Brevet FR2088404A1 — publié le 19720107

La présente invention concerne les détecteurs de radiations électromagnétiques fonctionnant suivant un principe pyroélectrique. Certains dispositifs présentent, par exemple, une réponse à des fréquences de plusieurs mahertz, sous un rayon incident porteur de fréquences infrarouges avec un niveau de puissance inférieur au watt. La détection de radiations électromagnétiques infrarouges, ctest-à-dire de radiations de longueur d'onde supérieure à 7.000 Angstros,a toujours été un peu plus difficile que la détection de radiations de plus courte longueur d'onde. Les techniques courantes impliquent la conversion de cette énergie en énergie thermique qui provoque un changement physique dans un matériau déterminé, simplement par élévation de température. Un exemple en est la cellule Golay qui mesure la dilatation d'un gaz enfermé de manière à absorber énergie infrarouge. I1 est clair que de tels effets thermiques limitent à la fois la réponse de fréquence de modulation et la sensibilité des détecteurs, et qu'au cours des années, des perfectionnements ont abouti à des dispositifs sensibles à des puissances aussi faibles que 3 x 10-7 milliwatt cps-l/2 ; un exemple de réponse de fréquence de modulation permet la détection à des fréquences qui ne dépassent pas quelques kilohertz. Le développement du laser a fait ressortir l'imperfection des détecteurs infrarouges. La plupart des lasers, et tous les lasers CW solides fonctionnent aux fréquences infrarouges ou dans leur voisinage. Par exemple, le laser à C02 qui est actuellement le plus puissant des lasers à gaz fonctionne à 10,6 microns. Bien entendu, les ingénieurs des télécommunications considèrent que les radiations cohérentes produites par les oscillations des lasers constituent une nouvelle gamme de fréquences porteuses utilisables. De nombreuses études ont été entreprises pour développer les différents éléments de circuits tels que modulateurs, oscillateurs, etc., nécessaires dans un système de télécommunication. L'avantage de l'utilisation des porteuses de haute fréquence réside dans l'amélioration de la largeur de la bande passante. Des modulateurs et certains autres éléments de circuit ont déjà fonctionné à des fréquences proches du gigahertz, et cela promet que des systèmes à porteuse laser de large bande passante seront développés. te détecteur est l'organe qui fait le plus défaut dans un tel système de télécommunication. Un détecteur utilisable doit pouvoir fonctionner à des fréquences du m8me ordre que les autres éléments de circuit. Les seuls organes compatibles avec les fréquences de l'infrarouge fonctionnent à des températures très basses (hélium liquide). Le mieux connu de ces organes est au germanium doppé au cuivre. I1 serait utile de pouvoir disposer d'un détecteur infrarouge susceptible de fonctionner à haute fréquence et utilisable aux températures normales. Une autre catégorie de détecteurs qui ont attiré l'attention fait-appel à la tension développée par l'effet pyroélectrique qui accompagne la variation de la polarisation due au chauffage par absorption de radiations. De nombreux corps sont pyroélectriques, et beaucoup d'entre eux sont très sensibles. Mais il était considéré jusqu'à ces derniers temps que la réponse de fréquence des cristaux pyroélectriques ne-dépassait pas 10 ou 100 kilohertz. Ce point est développé dans le Vol. 6 du"Japanese Journal of Applied Physics:' 120, (1967) qui décrit un tel détecteur à base de sulfate de triglycène. I1 était admis à ce moment que la réponse d'un détecteur pyroélectrique était déterminée par la variation de polarisation avec la température : dPS et dans certains cas également par la conductibilité électrique. L'hypothèse que ces organes ne pourraient fonctionner à des fréquences suffisamment élevées reposait sur les valeurs mesurées de dP5 Ainsi qu il est dit dans le Vol. 13 de "Applied Physics Letters::147 (1968) il a été récemment découvert qu'une certaine catégorie de corps ferroélectriques représentés par les cristaux mixtes de niobiate de strontium et de baryum pourraient constituer des détecteurs pyroélectriques offrant une réponse de fréquence sensiblement plus élevée. I1 était connu que ces corps présentent un amortissement acoustique sensiblement plus élevé que celui des corps pyroélectriques déjà étudiés. A partir de cette étude, l'hy- pothèse fut faite qu'une importante limitation à la réponse de fréquence serait évitée grâce aux médiocres qualités acoustiques. A partir de cette hypothèse, les résonances acoustiques néfastes dues à l'effet piezoélectrique lié aux dilatations et contractions thermiques purent être évitées. L'examen des résultats concernant d'autres corps fit apparattre une limitation de fréquence qui pouvait être attribuée à l'oscillation piezoélectrique. Des recherches importantes ont été faites sur le niobiate-de strontium et de baryum, qui permettent de considérer que ce corps peut être utilisé pour la détection des infrarouges. Cependant, la catégorie de corps possédant l'amortissement acoustique élevé ainsi que les caractéristiques pyroélectriques requis ne semble pas très étendue. En particulier, la série de niobiater de strontium et de baryum possèdent certaines caractéristiques inhérentes, par exemple une constante diélectrique élevée, qui imposent des restrictions dans la réalisation des circuits. Dans le dispositif selon la présente invention, un montage convenable faisant usage d'adhésifs et/ou d'agraphes peut introduire un amortissement acoustique suffisant pour éliminer lteffet de limitation de fréquence due à la résonance mécanique. En fait, cette limitation de la réponse peut entre évitée, grâce à la présente invention, pour tout corps pyroélectrique que ce soit. Bien que, pour certains usages, le facteur de qualité ne présente pas nécessairement une amélioration par rapport au niobiate de strontium et de baryum, la liberté de choix offerte présente néanmoins un intérêt.Par exemple, le tantalate de lithium LiTa03, qui est un corps très répandu en raison de ses excellentes qualités aussi bien comme transducteur piezoélectrique que comme élément électrooptique, possède une constante diélectrique relativement faible et permet certaines réalisations que le niobiate de strontium et de baryum ne permet pas. Sa haute résistance et sa faible constante diélectrique en permet l'utilisation pour des électrodes et autorisent ainsi la fabrication de détecteurs de grande surface particulièrement utiles dans la détection de signaux de faible niveau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard de plusieurs modes de réalisation donnés à titre explicatif et non limitatif. Sur les dessins annexé8 : la figure 1 est une vue en perspective d'un détecteur amorti selon l'invention ; la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif expérimental utilisé pour produire des données telles que celles représentées par les figures 4A et 4B la figure 3 est une variante de l'élément numérique de la figure 1, utilisant un type différent d'amortisseur ; les figures 4A et 4B représentent, en coordonnées rectangulaires, la réponse d'un détecteur pyroélectrique de haute qualité acoustique à une impulsion lumineuse,d'abord avec suspension libre et ensuite avec amortissement acoustique, la tension du signal détecté étant exprimée en volts, en fonction du temps en microsecondes. les figures s'appliquent à une procédure donnée à titre d'exemple et utilise dans la présente invention. En fait, les figures 1, 2, 4A et 43 se rapportent à un exemple déterminé. Différents paramètres, tels que le matériau du détecteur, la source lumineuse etc., ne doivent être considérés qu'à titre illustratif. Du fait que la disposition de la figure 2 utilise le système de fixation de la figure 1 dont il résulte les données de la forme représentée sur la figure 43, ces figures sont décrites ensemble. les données représentées sur la figure 4A sont celles qui résultent d'un détecteur à suspension libre utilisant le dispositif de fixation selon l'invention. Dans la figure 1, le cristal détecteur du détecteur 10 de l'exemple décrit est du tantalate de lithium ferroélectrique, Litas3. La plaquette cristalline est d'axe c (l'axe c étant l'axe de polarisation). Ses dimensions sont : 1,5 mm sur 1,5 mm sur 0,02 mm. le morceau de cristal 1 est monté sur une lamelle de verre 2 au moyen d'une couche conductrice d'époxy 3. Une électrode 4 est fixée à la face exposée de la plaquette. Cette électrode peut être construite en matériau transparent ou absorbant, suivant la longueur d'onde à détecter et la nature absorbante du matériau du cristal. Les connexions électriques avec la couche d'époxy 3 et l'électrode 4 sont effectuées au moyen de conducteurs 5 et 6 reliés à un dispositif de mesure de tension ou de courant (non représenté).La structure détaillée de la figure 1 est un exemple de structure appropriée au détecteur pyroélectrique 10 représenté sur la figure 2. Dans l'exemple décrit en regard de la figure 2 la source lumineuse Il est un laser à CO2 q déclenchement retardé,fonctionnant à 10,6 microns. le faisceau cohérent 12 émanant de cette source est concentré par une lentille 13 qui,pour la longueur d'onde infrarouge considérée, est faite de germanium.La distance focale de la lentille est telle que l'énergie du faisceau est concentrée sur le détecteur 10.le bottier 14 peut simplement être utilisé comme support mécanique ou peut être agencé de façon à emprisonner la radiation électromagnétique à détecter,ce dont il résulte une augmentation de la sensibilité. /retardé délivre Lors d'une expérience particulière,le laser à C02 à déclenchement/ une impulsion d'une duree de 200 nanosecondes avec une puissance de crête d'environ 100 watts. La figure 4B représente en coordonnées rectangulaires, la tension étant exprimée en volts et le temps en microsecondes, la forme de l'impulsion effectivement détectée et qui reproduit fidèlement l'impulsion du laser. Des expériences semblables, utilisant le dispositif de la figure 2, ont permis une détection fidèle d'impulsions de laser d'une durée aussi brève que 20 nanosecondes. Le temps de montée du détecteur particulier utilisé était inférieur à 5 nanosecondes. La courbe de la figure 4A, également en volts et microsecondes représente des données provenant d'une expérience semblable dans laquelle-le détecteur était suspendu librement. En l'absence d'amortissement, tel que celui donné par la couche 3 d 'époxy de la figure 1, il existe pendant que l'impulsion est détectable, deux régimes oscillatoires qui représentent deux modes de résonance du cristal. Les deux courbes, représentant les modes de résonance transversale et longitudinale, indiquent clairement qu'il existe deux signaux oscillants en plus de l'impulsion fondamentale. Dans le cas particulier du détecteur utilisé, les signaux transversal et longitudinal avaient des fréquences de 3 MHz et 64G kE qui correspondaient aux oscillations fondamentales du détecteur.Les deux courbes étaient en accord avec les dimensions du détecteur et la vitesse mesurée du son dans le LiTaO3. Le rapport signalbruit dans le cas du détecteur suspendu librement est approximativement de 4 à 1, alors que pour le détecteur amorti, comme le montrent les données de la figure 4B, le rapport est plusieurs dizaines de fois plus grand. Le détecteur de la figure 3 représente une autre disposition dans laquelle une plaquette de cristal pyroélectrique 30 recouverte sur une face par l'électrode 31 et sur l'autre face par l'électrode 32 est enfermée à l'intérieur d'un milieu transparent approprié 33. Dans le cas des longueurs d'onde de l'infrarouge, telles que celles produites par le laser au C02, il existe de nombreux enrobages appropriés qui offrent la transparence et les propriétés d'amortissement voulues. Les polymères thermoplastiques, comme le polyéthylène, en sont des exemples. Le contact électrique est réalisé par les conducteurs 34 et 35 connectés respectivement aux électrodes 32 et 31. La disposition orthogonale des électrodes a été adoptée pour réduire au minimum la capacité et simplifier la construction. En général, la réponse à la fréquence de chaque matériau pyroélectrique peut être améliorée gracie à la présente invention. Les caractéristiques choisies sont cependant déterminées par des considérations pratiques. Le tantalate de lithium a été choisi pour son facteur de qualité élevée (numériquement égal à 0,048 microcoulomb /cm2/0C), relation dans laquelle X est le coefficient pyroélectrique, c'est-à-dire, la charge développée par variation unitaire de la température, est la constante diélectrique et tg Ô est l'angle de perte diélectrique. Ce facteur de qualité particulier est particulièrement utile dans la réalisation de détecteurs de grande surface avec des électrodes latte~ rales. Du point de vue pratique, dans le cas de détecteurs de 10-3 cm d'épaisseur, grande surface signifie une surface de plaquette d'au moins 1/2 millimètre de c8té environ.Il est souhaitable que la valeur de soit d'au moins environ 10-7 et de préférence lO-8 coulomb-/cm2/ C. Le sulfate de triglycène, le séléniate de triglycène et le LiTa03 sont des corps caractéristique présentant cette propriété. Les caractéristiques des substances ci-dessus constituent une catégorie préférentielle dans le domaine de la sensibilité. Il y a lieu d'en tenir compte lorsque la puissance du signal incident est inférieure à lO-9 watt. Dans de nombreuses applications où la sensibilité n'est pas fondamentale, des corps présentant un facteur de qualité inférieur peuvent entre utilisés. Dans ces conditions, les corps peuvent entre choisis en fonction de leur disponibilité, de leur production, et de leurs propriétés générales physiques et électriques. Selon l'invention, pour n'importe quel corps pyroélectrique donné et pour n'importe quel organe réalisé, la réponse à la fréquence est augmentée par l'amortissement jusqu a une valeur supérieure à la résonance fondamentale la plus basse de l'élément détecteur. Dans ce but, il convient d'imposer des limites à la valeur requise de l'amortissement. Cela peut s'exprimer par l'amortissement acoustique de l'ensemble complet comportant l'élément pyroélectrique ainsi que les pièces qui lui sont fixées. Le degré nécessaire d'amortissement dépend d'un certain nombre de facteurs, tels que les dimensions du cristal, la vitesse du son, etc. D'une façon générale, l'augmentation de la réponse à la fréquence est obtenue quand la fréquence de résonance la plus basse de l'élément détecteur est éliminée en tant que limite de la réponse à la fréquence.Pour une réponse encore plus élevée, les fréquences fondamentales ainsi que les harmoniques sont éliminées. Pour un détecteur donné, d'autres améliorations de la réponse à la fréquence obligent à augmenter l'amortissement Ceci résulte du fait que chaque résonance successive doit entre amortie dans la période la plus courte qui correspond à la longueur d'onde de la résonance la plus élevée. En termes normalisés, les impératifs ci-dessus nécessitent un amortissement minimal de 6f db/seconde où f est la fréquence de résonance la plus élevée à amortir. Il en résulte que les substances, utilisées-selon l'invention, présentent un amortissement moindre lorsqu'elles sont suspendues librement. Dans les mêmes conditions l'amortissement maximal d'un élément suspendu librement est de 5 f db/seconde. Dans le cas pratique d'un petit détecteur de tordre de 1 millimètre au carré et de 10 microns d'épaisseur dans lequel la vitesse du son est d'environ 5 x 103 centimètres par seconde, l'amortissement requis est de 20 db par microseconde pour un fonctionnement au-dessus de la fréquence fondamentale la plus basse dans le mode longitudinal d'environ 3,5 MHz. Du fait que des détecteurs pyroélectriques à suspension libre de type antérieur pouvaient avoir une réponse à la fréquence de l'ordre de 10 à 100 kHz, un mode de réalisation selon la présente invention peut astre caractérisé par sa réponse aux fréquences élevées, 1 MHz par exemple, ou mieux comme un dispositif réagissant à des signaux de l'ordre de 1 gHz. En ce qui concerne les matériaux, l'amortissement minimal requis introduit par les pièces amorties selon l'invention est de 6 db/microseconde et de 6 db/nanoseconde respectivement pour les limites de 1 MHz et de 1 gliz. D'une façon générale, les exigences concernant le collage ainsi que les matériaux supports ne sont pas déterminantes.tes matériaux sont généralement choisis pour leurs propriétés adhésives et pour leurs propriétés de transmission a la longueur d'onde à détecter. En général, les produits adhésifs qui procurent un collage intime conviennent bien. Les résines thermodurcissables telles que différents époxy , polyuréthane, gomme, etc., et les matériaux thermoplastiques tels que polyméthylmdthacrylate, polyéthylène, etc., constituent des matériaux de ce genre. Les détecteurs pyroélectriques sont d'un intér8t primordial pour les fréquences infrarouges où beaucoup d'autres types de détecteurs, particulièrement ceux fonctionnant à la température ambiante, perdent leur sensibilité. Mais il est connu que les détecteurs pyroélectriques sont utilisables aussi bien au-dessus qu'aux dessous de cette gamme et qu'ils peuvent entre utilisés pour la détection d'ondes millimétriques comme la lumière dans le spectre visible. Afin d'augmenter la réponse à la fréquence de modulation, le dispositif d'amortissement est adapté, par exemple par enrobage à toute longueur d'onde à laquelle le détecteur est sensible ou peut astre rendu sensible. En général, la description a été faite pour un signal modulé sinusoRdal. Elle est néanmoins suffisamment claire pour l'ingénieur d'étude cherchant à introduire la présente invention dans tout dispositif de modulation par impulsions codées ou analogues, sinusoïdal ou non. Il 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. REVENDICATIONS 1. Dispositif pyroélectrique constitué d'un corps cristallin d'une substance pyroélectrique et muni d'un dispositif pour détecter une réponse pyroélectrique aux radiations incidentes, ledit corps présentant un amortissement acoustique maximum de 5 f db par seconde à une fréquence qui correspond à une fréquence de résonance pour ce corps librement suspendu, caractérisé en ce que ledit corps est fixé de manière que son amortissement acoustique soit augmenté à une valeur d'au moins 6 f db par seconde à ladite fréquence. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le facteur de qualité pyroélectrique où l est le coefficient pyroélectrique, la permittivité diélectrique et tg ç la tangente de perte diélectrique, est au moins de 10-7 cou lomb /cm2/0C, ledit corps ayant la forme d'une feuille comportant deux faces principales, et ledit dispositif de détection comporte des électrodes en contact avec lesdites faces principales. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'une desdites électrodes est un adhésif conducteur qui sert également à fixer ledit corps. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit corps consiste essentiellement en LiTa03. 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit facteur de qualité est au moins lO-8.