couche de résine devient un réseau de phase capable de diffracter la lumière. Afin de caractériser le photopolymère, il faut concevoir un montage optique qui permette de mettre en évidence les variations des propriétés physiques dans les zones polymérisées. Ces variations doivent être suivies en temps réel (pendant l’enregistrement). D’autre part, pour bien connaître les performances de la résine, il est nécessaire de faire varier dans de grandes proportions le pas du réseau photo-inscrit. Ceci afin de pouvoir utiliser les résines à meilleur escient par la suite et d’envisager de nouvelles applications (capteurs de la dimension du micromètre ou moins). Projet à contenu technique affirmé et en collaboration avec une entreprise. Lycée Jean Mermoz - 68300 SAINT-LOUIS S.T.S. Génie optique option Photonique 16/04/2017 582648435 2/9 A.1.2. Énoncé du besoin À qui rend-il service ? Sur quoi agit-il ? Les scientifiques Une résine photopolymérisable Système d’inscription et de lecture d’un réseau Dans quel but existe-t-il ? Connaître les performances d’une résine photopolymérisable cadre 1 : Diagramme bête à cornes. A.1.3. Validation du besoin Pourquoi ce besoin existe-t-il ? Besoin de connaissance sur les caractéristiques physico-chimiques du photopolymère (variation d’indice, taux de polymérisation, limite de résolution … ) Contrôle de la qualité d’une résine photopolymérisable. Création de réseaux de diffraction. Qu’est-ce qui peut le faire disparaître ? Le faire évoluer ? Détermination des caractéristiques de l’échantillon à la fabrication. Apports d’extensions au système pour de plus grandes possibilités de polymérisation. Utilisation de supports mieux adaptés. Conclusion : Ce besoin est bien réel, donc validé. Lycée Jean Mermoz - 68300 SAINT-LOUIS S.T.S. Génie optique option Photonique 16/04/2017 582648435 3/9 A.2. Étude de faisabilité Le besoin étant validé, il s’agit de recenser et d’expliquer dans ce chapitre les satisfactions et performances attendues du système. A. 2 . 1 . I d e n t i f i c a t i o n d e s f o n c t i o n s Résine photopolymérisable FP2 FC1 Normes Propriétés de la résine photopolymérisable FP1 Système d’inscription et de lecture d’un réseau FC4 Exigences de fabrication FC3 FC2 Milieu extérieur Ergonomie cadre 2 : Diagramme pieuvre. Fonctions principales FP1 Inscrire un réseau à l’aide de franges d’interférences. FP2 Lire le réseau afin de le qualifier. Fonctions contraintes Assurer la sécurité de l’utilisateur d’un point de vue électrique, mécaFC1 nique et optique. FC2 Etre compact et facile d’utilisation. FC3 Fonctionner dans le milieu ambiant (laboratoire de mise en œuvre). FC4 Respecter les exigences de fabrication disponible au lycée et a l’IPCMS. Lycée Jean Mermoz - 68300 SAINT-LOUIS S.T.S. Génie optique option Photonique 16/04/2017 582648435 4/9 A.2.2. Critères à respecter Classe Flexibilité Niveau F0 Nulle Impératif F1 Faible Peu négociable F2 Moyenne Négociable F3 forte Très négociable Critères Niveaux Flexibilités FP1 : Inscrire un réseau à l’aide de franges d’interférences Faisceau laser Séparatrices Filtre spatial Lentilles Prisme YAG doublé 1 = 532 nm (dans le domaine de sensibilité de la résine) Puissance adaptée à la résine 50-50 Expanseur (faisceaux collimatés) F0 Injection du faisceau sous de fortes incidences F2 Helium-Neon 2 = 633 nm (hors du domaine de sensibilité de la résine) Autre laser pour réseau très fin Enregistrement à vitesse élevée Analyser les images en temps réel F2 F0 F2 F0 FP2 : Lire le réseau afin de le qualifier Faisceau laser Camera à capteur CCD Logiciel de traitement d’images F3 F0 F1 FC1 : Assurer la sécurité de l’utilisateur d’un point de vue électrique, mécanique et optique Mise à la terre du matériel électrique Eviter la propagation des faisceaux parasites. sécurité totale. F0 Dimensions : taille d’un marbre (1.20m x 2m)? Enregistrement des images F0 FC2 : Etre compact et facile d’utilisation. Système à dimensions restreintes Logiciel convivial F3 FC3 : Fonctionner dans le milieu ambiant (laboratoire de mise en œuvre). Marbre Lumière ambiante ou obscurité. Isolation vibratoire sur chambre à air F1 Parc machine F1 FC4 : Respecter les exigences de fabrication Machine outil disponible au lycée Matériel disponible à l ‘IPCMS. Lycée Jean Mermoz - 68300 SAINT-LOUIS S.T.S. Génie optique option Photonique 16/04/2017 582648435 5/9 A.3. Recherche des solutions Pour les solutions constructives non précisées, il s’agit de faire un inventaire des solutions et de choisir la plus appropriée. FP1 Générer des franges d'interferences FT1-1 Emettre un faisceau laser Laser YAG FT1-2 Filtrer le faisceau laser Filtre spatial FT1-3 collimater le faisceau laser lentille ou miroir FT1-4 Séparer le faisceau laser Séparatrice FT1-5 Injecter un faisceau laser FP2 Caractériser le réseau FT2-1 Emettre un faisceau laser Prisme Laser He-Ne FT2-2 Diffracter Photodiode ou capteur CCD Visualiser le réseau Caméra à capteur CCD FT2-3 Légende : FP : Fonction principale, FT : Fonction technique, FC : Fonction contrainte, SC : Solution constructive. ( ) : Coefficient de difficulté de mise en œuvre de la fonction (1 : facile et/ou rapide, …, 4 : long et/ou difficile). Lycée Jean Mermoz - 68300 SAINT-LOUIS S.T.S. Génie optique option Photonique 16/04/2017 582648435 6/9 B. Principes mis en œuvre B.1. Schéma de principe cadre 1 : Création de franges d’interférence. Inscription et lecture d’un réseau de pas supérieur à 1 µm Rayon rouge = Faisceau He-Ne Rayon vert = Faisceau YAG doublé Bleu = Aluminium (cale d’épaisseur) Brun = Huile optique Blanc = Lame de microscope Rose = Résine initiale (monomère) Rose rayé = Résine polymérisée cadre 2 : Création d’un réseau de pas supérieur à 1 µm Inscription et lecture d’un réseau de pas inférieur à 1 µm Rayon rouge = Faisceau He-Ne Rayon vert = Faisceau YAG doublé Bleu foncé = Aluminium (cale d’épaisseur) Bleu clair = Prisme Blanc = Lame de microscope Rose = Résine initiale (monomère) Rose rayé = Résine polymérisée cadre 3 : Création d’un réseau de pas inférieur à 1 µm Lycée Jean Mermoz - 68300 SAINT-LOUIS S.T.S. Génie optique option Photonique 16/04/2017 582648435 7/9 Schéma détaillé du principe de la lecture Exemple : par comparaison d’images cadre 4 : Lecture d’un réseau par comparaison d’images Exemple : par mesures de l’angle de diffraction et du rendement de diffraction cadre 5 : Lecture par réflexion d’un réseau de diffraction Lycée Jean Mermoz - 68300 SAINT-LOUIS S.T.S. Génie optique option Photonique 16/04/2017 582648435 8/9 B.2. Explications fondamentales Il y a deux grandes parties pour ce projet : - Inscrire des réseaux de diffraction de différents pas - Recueillir les informations concernant le réseau inscrit B.2.1. Inscrire un réseau de diffraction. Des faisceaux concourants dans le volume de mesure interfèrent et forment un réseau de franges planes et paral lèles d’interfrange (voir cadre 1) : i 2 sin Les franges sont perpendiculaires au plan de la résine et l’inscription se fera essentiellement dans l’épaisseur de la résine sur la plage éclairée La résine est sensible à la longueur d’onde 532 nm et polymérise aux endroits où les interférences sont constructives. Cependant son épaisseur est de l’ordre du 1/10 mm et elle doit être placée entre 2 lames de verre. Le coefficient de réflexion sur chaque interface reste faible si les angles sont inférieurs à 45° mais il augmente ensuite de plus en plus rapidement avec l’angle ; d’où une perte considérable d’énergie. Pour obtenir les franges, on peut utiliser dans un premier temps une séparatrice et un jeu de miroirs. Si les faisceaux font un angle faible entre eux (voir cadre 2), le pas du réseau sera grand (supérieur au µm). Ce montage simple est satisfaisant tant que les incidences restent faibles car les coefficients de réflexion sur les interfaces restent faibles. Si les faisceaux font un angle élevé entre eux (voir cadre 3), le pas du réseau sera faible (inférieur au µm). Dans ce cas, si l’on ne veut pas perdre trop d’énergie, il faut envisager un autre montage plus complexe utilisant par exemple des prismes. B.2.2. Recueillir les informations concernant le réseau inscrit. Le réseau devra être lu et caractérisé à une longueur d’onde à laquelle la résine n’est pas sensible. On peut envisager de lire le réseau de phase par comparaison d’images (voir cadre 4). On peut comparer les images recueillies sur une caméra avant polymérisation et après polymérisation. On peut aussi envisager de mesurer le pas et le rendement de diffraction à l’aide d’un montage type goniomètre (voir cadre 5). Les résultats des informations obtenues devront être corrélés aux propriétés physico-chimiques de la résine. Lycée Jean Mermoz - 68300 SAINT-LOUIS S.T.S. Génie optique option Photonique 16/04/2017 582648435 9/9 C. Démarche du projet Travail demandé Séances Élèves (4 H) 2 1, 2, 3 A1 Analyse du besoin A.1.1 Saisie du besoin : Compléter le cas échéant le paragraphe A.2.1. A.1.2 Énoncé du besoin : Compléter le cas échéant le paragraphe A.2.2. A.1.3 Validation du besoin A2 Étude de faisabilité A.2.1 Identification des fonctions : 2 1, 2, 3 Mettre les éléments ext. en relation avec le produit. Formuler le but visé pour chacune des relations. A.2.2 Caractérisation des fonctions : Compléter les colonnes caractéristiques et critères. A3 Caractérisation des fonctions A.3.1 Recherche de solutions : 3 1, 2, 3 Compléter le FAST. Proposer un maximum de solutions, ne pas en éliminer à priori. Rechercher des solutions existantes ou similaires. Consulter publications, articles, anciens rapports… Approfondir les connaissances sur le sujet en optique, électronique, mécanique, informatique… A.3.2 Évaluation des solutions : 3 1, 2, 3 Critique des différentes solutions issues du FAST. Choix de la solution retenue. Montage simple avec du matériel disponible au laboratoire ou mis à disposition par l’entreprise permettant de démontrer la faisabilité du projet. REVUE CRITIQUE N°1 : DEMONSTRATION DE FAISABILITÉ (01 et 05 février 2010) A4 Définition du projet Définition exacte de la solution finale : 9 Choix des composants. Réalisation dessins d’ensemble et de définition. Schémas structurels. Programme informatique. Répartition du travail (voir A.3.) : 1, 2, 3 Recherche des solutions 1,3 Montage et réglages mécaniques 1,2 Partie optique (étude théorique et mise en œuvre des éléments) 2,3 Conception et programmation informatique REVUE CRITIQUE N°2 : VALIDATION DE LA DÉFINITION DU PROJET (23,26 et 30 avril 2010) A5 Mise en œuvre 9 1, 2, 3 Montage, assemblage, ... Réalisation, réglages, … Après la mise en œuvre de la partie réalisée par chaque étudiant, intégration finale et mise au point. A6 Homologation et conclusions 10 1, 2, 3 Faire les mesures demandées dans le cadre du projet. Analyser les performances du système. Rédiger le rapport de projet. Total :38 Rédiger éventuellement une notice d’utilisation. REVUE CRITIQUE N°3 : ANALYSE DES PERFORMANCES DU SYSTÈME – RÉSULTATS OBTENUS (7 et 11 juin 2010) 1 :André Muller 2 :Gaétan Fache 3 :Nicolas Silva Lycée Jean Mermoz - 68300 SAINT-LOUIS S.T.S. Génie optique option Photonique 16/04/2017 582648435
