Brevet FR2102347A1 — publié le 19720407

i 2102347 On utilise des déflecteurs de faisceaux lumineux pour agir d'une manière analogique sur la position d'un faisceau lumineux. Des déflecteurs de faisceau lumineux de types connus assu1-rent une déviation en faisant passer un faisceau lumineux dans 5 une couche limite formée par une matière'électro-optique telle que du KDP, KIN ou li ÎTbO^ ayant des indices de réfraction qui dépendent du champ électrique. Ces difficultés, rencontrées pour obtenir des matières cristallines appropriées font qu'il est très -important de produire le nombre maximal de points ou spots sépa-10 râbles pour une quantité donnée de cristal électro-optique. Pour obtenir un grand nombre de spots séparables, il est nécessaire que le déflecteur de lumière puisse balayer un grand angle de déviation par comparaison à l'angle d'étalement de diffraction Fraunhofer du faisceau. 15 L'angle 0 dont le faisceau lumineux est dévié par le cristal électro-opiique peut être déterminé en utilisant la loi de Snell, d'après laquelle l'angle de déviation est, avec une approximation du premier ordre: 20 25 H A NI 0 = -Hçp où ÛH est la différence entre les indices de réfraction de deux zones ou régions adjacentes sous l'effet d'un champ électrique appliqué, ¥ est la largeur d'ouverture du déflecteur L est la longueur du déflecteur. On peut donc voir que pour obtenir un angle de déviation maximal, il est opportun d'augmenter L et de réduire W. Cependant, la lumière doit sortir par l'extrémité du déflecteur et non latéralement et, pour une ouverture donnée ¥, il existe jq donc une longueur 1 qui permet d'obtenir un angle maximal de déviation. Des déflecteurs ayant le même rapport longueur/largeur et la même valeur maximale de AN présentent le même angle maximal de déviation. Pour obtenir le nombre voulu de spots séparables 35 l'angle total de déviation 0 est divisé par l'angle d'étalement de diffraction Fraunhofer 9 * ^ où A est la longueur d'onde optique dans le vide de la lumière incidente. En conséquence, pour le rapport longueur/largeur qui permet d'obtenir l'angle maximal de déviation 0, le nombre de spots séparables ne peut être ^0 augmenté qu'en diminuant l'angle de diffraction Praunhofer 9 . 71 26493 2 21Ô2347 Ce problème est résolu en augmentant W mais, pour maintenir le même rapport longueur/largeur, 1 doit être augmenté dans une proportion similaire. Par exemple, si on désire doubler le nombre de spots séparables, 1 et W doivent être doublés et l'on 5 doit donc utiliser une quantité quadruple de matière électrooptique, en supposant la même épaisseur de déflecteur dans chaque cas. Le brevet des Etats-Unis 3 497 285 décrit un procédé pour augmenter le nombre de spots séparables pour une quantité 10 donnée de matière électro-optique. Plusieurs électrodes triangulaires sont fixéts sur des faces opposées d'un cristal électrooptique. En fait, le déflecteur constitue un réseau parallèle de déflecteurs de longueur L et de largeur W. Si chaque déflecteur peut atteindre un angle de déviation 0 et peut avoir 15 spots séparables, cinq déflecteurs placés en parallèle peuvent avoir le même.angle de déviation 0, mais puisque l'ouverture efficace par rapport à la diffraction Fraunhofer est de 5W, le nombre de spfcts séparables est égal à 5N^. Cependant, en pratique, puisqu'un réseau parallèle se comporte à la manière d'une 20 grille, on n'obtient pas une telle augmentation du nombre de spots séparables. Le comportement analogue à celui d'une grille résulte du fait que, bien que' la lumière pénétrant dans les dé-flécteurs soit coplanaire, le front d'onde de la lumière est divisé lorsqu'il pénètre dans les déflecteurs individuels et 25 chaque élément du front d'onde est dévié séparément du même angle 0 , Les fronts d'ondes du faisceau sortant ne sont pas eo-planaires. On entend par là que des fronts d'ondes correspondant à une phase particulière ne sont pas situés dans le même plan mais dans des plans parallèles .séparés par des gradins; Le même 30 type de front d'onde est produit par une grille en "échelette". Après focalisation, les faisceaux portants produisent des interférences de telle manière que ..plusieurs spots séparés correspondait à des ordres différents de diffraction sont obtenus au lieu d'un seul spot. Ce n'est que. lorsque la tension appliquée W-p est 35 telle que la différence entre les trajets optiques établis (IOPL) est un multiple de la longueur d'onde lumineuse X » que les fronts d'ondes de la lumière sortant de chacun des déflecteurs sont coplanaireset qu'on obtient un spot séparable. Un réseau de déflecteurs parallèles ne permet pas d'obtenir une exploration 40 optique continue et un nombre accru de spots séparables. 71 26493 3 2102347 Selon l'invention, un réseau parallèles de déflecteurs ■ de lumière est utilisé en coopération avec une plaque de phase variable, la plaque de pnase variable règle la phase des ondes - de manière qu'après déviation les fronts d'ondes des faisceaux 5 sortants soient coplanaires, en évitant ainsi l'effet de grille. L'invention augmente grandement le nombre de spots séparables qui peuvent être obtenus avec un seul déflecteur en utilisant la même quantité de matière électro-optique ou bien en utilisant un réseau parallèle de déflecteurs sans plaque de phase variable. 10 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description ci-après de divers exemples non limitatifs, en reférence aux dessins annexés dans lesquels: Fig. 1 représente un mode de réalisation de l'invention utilisant un réseau parallèle de déflecteurs de faisceaux 15 lumineux et une plaque de phase variable. 3?ig. 2(Fig.2a ët 2b) ■ la tension de déflecteur et la tension de plaque de pnase en fonction de la différence entre les trajets optiques divisés par la longueur d'onde IOPD/^ 20 ï'ig. 3 représente un réseau parallèle de type connu sans plaque de phase variable. - Fig. 4 représente un mode de réalisation de l'invention compre nant en outre une lentille à oeil de mouche. Fig. 5 représente un mode de réalisation de l'invention compre-25 nant en outre une "butée à réticule ou grille Fig.6f5a, 6b, 6c)représente trois déflecteurs quadripolaires utilisables comme déflecteurs individuels dans un réseau parallèle ]?ig.7(7a et 7b)représente deux configurations d'un réseau parai-30 lèle de déflecteurs quadripolaires. A la figure 1, on a représenté un système de déviation de faisceau lumineux utilisant, un réseau parallèle de déflectEurs 10. A titré d'illustration, on a représenté quatre déflecteurs électro-optiques comportant des électrodes triangulaires 11 dis-35 posées sur des faces opposées des déflecteurs. Les électrodes sont profilées de manière telle qu'un côté 17 du triangle soit parallèle à la direction de propagation du faisceau lumineux alors que l'autre côté 18 est perpendiculaire à cette direction. Une plaque de phase variable 12' en matière électro-optique et comportant 40 des électrodes profilées 13 sur des faces opposées, est placée 71 26493 4 2102347 dans le trajet du faisceau lumineux 14 avant le réseau parallèle de déflecteurs. Une tension Y est appliquée aux électrodes 13 de la ir plaque de phase de manière à faire varier les phases des fronts 5 d'ondes 15 pénétrant dans les déflecteurs individuels 10 et à produire des fronts d'ondes 16 qui sont coplanaires à leur sortie des déflecteurs» Si chaque déflecteur est capable de produire cinq spots séparables, la différence (IOPD) entre les trajets optiques suivis par les deux rayons externes dans un déflecteur 10 donné est égale à cinq longueurs d'ondes de lumière, lorsque la tension Y.^ appliquée aux déflecteurs 10 est telle que la différence IOPD est un multiple de la longueur d'onde X , les fronts d'ondes des quatre déflecteurs sont coplanaires et la tension de plaque de pnase Y^ est nulle. Pour d'autres tensions, la ten-15 sion Yp appliquée à la plaque de phase a la valeur correcte pour que les fronts d'ondes sortant des déflecteurs parallèles soient sûrenent coplanaires. Aux figures 2a et 2b on a représenté Y^ et Y en fonction de IOPD/ X , Â la figure 2a, on voit que IOPD varie linéairement avec Y^. A la figure 2b, on voit que lorsque 20 IOPD/X est un nombre entier, c'est-à-dire lorsque IOPD est un multiple de la longueur d'onde X , V est nulle. Pour obtenir un balayage ou exploration continue du faisceau lumineux, il est nécessaire que les fronts d'ondes sortant des déflecteurs parallèles soient coplanaires même lorsque I0PD/?\ n'est pas un nom-25 bre entier. Y^ correspond à la tension qui est nécessaire pour compenser les gradins des fronts d'ondes individuels et pour Ifs rendre coplanaires. En figure 3 , on a représenté le réseau parallèle 20 de type connu où on n'utilise pas de plaque de phase variable. 30 Bien que les fronts d'ondes 21 de la lumière pénétrant dans les déflecteurs parallèles soient coplanaires, les fronts d'ondes 22 sortant des déflecteurs ne sont généralement pas coplanaires: ce n'est que lorsque IOPD/A est un nombre entier que les fronts d'ondes 22 sortante sont coplanaires. 35 Dans l'exemple de la figure 1 où l'on utilise un réseau parallèle de déflecteurs 10 pouvant produire cinq spots séparables dont chacun est utilisé en combinaison avec une plaque de phase variable, le nombre total de spots séparables est de 4 x 5= 20. la quantité de matière électro-optique utilisée pouï les dé-4U flecteurs parallèles est égale à quatre fois la quantité de ma 71 26493 5 .2102347 tière utilisée pour un seul déflecteur de cinq, spots. Pour quadrupler la résolution d'un seul déflecteur, la quantité de matière électro-optique doit être augmentée d'au moins seize fois puisque la/Longieur et l'ouverture doivent être augmentées. D'une 5 manière générale, si le réseau parallèle se compose de ÏT-^ déflecteurs présentant un rapport longueur/largeur L/W, le volume total de matière électro-optique est égal à LWd, où d désigne l'épaisseur du déflecteur. Pourun seul déflecteur présentant la même surface : 10 Ii 'W' = N-jLW que celle du réseau parallèle et présentant le même rapport longueur/largeur L'/W* égal L/W, on voit que le réseau parallèle produit: V ®1^2^ + ®2 ;fois Plus de spots séparables que le déflecteur unique, ^ désignant la résolution des déflec-15 teurs parallèles. Par suite, le gain de résolution du réseau parallèle pour une quantité donnée de matière estK^ÏIg/ +N2> Si est très inférieur à Ig» le gain de résolution est donc approximativement égal à^/ et la quantité de matière dans la plaque de phase est négligeable par comparaison à la quantité 20 totale de matière nécessaire pour le réseau parallèle. La résolution totale du réseau parallèle comportant la plaque de phase est ^ lî2. Le réseau parallèle associé à la plaque de phase peut être utilisé comme un déflecteur en ^ dans un système à déflec-25 teurs X - Y, dans lequel la déviation X se produit avant la dévia tion Y. Dans des systèmes déflecteurs bidimensionnels connus , les déflecteurs en Y sont bien plus grands que les déflecteurs en X parce que la déviation X s'effectue avant que le faisceau n'atteigne les déflecteurs en Y. En conséquence, les déflecteurs 30 en X sont épais et ils sont excités par une tension très supérieure à celle requise pour la déviation en X. Avec le réseau parallèle de défl'écteurs, il est possible d'obtenir une plus grande déviation pour des tensions plus faibles que celles requises par un seul déflecteur de même dimension. Eçi figure 1, 35 la plaque de phase 12 est placée dntre la source lumineuse et le réseau parallèle 10. Cependant, il est également possible de disposer la plaque de phase 12 en arrière du réseau parallèle 10, à condition que l'angle de déviation du réseau ne soit pas suffisamment grand pour qu'un faisceau dévié traversant une 40 région de la plaque de phase pénètre dans une région voisine 71 26493 6 2102347 de ladite plaque. Avec le réseau parallèle selon l'invention, il est bon de prendre des précautions pour être certain que la lumière ne soit pas déviée vers les parois des éléments du réseau. A la 5 figure 4, on voit une lentille à oeil de mouche 40 qui comporte un lenticule 41 pour chaque élément individuel du réseau. Le lenticule focalise faiblement la lumière 42 pénétrant dans les cëflecteurs individuels 10. Par une mise en position correcte des lenticules toute la lumière est pratiquement captée et 10 transmise au travers du réseau. Une lentille négative à oeil de mouche 43 est placée à l'extrémité opposée de déflecteurs individuels de manière à rendre parallèles les rayons sortants 44. Les auteurs Lee et Zok ont montré dans "IEEE Journal of Quantum Electronic" - page 445, de juillet 1968, que le maximum 15 pour un faisceau concentré était donné par la formule: w M 0*L ï R A ^ 4W ) où 0m désigne l'angle maximal de déviation. Le facteur de réduction du nombre de spots séparables 2o pour un faisceau focalisé est représenté par la quantité donnée entre paranthèses, savoir ( 1- ^ ^ ). Cette réduction est due au fait que le faisceau concentré traverse une plus petite quantité de matière électro-optique qu'un faisceau non concentré. 25 En figure 5 on a représenté une variante du procédé de la figure 4. Une butée à réseau 50 a une position telle qu'elle arrête la partie du faisceau lumineux qui arriverait autrement sur les parois. Si ¥^ représente l'ouverture réduite du faisceau arrivant sur la surface incidente du déflecteur 50 individuel, le nombre de spots séparables est alors donné par par la relation: w 0m W, ïïg= m 1 et puisque W-, = ¥ - ^m X 2 IL, peut s'écrire: M _ 0m ¥ 35 R nr -5L_ a On peut montrer que la valeur optimale de ¥^ est 4/5 ¥ et par suite la fraction de lumière qui traverse le déflecteur est égale aux 4/5 du faisceau initial. Pour utiliser le réseau parallèle, il est nécessaire 40 que les déflecteurs individuels produisent des angles de dévia 71 26493 7 2102347 tion qui sont sensiblement identiques, autrement dit, les fronts d'ondes sortants doivent être coplanaires lorsqu'aucune tension de déviation n'est appliquée, En conséquence, il est extrêmement souhaitable"que les éléments du réseau soient identiques, en 5 particulier en longueur. La fabrication d'éléments identiques est très pratique si les éléments sont très simples» Un type simple de déflecteur électro-optique est un déflecteur quadri-polaire. A la figure 6, on a représenté trois configurations possibles d'une défié cteur quadripolaire formé à partir d'un 10 monocristal électro-optique 60 qui peut être utilisé comme élément d'un réseau parallèle de déflecteurs. Les électrodes 62 du déflecteur sont disposées le Nlong des coins du parallélépipède et elles forment un champ quadripolaire lorsque des tensions de polarité similaires sont appliquées à des coins opposés. Si 15 les électrodes 62a ont la forme d'nyperboles (fig. 6a), le champ résultant produit dans la matière cristalline présente des gra-' dients linéaires qui produisent une variation linéaire de l'indice de réfraction transversalement à la direction de propagation. Un faisceau lumineux est dévié dans la direction du gra-20 dient de réfraction. Les deux configurations des électrodes 62b et 62c des figures 6b et 6c sont plus aisément fabriquées que celles de la figure 6a qui permettent, cependant, d'obtenir un oaamp quadripolaire suffisamment pur pour assurer une déviation. Un avantage du déflecteur quadripolaire est qu'il comprend 25 un corps homogène alors qu'un déflecteur formé par deux prismes triangulaires comporte entre les prismes une interface que doit traverser le faiseeau. Chaque surface du cristal au travers de laquelle doit passer le faisceau doit être polie; c'est pourquoi le déflecteur quadripolaire comporte deux surfaces, savoir? la 30 surface incidente et la surface de sortie qui doivent être polies. L'autre part, le déflecteur prismatique se composant de deux ou plusieurs cristaux nécessite quatre surfaces polies ou plus. En outre, le déflecteur prismatique nécessite un ciment de contact optique eu d'adaptation d'indice pour relier les deux 35 cristaux. Le nombre réduit de surfaces polies et l'absence de ciment de contact optique rendent la fabrication du déflecteur quadripolaire beaucoup plus simple que celle du déflecteur prismatique . Puisque les surfaces incidentes et de sortie d'un dé-40 flecteur quadripolaire sont les surfaces critiques qui doivent 71 26493 8 2102347 être polies, un grand nombre de déflecteurs quadripolaires identiques peuvent être fabriqués par polissage des faces opposées d'un monocristal d'une matière électro-optique et par découpage subséquent du cristal en éléments individuels. La surface inci-5 dente (et de sortie) de choque élément est pratiquement identique aux autres parce que les surfaces sont polies en même temps. Un autre procédé consiste à fabriquer le réseau parallèle à partir des éléments puis à polir les surfaces incidentes et de sortie du réseau. 10 En figure 7, on a représenté deux modes de réalisation d'un réseau parallèle de déflecteurs quadripolaires analogues à ceux de la figure 6. En figure 7a, on voit une seule rangée de déflecteurs quadripolaires 70. Chaque électrode 72 est répartie entre deux éléments adjacents, la polarité des tensions appliquées 15 aux électrodes d'un déflecteur élémentaire et par conséquent, les champs produits dans ces déflecteurs sont exactement opposés à ceux établis dans les déflecteurs adjacents. En conséquence, pour que le gradient de 1'indice de réfraction dans cnaque déflecteur élémentaire soit orienté dans la même direction, l'orien-20 tation cristallographique de chaque déflecteur, désignée par une flèche 71, est orientée dans une direction opposée à celle des déflecteurs adjacents. Dans des matières présentant un axe polaire, l'axe polaire de chaque déflecteur est opposé à celui des déflecteurs adjacents. Dans des matières ne comportant pas d'axes 25 polaires, comme par exemple des matières cubiques à effet électron-optique linéaire, des déflecteurs alternés doivent être orientés de manière telle que la déviation produite par chaque déflecteur soit orientée dans la même direction. A la figure 7b, on a représenté un réseau parallèle de 30 déflecteurs quadripolaires comprenant plusieurs rangées de déflecteurs 70. Comme dans le cas de la figure 7a, l'orientation cristallographique 71 d'un déflecteur individuel est dirigée dans une direction opposée à celle des déflecteurs adjacents. Cette disposition en damier présente l'avantage que chaque électrode 72 35 des déflecteurs quadripolaires est répartie entre quatre éléments. Un autre avantages du réseau quadripolaire de figure 7 réside dans les propriétés de résonance acoustique d'un tel système. Tout d'abord les fréquences auxquelles se produisent des résonances acoustiques sont inversement proportionnelles à la 401argeur de l'élément et on obtient donc pour un réseau quadtripo- 71 26493 9 .2102347 laire, des fréquences supérieures à celles d'un seul déflecteur de dimensions équivalentes du fait que la résonance est caractérisée par les dimensions de chaque déflecteur élémentaire au lieu de l'être par les dimensions du réseau complet. En 5 second lieu, puisque les électrodes de polarité identiques sont placées dans des coins diagonalement opposés de l'élément, les côtés opposés de Télément sont soumis à des contraintes opposées et, en conséquence, le mode d'épaisseur fondamentale ne peut se produire» On a trouvé que le premier mode de vibration 10 est d'une fréquence supérieure à celle du mode d'épaisseur fondamentale, en fonction du rapport largeur/épaisseur du parallélépipède. En troisième lieu, si les éléments du réseau sont liés ensemble les modes de flexion sont efficacement supprimés* l'invention a été décrite pour des modes préférés de 15 réalisation mais il va de soi que des variations de forme et de détails peuvent être apportées sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, on a décrit des déflecteurs électro-optiques comme constituant les éléments individuels du réseau parallèle mais on peut également utiliser un déflecteur acousto-opti-20 que ou un déflecteur mécanique. De même, la plaque à phase variable représentée constitue un mode possible de réalisation permettant de commander individuellement la phase de parties d'un faisceau lumineux. 71 26493 10 2102347 REVEND!CATIONS 1. Dispositif de déviation de faisceau lumineux, caractérisé par le fait qu'il comprend un réseau parallèle de déflecteurs de faisceau lumineux (10), des moyens (V^) pour 5 commander le réseau déflecteur de uianière à produire essentiellement le même angle de déviation pour chaque déflecteur et des moyens (12) pour commander individuellement la pnase de parties du faisceau de manière telle que les fronts d'ondes (16) de la lumière sortant du dispositif de déviation soient coplanaires. 10 2. Dispositif de déviation selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le faisceau traverse les moyens de commande individuelle de la phase de parties du faisceau avant de pénétrer dans le réseau parallèle de déflecteur de faisceau lumineux. 15 3. Dispositif de déviation selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les moyens pour commander individuellement la phase de parties du faisceau lumineux càmprennent un seul corps (12) d'une matière électro-optique comportant deux électrodes profilées (13) 20 4. Dispositif de déviation selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les déflecteurs de faisceau lumineux comprennent des corps d'une matière présentant un indice de ré-. fraction pouvant être commandé par un champ électrique. 5o Dispositif de déviation selon la revendication 4 25 caractérisé par le fait que les moyens pour commander le réseau de déflecteurs comprennent des éléments pour faire varier simultanément l'indice de réfraction de chacun des déflecteurs. 6. Dispositif de déviation selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les moyens pour faire varier si-30 multanément l'indice de réfraction de chaque déflecteur comprennent des éléctrodes (62) disposées de manière à produire une variation sensiblement linéaire de l'indice de réfraction de la matière dans une direction transversale au centre de propagation du faisceau. 35 7. Dispositif de déviation selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les électrodes comprennent une première, une seoonde, une troisième et une quatrième électrode 62 a,b,c,d,) s'étendant le long du cristal (60) dans le sens de propagation du faisceau. 40 71 26493 11 2102347 8. Dispositif de déviation selon la revendication 7> caractérisé par le fait que les éléctrodes (72) d'un déflecteur (70) sont en contact électrique avec les électrodes des déflecteurs adjacents et par le fait que l'orientation cristallographi-5 que (71) de chaque déflecteur est dirigée dans un sens opposé à ceux des déflecteurs adjacents. 9. Dispositif de déviation selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre des lentilles convergentes individuelles (40) placées dans des positions adja- 10 centes à la surface incidente de chaque déflecteur de manière à intercepter une partie du faisceau et focaliser ladite partie à l'intérieur du déflecteur. 10. Dispositif de déviation selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre des lentilles 15 divergentes individuelles (43) adjacentes à la surface de sortie de cnaque déflecteur. 11. Dispositif de déviation selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre des moyens (50) pour arrêter la partie du faisceau lumineux pénétrant dans les 20 défleetaurs à proximité de leurs lisières. - 12„ Dispositif de déviation selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les déflecteurs de faisceau lumineux sont identiques