Brevet FR2097021A1 — publié le 19720303

La présente invention concerne des perfecvionnements aux déviateurs électro-optiques de lumière; et plus particulièrement à des cellules de déviation susceptibles de dévier le faisceau lumineux qu'elles reçoivent en l1une ou l'autre de den- positions distinctes. De telles cellules sont par exemple utilisées pour constituer des déviateurs linéaires à commande digitale, c'est-à-dire permettant de dévier la trace du faisceau selon une seule direction et en des positions quantifiées. Un mode de réalisation de tels déviateurs est donné dans la demande de brevet français 70/18.267 déposée le 20 mai 1970 par la Compagnie Pemanderesse et intitulée "Perfectionnements aux déviateurs électro-optiques de lumière à commande digitale". D'autres modes de réalisation présentant plus ou moins d'avantages selon les éléments optiques qu il utilisent sont également connus ; différents types sont décrits dans la revue américaine "Applied Optics't, pages 1657 à 1667. Dans tous les cas, et notamment dans la demande de brevet précitée, une cellule de déviation, ou déviateur élèmentaire à deux positions, comporte une cellule de commande et une cellule de déviation proprement dite. La cellule de commande est constituée d'un cristal électrooptique soumis à l'influence d'un champ électrique et modulant la polarisation de la lumière qui le traverse en fonction du champ qui lui est appliqué. Pour obtenir les deux positions distinctes du faisceau lumineux, cette cellule de commande fonctionne selon un mode binaire et transmet, selon l'un de deux champs de commande qui lui est appliqué, une lumière polarisée respectivement selon l'une ou autre de deux directions orthogonales. cristal La cellule de déviation proprement dite est constituée d'une iréfringent qui, selon la polarisation de la lumière qu il reçoit de la cellule de commande, transmet des rayons ordinaires ou des rayons extraordinaires correspondant à l'une ou l'autre des positions de déflexion du faisceau que permet d'obtenir le déviateur élémentaire à deux positions ainsi eonstitué. Les différents types dc déviateurs à deux positions connus dépendent de la nature de chacune des deux cellules qui le constituent ; ils ne sont pas décrits ici. De manière générale, ils présentent tous des inconvénients dûs principalement à leur cellule de commande En effet, que cel- le-ci soit constituée de cristaux utilisant l'effet Kerr, ou de cristaux utilisant l'effet Pockels, aussi bien longitudinal que transversal comme c'est le cas dans la demande de brevet précitée, les tensions de commande qu'il est nécessaire d'appliquer à ces cristaux pour provoquer la rotation de polarisation de 90 de la lumière transmise sont relativement élevées (de l'ordre de un à quelques kilovolts)et doivent être appliquées aux cristaux aussi longtemps que doit être maintenue la rotation de polarisation. L'objet de la présente invention est de réaliser des déviateurs élémentaires de lumière à deux positions, susceptibles hêtre utilisés pour la réalisation de déviateurs digitaux à n déviateurs élémentaires et 2n positions, pouvant être commandés avec des tensions relativement faibles vis-à-vis de celles nécessaires dans les déviateurs de l'art antérieur et présentant un effet de mémoire autorisant une commande lmpulsionnelle. Selon la présente invention, des déviateurs élémentaires de lumière à deux positions comportant d'une patt une cellule de com mande susceptible de faire tourner la polarisation de la lumière qu'elle reçoit et d'autre part une cellule de déviation proprement dite transmettant l'un ou l'autre de deux faisceaux selon la polarisation de la lumière qu'elle reçoit, sont caractérisés en ce que ladite cellule de commande est constituée de cristaux électro-opti ques-à biréfringence spontanée présentant deux états optiques sta bleus. D'autres objets et caractéristiques de l'invention ressorti- ront de la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent - la figure 1 . un schéma dé prlncipe d'un exemple de réalisation d'-un déviateur de lumière à deux positions selon l'invention. - la figure 2 : une courbe indiquant la rotation du plan de polarisation de la lumière transmise par un cristal électro-optique à biréfringence spontanée, en fonction de la tension de commande appliquée. - la figure 3 : un schéma de principe d'une variantede de réalisa- tion du déviateur de la figure 1. Sur la figure lest très schématiquement représenté un exem- ple de réalisation d'un déviateur de lumière selon l'invention à deux positions. Un faisceau lumineux incident F formé de lumière à polar ation rectiligne traverse une cellule de commande 1 selon l'invention, puis une cellule è déviation 2 délivrant l'un ou l'autre de deux faisceaux F1, F2, selon la polarisation de la lumière que-rècoit cette cellule 2.Dans l'exemple illustre ici, la cellule de déviation 2 est constituée d'un Ijrisme enSpath par exemple, dont le plan bissecteur est perpendiculaire à la position moyenne du faisceau, Son angle @@ et 'dèterminé en fonction de la déviation que l'on désire obtenir entre les deux faisceaux F1 et F2. L'utilisation d'un tel prisme comme cellule de déviation présente certains avantages par rapport à d'autres cellules de l'art antérieur telles que lames biréfringentes, déflecteurs à réflection, ou prismes de Wollaston par exemple.D'une part, la déviation est obtenue par rotation et non par translation, ce qui évite les difficultés apportées par les différences de trajets optiques des systèmes à translation et permet des déviations importantes sans aberrations. D'autre part, l'utilisation du prisme au voisinage de son minimum de déviation permet,olors de l'intégra tion d'un tel déviateur élémentaire dans-un déviateur digital à n étages, d'obtenir la meilleure linéarité pour l'ensemble ; une étude plus détaillée de ces cellules à prisme est donnée dans la demande de brevet 70/18.267 précitée. Quant à la cellule de commande 1, elle utilise selon l'inven- tion un cristal C exploitant l'effet Pockels dit "spontané" par opposition à l'effet Pockels classique dit ',induit". De tels cris taux, récemment mis au point, sont des substances ferro-électriques transparentes particulières, telles que par exemple les molybdates de terres rares ou les boracites.Ils présentent--un point de Curie élevé qui permet, à tempéracure ambiante, d'obtenir? une biréfrin- gence "sp^tanée" lorsque-le cristal est placé: entre- des électrodes auxquelles est appliquée une tension de c-ommande Tandis que dans les cristaux utilisant lteffet PockeI6 classique les rotations de polarisation, dues aux propriétés de biréfringence, sont obtenues par application-de champS électriques permanents et intenses, les cristaux à effet Pockels spontané,qui sont des systèmes optiques bistableS, se commandent à l'aide de champs électriques beaucoup plus faibles et présentent une fonction "mémoire" du type hystérésis, leurs deux états spontanés étant stables. Un bref aperçu des propriétés de ces cristaux est donné dans un article de S.E.Cummins intituilé A new histable ferroelectric light gate or display element" publié dans la revue américaine "Proceedings of the IEEE", volume 55, août 1967, pages 1537 et 1538. De tels cristaux C, placés entre des électrodes de commande constituées de lames transparentes L déposées sur des supports transparents T et entre lesquelles est appliquée une tension de commande V , font tourner le plan de polarisation d'une ode polarisée qu'ils reçoivent (faisceau F ), conformément à une courbe d' hystérésis du type de celle qui est représentée sur la figure 2. La rotation :L du plan de polarisation de l'onde transmise, fonction de la tension de commande V . est également fonction de l'épaisseur de cristal traversée Cette épaisseur est toujours faible, de l'ordre de quelques microns, pour de tels cristaux. Elle est considérablement plus élevée pour les cristaux exploitant l'effet Pockels classique, ce qui esc encore un de leurs inconvénients. Une des deux positions, F1 par exemple,du faisceau émergeant de la cellule de déviation 2 est obtenue par application d'une tension -V (figure 2) entre les électrodes L entourant le cristal C e le commutant dans l'état optique E1 pour lequel le plan de polarisation de l'onde transmise subit une rotation - @ = - 45 par rapport à une position de référence. De même, pour obtenir la position F2, une tension + V est appliquée, commute le cristal dans l'état Eo et fait subir une rotation + # = + 45 à l'onde transmise. Les deux états Eo et E1 étant stables, il suffit d'appliquer aux électrodes de commande des impulsions de tension s V. Une telle commande impulsionnelle présente l'avantage de réduire considérablement la valeur moyenne de la puissance nécessaireJ De plus, comme il suffit de tensions d'amplitude relativement faible, quelques dizaines de volts, pour faire basculer le cristal d'un état à l'autre, les circuits de commande sont simplifiés ; ce peut êre des Qran- sistors basse tension, éventuellement même réalisés en circuits in tégrés. Un inconvénient de la cellule de commande 1 de la figure 1 ré s.de dans la présence d'électrodes tranarentes situées sur le trajet du faisceau et pouvant provoquer des atténuations génantes. Une variante du procédé ne produisant aucune atténuation peut comporter à la place des électrodes transparentes des anneaux conducteurs A permettant d'établir à l'intérieur du cristal C un champ électrique perpendiculaire à l'axe du faisceau F (figure 3). Dans ce cas, la tension de commande qui doit être appliquée est plus élevée que dans le cas précédent, mais étant donnée la faible valeur de cette dernière la tension nécessaire est de toute façon réduite. Les déviateurs élémentaires qui viennent d'être décrits présentent plusieurs avantages tels que - faiblie pension et faible puissance de commande - mémoire propre permettant de commander le changement de position du faisceau avec des impulsons brèves - faible encombrement ; - faible atténuation dans le cas de l'utilisation d'électrodes annulaires. Ils sont particulièrement bien adaptés à la réalisat:on de déviateurs digitaux ; n déviateurs élementaires sont alors disposés en cascade sur le trajet du faisceau à dévier, de manière à permectre à ce faisceau d'occuper une parmi 2n positions dans un même plan. La-description qui précède a été donnée surtout à titre d'exemple non limitatif-mais-l'invent1on en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS. 1. Déviateur électro-optîque de lumière à deux positions comportant successivemen sur le trajet du faisceau à dévier3 une cel lulc de commande susceptible de commuter la direction de polarisation de la lumière polarisée linéairement qu'elle reçoit selon l'une ou l'autre de deux directions orthogonales et une cellule dc déviation proprement dite transmettant l'un ou l'autre de deux faisceaux différents selon la direction de polarisation de la lumire qu'elle reçoit, caractérisé en ce que ladite cellule de commande est constituée de cristaux ferro-électriques à effet électrooptique spontané présentant deux états optiques stables, commandés par des électrodes recevant l'une ou l'autre de deux tensions de commande. 2.Déviaieut de lumière selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux dites tensions de oommande sont des tensions implsionnelles. 3. Déviateur de lumière selon la revendication 2 caractérisé en ce que dans un mode de réalisation, les électrodes auxquelles sont appliquées les tensions de commande sont deux électrodes transparentes placées de part et d'autres du cristal de la cellule de commande, perpendicalairement au faisceau lumineux et créant à l'intérieur de ce cristal un champ électrique parallèle à l'axe dudit faisceau. 4. Déviateur de lumière selon la revendication 2 caractérisé en ce que dans un autre mode de réalisation, les électrodes auxquelles sont appliquées les tensions de commande sont des électrodes annulaires créant à l'intérieur du cristal de la cellule de commande, un champ électrique perpendiculaire à l'axe du faisceau lumi neux. 5. Déviateur de lumière selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la cellule de dévaa$-=on proprement dite est constituée d'un prisme de cristal biréfingent dont l'arête esL orthogonale à la direction du faisceau lumineux qu'il reçoit de la cellule de commande. 6. Ensemble déviateur de lumière à commande digitale caractérisé en ce qu'il comporte, en série sur le trajet du faisceau lumineux à dévier, n déviateurs selon l'une des revendications 1 à 5.