Brevet FR2047036A1 — publié le 19710312

La présente invention concerne les obturateurs de lumière. De nombreux types d'obturateurs optiques (ou de lumière) ont été utilisés antérieurement dans les sjstèmes de transmission optique. L'utilisation de matières ferro-électriques dans les 5 obturateurs de lumière donne la possibilité de réaliser un obturateur optique avec une mémoire ("obturateur à mémoire" ou "interrupteur" ). : ; ' On sait par exemple qu'un faisceau lumineux se propageant suivant l'axe cartésien des £ est polarisé linéairement sous un 10 angle de 45° par rapport à l'axe des x à l'aide d'un polariseur et ce faisceau polarisé arrive sur une plaque ferro-électrique dont le moment bi-polaire est polarisé en permanence (par rémanence) dans la direction des Si l'on admet que l'épaisseur de ladite plaque est telle que le retard correspondant à la valeur de la polar.isa- d1 onde 15 tion remanente de la plaque est un nombre pair de demi-longueur/ > le faisceau lumineux émis est encore polarisé linéairement, parallèlement à l'axe des x. Par conséquent, un analyseur faisant un angle droit (croisé) avec le polariseur doit éteindre le faisceau lumineux. L'ensemble est dit "bloqué". Si la plaque ferro-électri-20 que est amenée, par exemple par application d'une impulsion de tension, à un état différent de polarisation qui présente une biréfringence différente au faisceau lumineux incident, l'analyseur n'éteint plus le faisceau lumineux. On dit que le système est à l'état "passant". Ainsi, le système constituerait un simple obtu-25 rateur optique avec une mémoire. Cependant, les cristaux ferro-électriques ordinaires ne peuvent être commutés par une seule impulsion de tension que d'un premier état de polarisation rémanente dans une direction donnée à un second état de polarisation rémanente dans la direction .opposée. Ces deux états de polarisa-30 tion rémanente présentant la même biréfringence pour le faisceau lumineux, ces cristaux ne peuvent pas être employés dans l'obturateur optique simple décrit ci-dessus, sauf si une série nombreuse, assez compliquée et soigneusement réglée, d'impulsions de tension est appliquée au cristal ferro-électrique. Une telle série 35 d'"impulsions de tension nécessite des circuits de commande compliqués et coûteux. C.E. Land a découvert qu*une mince plaque de céramique au zirconate de plomb - titanate de plomb se comporte comme un cristal 70 22858 ( 2 2047036 uniaxe quand elle est polarisée dans une direction particulière. On a observé que la biréfringence de cette plaque varie à peu près comme le carré de la polarisation rémanente. Par conséquent, si l'on peut faire varier la polarisation entre zéro et la satura-5 tion, on peut observer une variation maximale de. biréfringence et par conséquent de retard de phase optique. Cette variation, comme indiqué ci-dessus,, n'est pas facilement obtenue avec des matériaux cristallisés simples. . - On a découvert, conformément à l'invention, que les caracté-10 ristiques de commutation des céramiques ferro-électriques à grains fins (c'est-à-dire de dimensions inférieures ou égales à environ 2 microns) diffèrent considérablement des caractéristiques de commutation des cristaux ferro-électriques simples (par exemple titanate de baryum, sulfate de triglycine) et. qu'on peut faire 15 passer la polarisation rémanente d'une plaque de céramique à grains fins d'un premier état de polarisation rémanente à un second état de polarisation rémanente (y compris une polarisation moyenne nulle) en appliquant simplement une impulsion de tension d'amplitude contrôlée. De plus, l'intensité de la polarisation rémanente subsis-20 tant dans la céramique ferro-électrique à grains fins après l'application d'une impulsion de tension dépend uniquement de l'amplitude de l'impulsion et non de sa durée, tant que cette durée dépasse une certaine, valeur, par exemple 1 ms. Par conséquent, les premier et second états intermédiaires de la céramique ferro-25 électrique à grains fins faisant subir des réfractions doubles différentes à un faisceau de lumière incidente se propageant dans la direction de l'axe dès z, un Interrupteur de lumière de réalisation simple, du type à mémoire, peut être réalisé avec ce type de céramique associé à des polariseurs et analyseurs croisés. Un 30 retardateur à déphasage variable peut également être réalisé à partir de cette céramique à condition qu'on puisse obtenir des états de polarisation intermédiaire variables par des champs électriques appropriés. Dans une réalisation particulière de-la présente invention,, on-35 choisit une plaque de céramique ferro-électrique à.grains fins contenant 65% de zirconate de plomb et 35 % de titanate de plomb, en poids, avec deux atomes °/<> de lanthane ajoutés sous forme d'oxyde de lanthane (céramique PZT 65/35- 2$ La). Après une préparation 70 22858 3 2047036 appropriée comportant une polarisation préalable du cristal, décrite en détail ci-après, on dépose des électrodes métalliques d'indium sur une grande face de cette céramique. Cette céramique est placée entre un couple polariseur-analyseur croisé. Un fais-5 ceau de lumière arrivant sur le polariseur est transmis par la - piaque de céramique et l'analyseur. On choisit de préférence l'épaisseur de la céramique et son orientation de manière que la différence de chemin optique entre les rayons"ordinaires et extraordinaires (s'ils sont d'intensité égale) se propageant dans la 10 céramique^ soit un -nombre entier de longueurs d'onde après qu'une impulsion suffisamment longue et énergique de tension appliquée à l'électrode a amené la céramique ferro—é1ectrique à"grains fins à l'état de polarisation rémanente maximale (saturation). Dans ces conditions, l'analyseur éteint le faisceau de lumière et le système 15 est dit bloqué. A un instant prédéterminé, une autre impulsion de tension, d1 amplitude et de durée appropriées mais de signe opposé à celui de l'impulsion antérieure, est appliquée aux électrodes. Ensuite, la céramique ferro-électrique est dans un état de polarisation rémanente moyenne nulle et donne lieu-à un écart de chemin 20 optique'différent pour les rayons ordinaires et extraordinaires qui la traversent. Parvconséquent, le faisceau lumineux sort en général polarisé elliptiquement de la céramique. Par suite, une partie de cette lumière traverse l'analyseur et est recueillie pour être utilisée dans un photomultiplicateur. Par conséquent, le système 25 constitue un obturateur de lumière à mémoire. L'état bloqué est caractérisé de-préférence par une propor-• tion inférieure de lumière diffusée qu'à l'état passant, pour obtenir un rapport passanl^ bloqué plus élevé. On peut obtenir ce résultat en choisissant 1'épaisseur'de la céramique de manière 30 qu'à l'état bloqué sa polarisation corresponde à un taux inférieur de diffusion afin d'obtenir' un état bloqué-caractérisé par une ex-' tinction du faisceau lumineux par l'analyseur plus près d'être totale.- • • - D'autres objets et avantages de 1*invention -seront mieux 35 compris "à la lecture dé la description■qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés dans lesquels -• - La figure 1 représente schématiquement en perspective un obturateur de lumière à mémoire comportant une plaque de céramique 70 22858 4 2047036 ferro-électrique à grains fias selon, l'invention ; - La figure.2 représente graphiquement les impulsions de tension appliquées à la céramique pour expliquer un mode de fonctionnement du système représenté sur la figure 1 ; et 5 - La figure 3 représente graphiquement les rapports d'inten sité passant/bloqué obtenus avec un mode de fonctionnement particulier d'une réalisation particulière de l'obturateur optique de la figure 1. - Gomme 1\indique la figure 1, une source de lumière 11r par 10 exemple un laser hélium-néon, émet un faisceau de lumière non polarisée se propageant dans la direction des z. Un polariseur 12 transmet seulement un faisceau polarisé dont le plan du vecteur électrique fait un angle de 452 avec les axes & et Ce faisceau traverse ensuite une plaque 13'de céramique ferro-électrique à 15 grains fins. Une impulsion de tension provenant d'une source 14 de tension puisée est appliquée à une grande face 13 A de la plaque de céramique 13 par des électrodes d'aluminium 15A et 15B en contact physique avec des électrodes d'indium 16A et 16B. La lumière sortant de la plaque de céramique 13 traverse un analyseur 17 qui 20 fait un angle de 902 (croisé) avec le polariseur 12. Ensuite, l'a lumière est recueillie pour l'emploi par un photomultiplicateur 18. Comme l'indique la figure 2, une première impulsion d'amplitude V et de durée A t^ est appliquée par la source 14 de tension puisée aux électrodes 15Â et 15B„ Le champ électrique créé ainsi 25 parallèlement à l'axe des £ dans la plaque de céramique 13 entre les électrodes 16A et 16B fait passer cette plaque à un premier état de polarisation rémanente moyenne maximale. Une seconde impulsion d'amplitude Vg et de durée Atg est appliquée.au bout d'un temps arbitrairement prédéterminé, après, à la plaque Î3 par la 30 source puisée 14 ; la plaque 13 est ensuite dans un second état de polarisation rémanente moyenne nulle» La biréfringence de la plaque 13 dans le premier état diffère évidemment de celle dans le second état.. L'épaisseur de la plaque 13 de céramique est choisie de manière que, en régime bloqué, dans lequel la plaque de céra-35 mique est dans le premier état de polarisation maximale moyenne, la biréfringence de-ladite plaque 13 fait tourner le plan de polarisation du. faisceau lumineux de 1802 ou d'un multiple entier de. 1802 (c'est-à-dire provoque un retard égal à un nombre entier 70 22858 5 2047036 de demi-longueurs d'onde). Dans ce régime bloqué, l'analyseur 17 éteint le faisceau lumineux avec un fond minimal provenant de la diffusion par la plaque de céramique 13* Dans le second état de polarisation de la plaque de céramique 15, c'est-à-dire gprès la 5 seconde impulsion le faisceau lumineux est transmis au moins partiellement par l'analyseur 17 et est recueilli aux fins d'utilisation par lè photomultiplicateur tS. La céramique 13 ferro-électrique à grains fins, par exemple du type "PZT 65/35-2^ La"à grains de dimension nominale voisine de 10 un micron, fournie par la Clevite Corporation, est au départ sous forme de disques d'environ 9,5 mm de diamètre et mm d'épais seur. Ces disques sont rodés à une épaisseur finale de 37 microns, le rodage final réalisant un poli optique des deux côtés. Ces disques minces sont décotipés en rectangles d'environ 5 x 2,5 mm et 15 recuits à l'air à 7002C pendant10 mn. Ils sont ensuite refroidis lentement au passage par le point de Curie (330&C) pour éviter un choc thermique. Deux électrodes 15A et 15B d'aluminium sont déposées par vaporisation sur une face de la plaque 13 dé céramique à grains fins de forme rectangulaire et espacées de manière à former 20 un intervalle d'environ 1,5 mm entre elles. La plaque rectangulaire 13 est ensuite prépolarisée en appliquant un champ d'environ 20 kY/cm à une température élevée d'environ I502C» Enfin, des électrodes d'indium 161 et 16B sont déposées par vaporisation sur la même face de la plaque 13 que les électrodes d'aluminium 15A et 25 15B, de manière à être en contact respectivement avec celles-ci, comme l'indique la figure 1, en laissant un intervalle d'environ 125 microns le long d'un canal de 1 mm de longueur. Les échantillons terminés sont fixés sur des supports en ïéflonCpolytétrafluoré-thylène), non représentés, destinés à réduire les courants de fuite 30 entre les connexions et à réaliser un soutien mécanique. La figure 2 représente une courbe type de en fonction du temps, Vjjj étant la tension d'entrée appliquée aux: électrodes 15A et 15B pour un mode d'utilisation particulier du système de la figure 1. Par exempley l'impulsion Y^ a. une amplitude d'environ 35 300 Y et une durée At^ de 1 "ms ou plus, tandis que l'impulsion Y2 a une amplitude de 150 Y et une durée à t2 d'également 1 ms ou plus. Pendant lfintervalle de temps arbitrairement prescrit entre les impulsions et Vg, le système représenté sur la figure 1 est à 70 22858 6 2047036 l'état bloqué et le faisceau lumineux est éteint par l'analyseur 17, tandis qu'après l'impulsion Y^ le système est à l'état passant et le faisceau lumineux est transmis en partie par l'analyseur 17. Par conséquent, le système de la figure 1, utilisé avec la tension 5 appliquée représentée sur la figure 2r constitue un obturateur de lumière à mémoire. Il va de soi qu'un compensateur (non représenté) par exemple du type Babinet-Soleil peut être intercalé quelque part entre le polariseur 12 et l'analyseur î?. Ce compensateur, comme connu, est 10 utile pour modifier dans une certaine mesure le trajet biréfringent parcouru par le faisceau lumineux. Si l'on utilise le système de la figure 1 de la manière indiquée sur la figure 2, la figure 3 représente les résultats obtenus pour le rapport d'intensités "passant/bloqué" en fonction 15 de l'intervalle de temps A t. At représente les durées égales des deux impulsions et Y,,, c'est-à-dire le cas où At = At^ = On rappelle par ailleurs que la plaque de l'obturateur utilisé pour les mesures reportées sur ce graphique est une céramique PZT 65/35 -- 2$La, de 37 mm d'épaisseur, l'intervalle entre les électrodes 16A 20 et 16B étant de 125 microns, les impulsions de passage à l'état' bloqué Y^ = 3QO Y et les impulsions de commutation à l'état passant Yg = ~f50 Y. Un "coude" de la courbe de la figure 3, vers une milliseconde, indique que les durées d'impulsion At^ et ^tg peuvent varier à condition qu'elles dépassent 1 ms. Ceci est à 25 l'origine des avantages des céramiques ferro-électriques à grains fins, par opposition à d'autres céramiques ferro-électriques pour lesquelles cette caractéristique est absente. Ce coude indique que tant que les durées ci,'impulsion At^ et A dépassent 1 ms environ» le rapport passant/bloqué dépassera environ 18 dB, à condition 30 que les amplitudes et ^es impulsions soient choisies de manière appropriée, avec une certaine latitude. Il est évident que le système de la figure 1 peut être utilisé comme voltmètre pour mesurer la tension maximale de l'onde de tension appliquée aux électrodes 16A et 16B par la source 14. Ceci 35 est vrai tant que les composantes importantes du développement en série de 3?ourier de ladite onde correspondent à une fréquence égale ou. inférieure à 1 kHz et que la forme d ' onde est uniquement positive ou négative. 70 22858 7 2047036 On a également observé qu'en recommençant les opérations décrites ci-dessus de préparation par chauffage et prépolarisation de la plaque de céramique 13 suivie d'un seul recuit, on obtient une céramique "super-polarisée" dont on peut faire varier la pola-5 risation rémanente entre 0 et la saturation par une source de tension puisée pour laquelle On peut ainsi simplifier dans une mesure les circuits de la source de tension puisée par rapport à ceux nécessaires pour le cas Y^ = -2Y^ décrits ci-dessus, à savoir V1 = 300 V et Yg = -150 V. " 10 De plus, dans une matrice-ferro-électrique adressable dans le plan des x, y_, l'emploi d'une céramique ferro-électrique superpolarisée à grains fins obtenue comme décrit ci-dessus permet de réduire considérablement la diaphonie entre l'emplacement unique adressé et les nombreux emplacements non adressés avec la même 15 coordonnée x ou jr, par rapport aux cristaux ferro-électriques simples de la technique antérieure. Ceci a pour origine le fait que, dans le cas d'une céramique ferro-électrique à grains fins, contrairement à celui d'un cristal simple ferro-électrique, une impulsion d'amplitude V^/2 appliquée à l'emplacement non adressé 20 n'influe pas autant - et de loin - sur son état de polarisation, que l'impulsion d'amplitude Y^ appliquée à l'emplacement adressé. Ceci est à son tour la conséquence du fait que dans un cristal simple ferro-électrique une impulsion d'amplitude Y^/2 persistant pendant un temps suffisant,amènera le cristal simple ferro-élec-25 trique dans un état de polarisation rémanente complètement saturée, tandis que dans le cas d'une céramique ferro-électrique à grains fins, une impulsion d'amplitude Y^/2 durant aussi longtemps ou même plus amènera la céramique ferro-électrique à grains fins seulement dans un état intermédiaire de polarisation rémanente. 30 Bien qu'on ait observé que l'emploi de l'indium pour les électrodes métalliques 16A et 16B permet, en tout, de faire décrire Q plus de 10 cycles de passage à la plaque de céramique 13, on peut remplacer l'indium par d'autres métaux. De plus, les électrodes 15A et 15® peuvent être avantageusement réalisées en chrome doré ou en 35 un autre métal ou alliage stable connu à la place de l'aluminium. 70 22858 8 2047036 Bien que le matériau préféré pour la plaque ferro-électrique 13 soit. le. titanate-zirconate de plomb. .(PZT) 'dopé au lanthane, on. peut également employer d'autres, matériaux.pour ladite, plaque 13• Par exemple, on peut., également, utiliser comme matière ferro-électrique 5 le PZT dopé au bismuth, bien qu'on ait observé que sa biréfringence acquise soit plus, faible que celle du PZT dopé au lanthane. De plus, on pourra également employer pour cela d'autres céramiques ferro-électriques à grains fins, à mesure .qu'elles deviendront disponibles. 10 II va de soi que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre » 70 22858 9 2047036 REVENDICATIONS 1» Obturateur de lumière comportant une plaque ferro-électrique avec deux électrodes métalliques placées sur une seule grande face de celle-ci et délimitant un intervalle entre elles et un 5 dispositif pour appliquer successivement au moins deux impulsions de tension à ces électrodes/ caractérisé en ee que la première impulsion est de polarité opposée à la seconde et en ce que la plaque ferro-électrique est en une matière céramique ferro-électrique à grains fins, la première impulsion étant suffisante pour tO amener la polarisation moyenne rémanente de la plaque à une valeur nettement différente de zéro,tandis que la seconde impulsion est suffisante pour amener ladite polarisation moyenne rémanente à une valeur sensiblement égale à zéro. 2. Obturateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que f5 ladite plaque est constituée essentiellement par du zirconate- titanate de plomb. 3. Obturateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport pondéral zirconate de plomb/titanate de plomb est d'environ 65/35• 20 4. Obturateur de lumière selon la revendication 2, caractérisé en ce que le titanate-zirconate de plomb est dopé avec environ deux atomes % de lanthane. 5. Obturateur de lumière selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un analyseur et un polariseur sont plaeés de chaque côté 25 de la grande face de ladite plaque. 6. Obturateur de lumière selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une source de lumière projette un faisceau de lumière sur 1'analyseur. 7. Obturateur de lumière selon la revendication 1, caractérisé 30 en ee que le premier état de polarisation est un état de polarisation sensiblement saturé de ladite plaque.