Brevet FR2034606A1 — publié le 19701211

La présente invention concerne les dispositifs de balayage par laser. L'orientation ou le balayage du faisceau lumineux est réalisé en général par l'utilisation de prismes électro-optiques ou par la diffusion de BRILLOUIN à partir d'une colonne acoustique qui a été créée par un transducteur piézo-élec-5 trique. Un exemple de diffusion de BRILLOUIN sans balayage est montré dans le brevet américain n° 3 392 366 de BREWER et al. Un tel brevet montre comment le liquide engendre une onde acoustique quand il est soumis à un faisceau laser intense d'une fréquence donnée f^, une que onde acoustique se déplaçant à travers le liquide dans la même direction que le faisceau laser. L'onde pro-10 gressive acoustique qui a été excitée par le faisceau laser se comporte alors comme un miroir semi-transparent, réfléchit une partie du faisceau laser original et transmet le reste du faisceau laser original. Ce faisceau diffusé connu dans la technique de l'art antérieur sous le nom de "diffusion de BRILLOUIN stimulée" CSBS), a une fréquence f qui est inférieure à la fréquence 15 f^ du faisceau laser initial. En outre, l'onde acoustique qui est engendrée possède une fréquence si élevée et les crêtes de l'onde sont si rapprochées les unes des autres que la lumière "diffusée" est effectivement réfléchie par l'onde acoustique. L'onde acoustique diffuse ou réfléchit la lumière à l'angle de Bragg 20 a, 5Ù, Sin a = —7 ,A est la longueur d'onde du faisceau laser, X est s -s la longueur d'onde de l'onde acoustique et a est l'angle entre les fronts d'onde acoustique et le faisceau lumineux diffusé. Un faisceau obtenu par diffusion de Brillauin stimulée est un faisceau à énergie élevée qu'il serait très souhaitable d'utiliser pour le balayage. Des prismes électro-optiques 25 pourraient être utilisés pour dévier un tel faisceau diffusé, mais de tels prismes ne permettent le balayage que sur des angles relativement faibles. La présente invention réalise le balayage en commandant la direction dans laquelle la diffusion de Brillouin stimulée se produit. Celle-ci se ' produit dans la direction pour laquelle le gain net (gain moins perte) de 30 l'onde lumineuse diffusée et de l'onde acoustique engendrée est maximum. La source normale de gain dans la diffusion de Brillouin stimulée est due au couplage paramétrique de l'onde acoustique et des ondes optiques par 1'intermédiai re du phénomène d'électro-sriction. Un tel gain est exploité dans cette invention. Cependant, ce qui n'est pas enseigné dans l'art antérieur, c'est la 35 commande de la direction du faisceau lumineux diffusé utilisant une source supplémentaire de gain à savoir le gain acoustique ou par une onde acoustique dans un semi-conducteur piézo-électrique en présence d'un champ électrique continu. En envoyant un faisceau laser dans un semi-conducteur piézoélectrique pour y créer la diffusion de Brillouin stimulée la direction du faisceau 40 acoustique créé peut être modifiée en changeant soit l'amplitude du champ conti 70 06054 2 2034606 nu appliqué au semi-conducteur pieza-électrique, soit la directon dans laquelle ce champ continu est appliqué audit semi-conducteur. Ainsi, dans la présente invention un semi-conducteur piezo-électrique est choisi pour être soumis à un faisceau laser intense de l'ordre de 50 2 2 5 milliwatts/cm à 20 mégawatts par cm , ou plus. Le faisceau laser engendre une onde acoustique dans le semi-conducteur cette onde acoustique est toujours créée à l'angle de Bragg. L'amplitude du champ continu appliqué au semi-conducteur pendant la présence de l'onde acoustique, est modifiée. Une telle modification de l'amplitude modifie la direction de parcours de l'onde 10 acoustique, qui à son tour modifie la direction de la lumière diffusée par rapport à l'onde acoustique, produisant un effet de balayage.Dans un autre schéma, l'amplitude du champ continu appliqué au semi-conducteur est maintenue constante mais la direction du champ continu est modifiée, entrainant un chanr gement dans la direction de l'onde acoustique traversant le cristal et un 15 changement conséquent dans la direction du faisceau laser diffusé par rapport à telle onde. Le balayage réalisée de cette nouvelle façon se fait avec un angle qui est de plusieurs ordres de grandeur supérieur à celui réalisé avec des prismes électro-optiques et la quantité de lumière diffusée sera beaucoup plus grande que la quantité diffusée par la diffusion de BRILLOUIN norma-20 le. En conséquence, un objet de cette invention est de réaliser un dispositif de balayage amélioré. Un autre objet dB l'invention est de fournir un dispositif de balayage à rendement élevé qui effectue le balayage sur un grand angle. 25 Un autre objet de l'invention est d'obtenir un dispositif de balayage utilisant les principes de la diffusion de BRILLOUIN stimulée. D'autres objets caractéristiques et avantages de la présente invention, ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. 30 La figure 1 est une réalisation de l'invention utilisant un cristal semi-conducteur piezo-électrique et un champ électrique appliqué audit cristal pour obtenir la diffusion de BRILLOUIN stimulée dans la direction du champ électrique. La figure 2 décrit le fonctionnement du dispositif de la figure 1 quand 35 la direction du champ électrique est modifiée. La figure 3 décrit le fonctionnement du dispositif quand l'amplitude du champ électrique est modifiée pendant la diffusion de BRILLOUIN stimulée. La figure 4 décrit comment se passe le balayage du faisceau laser diffusé lors du changement de l'amplitude du champ électrique appliqué au transducteur. 40 La figure 5 est un graphique représentant la perte acoustique dans le 70 06054 3 2034606 cristal en fonction du champ électrique appliqué au cristal pour aider à la compréhension de l'effet de balayage de l'invention. Dans la figure 1 on montre un cristal piézo-électrique anisotrope 2 d'un matériau semi-conducteur tel que CdS, ZnS ou ZnO etc... Pour illustrer le 3 5 fonctionnement de l'invention, on choisit un cristal de 1 cm d'un cristal piézo-électrique adéquat, par exemple CdS, et un réseau diviseur de tension 4, comprenant des résistances 6A, 6B... 6E et des électrodes SA, 8B... BF qui est placé sur la face supérieure 10 du cristal 2 et un réseau diviseur de tension similaire comprenant des résistances 10A...1ÛE et des électrodes 10 12A...12F qui est placé sur la face 12 qui est parallèle à la face 10. Les sources de tension 14 et 16 fournissent un champ électrique continu uniforme sur toute la longueur du cristal 2. La source de tension 16 est variable. L'orientation du champ continu 19 dans la figure 1 se produit quand la source de tension variable 18 est à un potentiel égal à 0. Quand un faisceau de 15 lumière cohérente polarisée 20 provenant d'une source laser 22, pénètre dans le cristal 2, une onde acoustique 21 est créée qui se propage dans la direction du champ continu 19, et le faisceau diffusé 20' est déterminé par l'angle de Bragg. Dans le fonctionnement de l'invention comme établi dans la figure 1, 20 le faisceau laser 20 qui peut être du type à impulsion ou à onde continue, pénètre dans le cristal 2 et y crée la diffusion de BRILLOUIN stimulée. C'est-à-dire que le faisceau laser 20 crée une onde progressive acoustique à l'intérieur du cristal 2. L'onde acoustique ainsi créée se comporte alors comme un miroir semi-transparent, transmettant une partie du faisceau laser 25 original et réfléchissant ou diffusant l'autre partie du faisceau laser original. Une telle réflexion se produira à l'angle de Bragg pour lequel le gain net de l'onde lumineuse diffusée et de l'onde acoustique créée est maximum. C'est ce faisceau réfléchi qui est analysé. On suppose, comme vu dans la figure 2, que la source de tension 14 et 30 la source de tension 16 sont chacune à 500 volts et que la source de tension variable 16 varie de manière continue de la tension 0 à la valeur de 100 volts. Quand la source de tension 18 est à 100 volts, le point P est à 400 volts et le point Q est à - 100 volts. En conséquence, il se produit une variation dans les lignes équi-potentielles, représentées par les lignes en pointillées 35 1, du fait que les électrodes 8A et 12B sont chacune à 400 volts, les électrodes 6B et 12C sont à 300 volts etc... On voit que lorsque la source de tension 16 fonctionne de sorte que sa tension de sortie varie de manière continue, la direction du champ continu 19 variera alors d'un angle représenté par . Ainsi, le balayage est réalisé par le simple fait de modifier la direction 40 du champ électrique dans un semi-conducteur piézo-électrique. Comme la direc 70 06054 4 2034606 tion du champ électrique est modifiée en faisant varier l'orientation des lignes équipotentielles 1, la direction de la perte acoustique minimum est modifiée. En conséquence, pour un faisceau incident fixé 20, l'onde acoustique qui participe à l'interaction de la diffusion de BRILLOUIN stimulée est modifiée. 5 Puisque l'angle de Bragg est toujours le mime pour la diffusion de Brillouin stimulée, c'est la direction du vecteur K de la lumière diffusée ou csll8 du faisceau lumineux 20' qui est modifiée. La mise en oeuvre de l'invention établie dans les figures 1 et 2 montre comment on obtient le balayage d'un faisceau polarisé par l'utilisation de 10 la diffusion de Brillouin stimulés dans un semi-conducteur piézo-électrique pour créer une onde acoustique dans le semi-conducteur et pour changer alors la direction de l'onde acoustique engendrée en modifiant la direction du champ électrique dans ce semi-conducteur. La figure 3 est une modification des figures 1 et 2, en ce que le balayage est obtenu en modifiant l'amplitu-15 de du champ électrique E appliqué au cristal semi-conducteur 2, mais en maintenant l'orientation des lignes équi-potsntielles 1 inchangée. Ainsi, tandis que le faisceau laser 20 rencontre le cristal 2, les amplitudes des sources de tension 14 et 16 sont accrues, augmentant la valeur des lignes équi-potentielles 1. 20 On comprendra mieux en se référant aux figures 4 et 5, comment la lumiè re diffusée qui est réfléchie à partir de l'onde acoustique créée par le faisceau laser 20 est déviée quand l'amplitude du champ électrique E est accrue. La figure 5 est un graphique représentant l'absorption de l'énergie acoustique lorsque l'onde se propage dans le milieu de support de l'onde. 25 L'augmentation du champ E est rreprésentée par la direction de la flèche sur l'axe des abcisses, les pertes positives sont représentées sur l'axe des ordonnées au-dessus du point "0" et les pertes négatives sont sur l'axe des ordonnées au-dessous du point "0". Selon le graphique représenté dans la figure 5, la courbe C montre que le gain maximum de l'onde acoustique à travers 30 _ le cristal 2 se produit quand le champ électrique a une valeur de E^. Si on désire représenter par un graphique la puissance P de l'onde acoustique en e-aL fonction de la profondeur de pénétration dans le cristal 2, alors P = Po où Po représente la puissance originale du faisceau acoustique, L est la longueur de parcours dans le cristal 2 et a est le coefficient d'absorption du 35 cristal 2. La valeur de qui correspond à la valeur E^ sur la courbe est négative, de sorte que P a une valeur plus grande que Po pour cette valeur négative. Si le champ électrique E a une valeur plus grande que E^, alors le gain maximum de l'onde acoustique n'est plus dans la direction du champ électrique E, mais 40 dans la direction de Em. Ainsi, quand le champ électrique croît au delà de 70 06054 5 2034606 E^, le gain maximum d'une telle onde acoustique est dans la direction de E = E cos 9. Puisque la perte acoustique a une valeur minimum a qui se m " m produit pour une valeur spécifique du champ électrique appelée E , alors lors m que le champ électrique appliqué croît au-delà de E , la perte minimum ne se m 5 produit plus dans la direction du champ électrique mais dans la direction 8 où E cos 8 = E . Ainsi, en augmentant E, la valeur de B doit croître pour m maintenir E constant et une telle modification des valeurs de 8 est la cau-m se effective du balayage du faisceau laser original 20 par l'onde acoustique \ créée par laser. La figure 4 décrit les différentes valeurs de 8 pour les 10 valeurs différentes de E. La présente invention utilise deux sources de gain pour réaliser un.dispositif de balayage efficace. En premier en utilisant le principe de la diffusion de BRILLOUIN stimulée, une onde acoustique est toujours engendrée dans la direction du gain maximum dans un semi-conducteur, toutes les autres on-15 des acoustiques ne sont pas engendrées dans le semi-conducteur. Ensuite en changeant soit l'amplitude d'un champ électrique dans le semiconducteur, soit la direction de ce champ électrique dans le semi-conducteur, on maintient le gain maximum dans le semi-conducteur mais on change la direction de ce gain maximum dans le semi-conducteur. En conséquence, on obtient 20 un dispositif de balayage rapide efficace et simple. En outre, le dispositif de balayage est applicable à des faisceaux lumineux» cohérents monochromatiques, tels que les lasers de sorte qu'un faisceau intense de lumière pourra être dévié. Dans la réalisation de l'invention de la figure 2 où le champ électrique est 3 25 directement emmagasiné, des valeurs représentatives pour 1 cm d'un semiconducteur piézo-électrique 2 sont de 1500 volts pour les sources 14 et 16 et une gamme de + 100 volts pour la source de tension variable 18. L'angle d'ana lyse est + 3,83°. Dans la réalisation de l'invention de la figure 3 où le champ électrique est balayé en modifiant l'amplitude de la tension appliquée 30 au cristal 2, les sources de tension originales 14 et 16 sont de 1000 volts et pour les augmentations progressives de tensions jusqu'à 1200 volts on obtient un angle de balayage 8 jusqu'à environ 4,8°. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réa-35 lisation préférée de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 70 06054 6 2034606 REVENDICATIONS 1. Dispositif de balayage caractérisé en ce qu'il comprend : - un corps semi-conducteur piézo-électrique, - un dispositif pour créer un champ électrique à l'intérieur dudit corps semi-conducteur dans une direction donnée dans ledit corps semi-conducteur, 5 - un dispositif pour créer la diffusion de Brillouin stimulée dans ledit semi-conducteur et, - un dispositif pour augmenter l'amplitude ou modifier la direction dudit champ électrique de manière continue de façon à effectuer une variation continue de la direction de ladite diffusion. 10 2. Dispositif de balayage selon la revendication 1 caractérisé en ce que : - ledit corps semi-conducteur est du CdS, ou du ZnS ou du ZnO. 3. Dispositif de balayage caractérisé en ce qu'il comprend : - un corps semi-conducteur piézo-électrique, 15 - un dispositif pour créer un champ électrique à l'intérieur dudit corps semi-conducteur dans une direction donnée dans ledit corps semi-conducteur, - un dispositif pour appliquer un faisceau cohérent monochromatique audit corps semi-conducteur pour engendrer une onde acoustique dans la direction dudit champ électrique, grâce à quoi une partie dudit faisceau est réfléchie 20 à un angle prédéterminé par rapport à ladite onde acoustique engendrée, et un dispositif pour modifier de manière continue la direction dudit champ électrique à l'intérieur du corps semi-conducteur de façon à effectuer un changement continu de la direction dudit faisceau réfléchi. 25 4. Dispositif de balayage caractérisé en ce qu'il comprend : - un corps semi-conducteur piézo-électrique, - un dispositif pour créer un champ électrique dans une direction donnée dans ledit corps semi-conducteur, - un dispositif pour appliquer un faisceau cohérent monochromatique audit 30 corps semi-conducteur pour engendrer une onde acoustique dans la direction dudit champ électrique, grâce à quoi une partie dudit faisceau est réfléchie à un angle prédéterminé par rapport à ladite onde acoustique engendrée et, - un dispositif pour augmenter continuellement l'amplitude dudit champ électrique à l'intérieur du corps semi-conducteur, de façon à effectuer un 35 changement continu dans la direction dudit faisceau réfléchi. 5. Dispositif de balayage selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit 70 06054 7 2034606 faisceau provient d'un laser. 6. Dispositif pour dévier un faisceau laser caractérisé en ce qu'il comprend un milieu dans lequel on obtient la diffusion de Brillouin stimulée dudit faisceau et> 5 - un dispositif pour appliquer un champ électrostatique variable audit milieu de façon à modifier de manière continue la direction dudit faisceau diffusé.