Brevet FR2118071A1 — publié le 19720728

î 2118071 L'invention concerne un déflecteur de lumière qui comporte plusieurs transducteurs pour des gammes de fréquence voisines, ces transducteurs étant disposés les uns à côté des autres. L'invention concerne plus particulièrement un déflecteur 5 acoustique de lumière constitué par un cristal servant de milieu acoustique, qui est excité avec des ultrasons par l'intermédiaire d'un transducteur piézoélectrique et qui dévie, en fonction de la fréquence acoustique, un rayon lumineux incident à peu près parallèle aux fronts de l'onde acoustique, ainsi que par un dispositif 10 de commande qui alimente le transducteur piézoélectrique avec une fréquence à variations commandées.. On connaît depuis longtemps le principe de la déflexion acousto-optique de la lumière. Il repose sur la diffraction de la lumière par les ondes ultrasonores. Une onde ultrasonore 15 est envoyée à travers un milieu, par exemple a travers un cristal, ce qui produit l'apparition de variations de pression dans ce cristal, de sorte qu'un rayon lumineux incident dans la direction du front de l'onde acoustique est diffractée comme par un réseau de diffraction. 20 L'angle de diffraction dépend de la distance qui sépare les maxima de pression, c'est à dire de la longueur d'onde ou de la fréquence de l'onde ultrasonore. Si la direction d'incidence de la lumière est inclinée d'un angle faible par rapport au front de l'onde acoustique, on observe alors un réflexion de 25 Bragg de la lumière sur les fronts de l'onde acoustique. Afin qu'il puisse se produire une réflexion de Bragg, l'angle d'incidence doit bien entendu satisfaire à la condition de Bragg. Ce principe et ses avantages ainsi que les différentes applications ont été décrits en 1966 par E.I Gordon (I.E. Gordon : A Review of 30 Acousto-optical Défection and Modulation Devices in Applied Optics Vol. 5, No 10, Page 1629 pp Oct. 1966). Dans un article, publié au mois d'octobre 1966, de A. Kcrpel, R. Adler, P. Desmares et W. Watson :'"A Télévision Display Using Acoustic Defection and Modulation of Coherent Light" 35 dans Applied Optics Vol 5, No 10, p 1667 pp. Oct 1966, les auteurs décrivent comment on peut obtenir un nombre plus élevé de directions de déflexion. On sait que la réflexion de Bragg exige que les fronts de l'onde acoustique soient symétriques par rapport au rayon lumineux incident et diffracté. Si l'on veut modifier 40 l'angle de Bragg, le front de l'onde acoustique doit alors modifier 71 44802 2 2118071 sa direction. Cela est réalisable au moyen d'une disposition particulière et d'un montage électrique particulier des bandes des transducteurs (Phased A'r'ray ou réseau a déphasage), les fronts d' ondes acoustiques combinés produits pax ces transducteurs, modi-5 fiant leur direction quand on fait varier la fréquence. De cette manière on peut obtenir une variation de la fréquence acoustique de 19 à 35 MHz et une déflexion du rayon lumineux variant proportionnellement a ces grandeurs. N. Uchida et H. Ivasskci rendent compte d'un 10 autre montage dans un rapport concernant un déflecteur acousto-optique bidimensionnel de lumière dans la revue "Japan. J. Api. Phys., 8, p.811, 1969". Au moyen d'un montage particulier on obtenait une variation de la fréquence acoustique comprise entre 48 et 63 MHz. ?i5 La largeur de la bande de fréquence et le produit lié avec celle-ci et dénommé produit vitesse-capacité de déflecteurs acousto-optiques de lumière (nombre de déflexions discernables par durée de commutation) sont limités par les puissances de rayonnement acoustique différentes des transducteurs piezo-20 électriques pour des fréquences différentes et par la direction fixe d'incidence (condition de Bragg). De ce fait la largeur de bande des déflecteurs acousto-optiques de lumière connus, est limitée au maximum à environ 1 octave. Des déflecteurs acousto-optiques de lumière 25 sont utilisés là où il s'agit d'obtenir une déflexion rapide de la lumière. Si l'on veut explorer une grande surface au moyen d'un rayon lumineux, éventuellement pour la mesure de profils, on doit alors pouvoir dévier le rayon lumineux d'un angle allant jusqu'à des valeurs élevées, ce qui correspond à la possibilité de comman-30 der efficacement le cristal de déflexion avec une largeur de bande élevéë. L'invention a pour objet d'accroître le nombre des angles de déflexiôn et à cet effet d'augmenter la largeur de bande d'une gamme supérieure à 1 octave. 35 Ce résultat est obtenxi conformément à ï'inven tion grâce au fait que l'on dispose sur un milieu' acoustique, les uns à côté des autres, plusieurs transducteurs piézoélectriques, conçus pour des gammes de fréquence juxtaposées, que ces transducteurs élèvent la largeur de bande de la fréquence acoustique jusqu' 40 à 300 MHz et qu'ils maintiennent constant le rendement de la 71 44802 .3 2118071 déflexion dans une zone très étendue. Les plaques cristallines servant de transducteurs piézoélectriques sont disposées, sur le milieu acoustique de fagon à être de préférence inclinées les unae par rapport aux c, autres de sorte que la direction du rayon incident peut rester f ixe. Les transducteurs piézoélectriques peuvent aussi avantageusement être disposés dans un domaine partiel suivant un réseau à déphasage, c'est à dire qu'ils peuvent être 10 montés parallèlement les uns à côté des autres au lieu d'être inclinés les uns par rapport aux autres et être reliés électriquement en opposition avec un oscillateur variable. Il est avantageux de construire les transducteurs à partir de matériaux cristallins différents tels que les 15 amplitudes acoustiques émises par les transducteurs sont égales les unes aux autres. De plus les transducteurs sont avantageusement dimensionnés de telle sorte que les fréquences de deux bandes de fréquence voisines coïncident pour des valeurs, où le rendement de 20 déflexion est abaissé jusqu'à la demi-valeur maximale de celui-ci. Dans ce cas le rendement de déflexion est constant sur une gamme étendue. Un dispositif de commande comporte avantageusement un oscillateur à fréquence fixe et un oscillateur à 25 fréquence variaole, ainsi qu'un dispositif mélangeur dans lequel la fréquence fixe et la fréquence variable :sont superposées en vue d'obtenir les fréquences de commande. Une autre possibilité consiste en ce que, l'installation de commande possède une série d'oscillateurs, dont les fréquences sont invariables et qui est 30 reliée, par l'intermédiaire de commutateurs électroniques, par l'intermédiaire d'une barre collectrice, avec un ou plusieurs transducteurs. Pour éviter des ondes harmoniques perturbatrices, toute la gamme de fréquences est .avantageusement divisée en 35 octaves, les fréquences de différents octaves étant amenées à des barres collectrices distinctes, qui sont pourvues de filtres passe-bas. Les transducteurs doivent être reliés avec le cristal utilisé en tant que milieu acoustique, de préférence par 40 pressage à froid, dans le vide avec interposition de matériaux à 71 44802 4 2118071 bas point de fusion tels que par exemple l'indium, le thalium etc. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré au dessin annexé une forme de réalisation du dispositif suivant l'invention. -, ^ La figure 1 représente un déflecteur acousto- optique de la lumière avec une grande largeur de bande. La figure 2 représente le rendement de déflexion totale du déflecteur à plusieurs transducteurs. La figure 3 représente un montage en réseau 10 à déphasage. La figure 4 représente'un schéma bloc d'un oscillateur accordable. La figure 5 représente un schéma bloc pour la commande digitale ,des transducteurs. 15 La figure 1 représente un cristal de déflexion 1 en formant milieu acoustique, sur lequel sont disposés trois transducteurs acoustiques 2, 3 et 4 possédant différentes gammes de fréquence de rayonnement acoustique, à savoir fl à f2, f2 à f3 et f3 à f4. Les trois transducteurs 2, 3 et 4 peuvent être 20 montés en parallèle et être commandés par un oscillateur haute-fréquence 5. C'est à dire que chaque transducteur constitue un filtre passe-bande et n'absorbe de la puissance électrique que dans la bande de fréquence correspondante. Les transducteurs délivrent la puissance absorbée au cristal de déflexion sous la 25 forme d'ondes ultra-sonores, des compressions 6 apparaissant alors dans le cristal de déflexion. Les écarts qui séparent les lignes de compression représentées, correspondent aux longueurs d'onde des ondes acoustiques. Si alors un rayon laser, en provenance d'une direction fixe prédéterminée, pénètre dans le cristal de 30 déflexion 1, il subit une déflexion sur les fronts d'ondes 6 conformément à la condition de Bragg. Etant donné que les trois transducteurs 2, 3 et 4 représentés et leurs fronts d'ondes acoustiques sont inclinés les uns par rapport aux autres, la direction de la réflexion sera aussi variable. Le rayon laser incident 7 35 sera dévié, selon la fréquence acoustique présente au moment considéré, dans une des directions 8, 9 ou 10.^ Le nombre des directions de déflexion possibles pour le rayon laser dépend du nombre des transducteurs acousto-optiques et de leurs largeurs de bande de fréquence utilisables. 40 . Il peut être avantageux de balayer le plus 71 44802 5 2118071 rapidement possible avec lé rayon lumineux, différentes directions de déflexion. La mesure de l'efficacité du transducteur de lumière est fournie par le produit dénommé produit capacité-vitesse CSP (Capacity Speed Product). Il ne dépend que de la largeur de bande 5 du déflecteur. Il est donné par la relation CSP = f . Au moyen du montage décrit dans l'invention, on peut obtenir des largeurs de bande comprises entre 100 et 300 MHz et des produits 8 —1 vitesse-capacité d'environ 2-10 sec" . Sur la figure 2 le rendement de déflexion XO es"t porté en fonction de la fréquence f. Par ce rendement on entend le rapport de l'intensité de la lumière qui a subi une déflexion à celle de la lumière incidente. On voit sur la figure que chacun des trois transducteurs possède un rendement ^ ou ^2 ou ^ 2 j ces rendements présentant une valeur maximale pour les fréquences 15 moyennes correspondantes fl, f2 ou f3. Les rendements respectifs diminuent de part et d'autre de ces fréquences moyennes. Les fréquences moyennes fl, f2 et f3 sont situées de telle manière les unes par rapport aux autres que les intersections des courbes de rendement ont lieu respectivement en des points où ces rendements 20 présentent une diminution de 3 dB par rapport aux valeurs maximales des rendements comme cela est représenté sur la figure. A partir de ces trois courbes on obtient un rendement global^ +1(1 ^ + 3 comme représenté en figure 2. Le rendement d'un transducteur dépend des caractéristiques du milieu 25 acoustique, de la longueur d'onde lumineuse de la lumière incident, des dimensions du transducteur e't, de la puissance acoustique. Dans le cas où la puissance acoustique est suffissamment élevée, la lumière incidentepeut subir en principe une déflexion, dans une proportion de 100%, étant donné qu'il ne se produit aucune 30 ;;erte d'énergie par interaction des ondes lumineuses avec le champ acoustique. La figure 3 illustre le fonctionnement d'un montage en réseau a déphasage. Le cristal 1 servant de milieu acoustique est à nouveau représenté ici, les transducteurs 2, 3 35 et 4 étant montés parallèlement et à côté les uns des autres sur ce cristal. Ils sont reliés électriquement en opposition avec l'oscillateur variable 5 de sorte qu'à l'instant où le transducteur 3,provoqueà une distance déterminée dans le cristal une compression 6, des compressions 7 et 8 décalées de ^ sont créees par les transducteurs 40 2 et 4. Les compressions$6,37 et|6 peuvent être réunies en une 71 44802 6 2118071 seule ligne de compression 9 s'étendant obliquement à travers le cristal. De cette manière, il apparait dans le cristal des compressions décalées de A s'étendant obliquement à"travers celui-ci, l'inclinaison de ces compressions dépendant de la fréquence de 5 l'oscillateur. Sur la figure 4, on montre comment on peut obtenir une commande variable des transducteurs à l'aide d'un oscillateur fixe et d'un oscillateur variable. Sur cette figure un oscillateur ayant une fréquence fixe est désigné par 10, un 10 oscillateur variable pour les fréquences fb et fc, fb étant supérieur a fc, est désigné par 11. Les deux fréquences sont mélangées dans 12 et sont amenées aux transducteurs par l'intermédiaire d'un filtre passe-bas 13 pour les fréquences inférieures à fc - fa et par l'intermédiaire d'un amplificateur à large bande 14. Le filtre 15 passe-bas 13 sert de plus à éliminer les ondes harmoniques qui se produisent et qui pourraient influencer la déflexion du rayon lumineux. La figure 5 représente un schéma bloc équivalent pour la commande digitale des transducteurs. Les oscillateurs 20 15, 16 et 17 à fréquences fixes fl5, fl6, et fl7, et les oscillateurs 19, 20 et 21 à fréquences fixes fl8, fl9, f20 et f21 sont réunis pour former respectivement, par l'intermédiaire d'une barre collectrice 22, un premier groupé d'oscillateurs et, par l'intermédiaire d'une barre collectrice 23, un deuxième groupe 25 d'oscillateurs, de telle sorte que les fréquences de chaque groupe s'étendent sur une octave. On peut envoyer une fréquence souhaitée en provenance d'une des entrées du montage 24 ou 25, par l'intermédiaire d'une porte 26, sur une barre collectrice. Il apparait des ondes harmoniques qui peuvent être éliminées, par les 30 filtres passe-bas 27 ou 28. La fréquence transmise fl5,fl6 ....ou f21 parvient alors, par l'intermédiaire d'un amplificateur de puissance à large bande 29 aux transducteurs. De cette manière on peut par conséquent construire un déflecteur de lumière acousto-optique ayant un bon 35 fonctionnement et possédant une grande largeur de bande. 71. 44802 7 2118071 REVENDICATIONS - 1. Déflecteur acousto-optique de la lumière, constitué par un cristal servant, de milieu acoustique qui est excite avec des ultra-sons par l'intermédiaire d'un transducteur, 5 et qui dévie en fonction de la fréquence acoustique un rayon lumineux incident à peu près parallèle aux fronts de l'onde acoustique, ainsi que par un dispositif de commande qui alimente les transducteurs piézoélectriques avec une fréquence dont on peut commander la variation,caractérisé par le fait que l'on XO dispose sur le milieu acoustique plusieurs transducteurs piézoélectriques, calculés pour des gammes de fréquence juxtaposées. 2. Déflecteur acousto-optique suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on dispose les plaques cristallines utilisées en tant que transducteurs piezo-15 électriques, sur le milieu acoustique de façon qu'elles soient inclinées les unes par rapport aux autres. 3. Déflecteur acousto-optique de la lumière suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on dispose les transducteurs piézoélectriques les uns a côté des 2C autres dans une zone partielle, non pas de façon inclinée les uns par rapport aux autres, mais au contraire parallèlement les uns aux autres, ces transducteurs étant en ce lieu reliés électriquement en opposition avec un oscillateur variable. 4. Déflecteur acousto-optique suivant la 25 revendication 1, caractérisé par le fait que les transducteurs piézoélectriques sont constitués par des matériaux cristallins différents tels que les amplitudes acoustiques émises par les transducteurs soient égales entre elles. 5. Déflecteur acousto-optique suivant l'une 30 des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé par le fait que les transducteurs sont dimensionnés de telle sorte que les fréquences de deux bandes voisines coïncident, pour la fréquence où le rendement de déflexion est abaissé jusqu'à sa demi-valeur maximale. 6. Déflecteur acousto-optique de la lumière 35 suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé par le fait que le dispositif de commande comporte un oscillateur à fréquence fixe et un oscillateur à fréquence variable ainsi qu'un dispositif mélangeur dans lequel la fréquence fixe et la fréquence variable sont superposées en vue d'obtenir la fréquence de comman-40 de. 71 44802 s 2118071 7. Déflecteur acousto-optique de la lumière suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé par le fait l'installation de commande possède une série d'oscillateurs dont les fréquences sont invariables et qui est reliée, par l'intermédiaire de commutateurs électroniques par l'intermédi aire d'une barre collectrice, avec un ou plusieurs transducteurs. 8. Déflecteur acousto-optique de la lumière suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractéri sé par le fait que l'on divise tout le domaine de fréquence en octaves et que l'on transmet les fréquences des différentes octaves à des barres collectrices distinctes qui sont pourvues de filtres passe-bas. 9. Déflecteur acousto-optique de la lumière suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caractérisé par le fait que l'on relie les transducteurs avec le cristal, utilisé en tant que milieu acoustique, par pressage à froid dans le vide avec interposition de matériaux à bas point' de fusion tels que l'indium, le thalium etc....