Brevet FR2137298A1 — publié le 19721229

La présente invention a pour objet un dispositif de défle- xion optique d'un faisceau lumineux à laide d'ondes ultra-sonores. Un tel dispositif peut être utilisé par exemple dans une mémoire optique. Il est bien connu dans la technique de dévier un faisceau lumineux par un faisceau d'ultrasons. Le faisceau lumineux utilisé est engendré par un laser qui donne une lumière cohérente. Un transducteur piézo-électrique convenablement excité produit des ondes acoustiques planes, en général ultrasonores, dans un milieu élastique et transparent pour la lumière utilisée, qui est interposé rle trajet du faisceau. La lumière à la sortie dudit milieu est de la lumière diffractée. La théorie physique complète de ce phénomène est exposée par exemple dans l'article de Klein et Cook intitulé "Unified Approagh to Ultrasonie Light Diffraction" de la Revue "Transaction on Sonics and Ultrasonics", Vol. Su 14, N 3, Juillet 1965. Dans les conditions où la déflexion est possible, l'angle de déflexion 20 est donné par la formule. 28 x n.-V f (1) où X est la longueur d'onde de la lumière utilisée, f est la fréquence des ultrasons engendrés, V est leur vitesse dans le milieu d'interaction, n est l'indice de réfraction de ce milieu. Cependant, pour chaque longueur d'onde, les conditions les meilleurs de la déflexion ont lieu pour une incidence #o du du fais- ceau lumineux par rapport au plan du transducteur qui est donnée par #o = # f (2) 2nV qui est précisément la moitié de la déflexion totale obtenue. L'angle e est appelé l'angle de Bragg et lorsque l'angle d'in o cidence est égal à l'angle de Bragg, la proportion de lumière diffractée est maximum. Si l'angle d'incidence est constant et égal à l'angle de Bragg e pour une fréquence f et si la fréquence f o o varie autour de f à puissance acoustique constante,l'angle de déflexion total varie mais la proportion de lumière diffractée diminue au fur et à mesure que l'on s'écarte de f . Il est donc o possible de définir une largeur de bande de fréquence admissible. On a démontré que le nombre maximum N de points de déflexion linéaire utilisables (obtenus par exemple sur une droite perpendiculaire au rayon diffracté moyen) est donné par N = tt d f (3) où t est le temps d'accès et A f la largeur de bande de fréquence correspondant à tous les faisceaux de déflexion donnant des points de deflexion et dont l'in IM tensité est comprise entre les valeurs TU et - , I étant l'in 2'M 'M 2 M tensité maximum correspondant à l'angle de Bragg. t est égal au temps mis par l'onde acoustique pour parcourir le faisceau lumineux de dimension D dans le sens de propagation des ultrasons (pratiquement D est le diamètre de la section droite du faisceau lumineux). On a donc D = V (4) La valeur maximum de t est limitée par la valeur maximum deD qui doit rester dans certaines limites imposées, soit par l'optique utilisée, soit par les dimensions du matériau émetteur, soit par l'atténuation des ondes ultrasonores. L'augmentation de la largeur de bande ne peut entre obtenue qu'en amortissant le transducteur ou en utilisant un réseau de transducteur à échelons d'une realisation technologique difficile et présentant des pertes acoustiques. La présente invention évite ces inconvénients. Suivant une première caractéristique, il est prévu plusieurs transducteurs échelonnés le long du faisceau excité sur des fréquences différentes et dont les bandes acoustiques sont contiguës ou se chevauchent, l'extrémité de la bande de fréquence d'un transducteur coincidant autant que possible par exemple avec le début de la bande du transducteur suivant, ces transducteurs étant en outre orientés séparément de façon à ce que le faisceau de lumière incidente soit. dirigé suivant l'angle de Bragg de chaque transducteur. Suivant une deuxième caractéristique, un seul transducteur est excité à la fois. Suivant une troisième caractéristique, il est prévu deux séries de transducteurs situés dans deux plans perpendiculaires, chaque série étant constituée conformément à la première caractéristique, un transducteur de la première série et un transducteur de la deuxième série étant excités simultanément de façon à effectuer une déflexion suivant deux axes de coordonnées X et Y. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre et aux dessins annexés dans lequels - la Fig. 1 représente une cellule de déflexion élémentaire d'un type connu; - la Fig. 2 représente un schéma de principed'un dispositif de déflexion linéaire à trois cellules selon l'invention; - la Fig. 2a représente schématiquement un dispositif de déflexion de surface; - la Fig. 3 représente une vue partiellement en perspective d'un dispositif de déflexion de surface à six cellules selon l'invention; - la Fig. 4 représente une vue en perspective avec des parties arrachées d'un dispositif de déflexion suivant deux axes de coordonnées à six cellules selon l'invention. Sur toutes ces figures, les mêmes éléments portent les mimes numéros de référence. La Fig. 1 représente une cellule de déflexion élémentaire du type bien connu quartz-eau. L'eau est contenue dans le récipient 2 en un matériau transparent convenable. Le transducteur 1 est une lame de quartz horizontale en contact avec l'eau par sa face supérieure et pouvant entre excité électriquement à une fréquence f par des moyens non représentés connectés à sa face inférieure. Cette lame de quartz, ainsi excitée, entre en vibration et engendre des vibrations acoustiques dans la partie de 11 eau située au-dessus de cette lame entre les plans verticaux 6 et 7. Le faisceau lumineux de lumière cohérente 3, qui fait avec le plan du quartz l'angle e o supposé 8tre l'angle de Bragg, ressort dévié en 4.Pour cette incidence #o, les plans d'onde acoustique tels que 5 se comportent comme des miroirs plans partiellement réfléchissants, et l'intensité du faisceau dévié 4 est maximum, la déviation obtenue étant égale à 28 . Si l'angle d'incidence e n'est pas égal à e, l'in- o tensité du faisceau dévié 4 diminue, comme indiqué ci-dessus. Si, en outre, la fréquence d'excitation du quartz varie, l'angle d'in cidence e étant constant, cet angle e n'est plus l'angle de Bragg o o et la déviation totale 2# varie. La déviation totale de la cellule étant proportionelle à la fréquence d'excitation acoustique f du quartz, le faisceau 4 se rapproche de ithorizontale quand f diminue et s'en éloigne quand f augmente. La Fig. 2 représente un schéma de principe d'un dispositif de déflexion linéaire à trois cellules selon l'invention. La cuve 2 remplie d'eau comporte à sa partie inférieure trois lames de quartz la, lb, 1c excitées sur des fréquences respectives f1, f2, f3 convenablement décalées par un générateur électrique non représent. Ces fréquences f1, f2, f3 et les bandes passantes correspondantes #f1, #f2, #f3 sont choisies de façon à avoir un faible recouvrement de l'une & à Y autre ou de façon à entre contiguës. Ces quartz engendrent des ondes acoustiques. Le faisceau lumineux 3, 4 engendre par un laser non représenté est dévié par celui des quartz la, lb, lc qui est excité, un seul de ces quartz étant excité à la fois. Les lames de quartz la, lb, 1c sont orientées de façon telle que le faisceau lumineux fasse avec ces lames des angles égaux respectivement à leur angle de Bragg qui dépend, comme indiqué ci-dessus, de leur fréquence dsexcitation. Les différentes déflexions du faisceau s'obtiennent en excitant séparément les lames de quartz la, lb, lc, et en faisant varier leurs fréquences moyennes f1, f2, f3 de valeurs discrètes convenablement calculées à intérieur de leur bande passante. A titre d'exemple, le faisceau dévié 4 tombe sur une surface 18 perpendiculaire au faisceau lumineux 3. Les plages de dé- viation 18a, 18b, 18c, obtenues lorsque les quartz respectifs la, lb, le sont excités séparément, sont contiguë en sorte que le dispositif permet de balayer linéairement la totalité de ces trois plages. La Fig. 2a représente schématiquement la surface 18 dans le cas d'un dispositif de déviation de surface utilisant deux séries de quartz, la, lb, 1c et l'a, 1'b, 1'c, situées dans des plans perpendiculaires. Deux quartz, appartenant l'un à la première série, et l'autre à la deuxième série, sont excités simultanément, et le carré correspondant peut être balayé. Ce dispositif permet ainsi de balayer les neuf carrés représentés. La Fig. 3 représente schématiquement un banc d'optique permettant d'obtenir une déflexion dans un plan perpendiculaire au faisceau. L'ensemble 10 constitue la source laser, qui émet un faisceau de lumière cohérente 3 sur une longueur d'onde déterminée. Le système optique 11 et 12, équivalent à une lunette, a pour objet d'augmenter le diamètre du faisceau. La cuve 2 remplie d'eau comporte six lames de quartz représentées schématiquement en la, lb, 1c et l'a, 1'b, 1'c orientées suivant leur angle de Bragg par rapport au faisceau.Les quartz la à lc sont placés sur la face supérieure et les quartz 1'a à lic sont placés sur une face latérale, Ces quartz peuvent être excités par un système électronique comprenant un générateur 13 d'une tension sinusoïdale de fréquence réglable, un amplificateur 14, un dispositif de commutation 15 et des lignes de transmission 20 21, 22 vers les quartz la à lc lets lignes de transmission vers les quartz 1 'a à 1 10 n'ont pas été représentées pour simplifier), ce système étant agacé de façon à pouvoir exciter simultanément un quartz de la face supérieure et un quartz de la face latérale de la cuve 2.Le faisceau de sortie 4 de la cuve 2, après déflexion, est concentré par le système optique 16, 17 et vient tomber sur une mémoire optique 18, chaque position du faisceau lumineux correspondant à un minihologramme dans le cas dtune mémoire holographique par exemple. La Fig. 4 représente, de façon plus détaillez, en perspective et partiellement arrachée, une cuve à eau avec six quartz analogue à celle de la Fig. 2. Les quartz la à le et 11a à 1'c sont excités par lintermédiaire de câbles coaxiaux. Le quartz la par exemple est excité par l'intêrmédiaire du cable coaxial 23a, le fil intérieur de ce coaxial étant relié directement à la face supérieure de ce quartz. Ces quartz sont orientés suivant l'angle de Bragg par rapport au faisceau lumineux 3, 4. A cet effet, le quartz le (non visible) par exemple est relié rigidement à un plateau 24c dont l'orientation peut être modifiée par rapport à deux plans de référence à l'aide des quatre vis 25c et 26c d'une part, puis 27c et 28c de l'autre. Sur la figure sont visibles les plateaux coupés des quartz la, lb et 1 'a, Iibo A titre d'exemple, on peut réaliser un système de déflexion comportant, pour chaque coordonnée X et Y, des quartz de fréquences centrales étagées entre 15 MHz et 40 MHz. Par application des équations (3) et (4), en prenant f = 40 MHz - 15 MHz = 25MHz D = 20mm et V = 1500 m/sec. on obtient N = 333 et, par suite, pour un déflecteur combiné dans le plan X, Y, le nombre de points utilisables est égal à N2 soit 10a000 environ, ce qui est cent fois supérieur au nombre de points obtenus avec un seul couple de quartz (la bande passante d'un quartz sur 23 MHz par exemple étant de l'ordre de 2,5 MHz). Dans l'exemple en question, le laser émet de la lumière verte, chaque quartz est adapté à un coaxial de 50n et reçoit une puissance de l'ordre du watt. Enfin, entre 15 MHz et 40 MHz, les limitations dues au fait que le faisceau lumineux ne fait plus l'angle de Bragg avec le plan d'un quartz lorsque la fréquence du générateur varie, sont inférieures à la largeur de bande acoustique des quartz. R E v E N D I C A T I O N S 1 - Dispositif de déflexion optique d'un faisceau lumineux monochromatique émis par une source à l'aide d'ondes acoustiques engendrées dans un milieu transparent traversé par le faisceau, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une série de transducteurs électro-mécaniques engendrant lesdites ondes acoustiques placés les uns à coté des autres, excités un seul à la fois par des signaux électriques alternatifs sur des fréquences différents de l'un à l'autre et orientés chacun par rapport audit faisceau lumineux suivant l'angle de Bragg e donné par l'équation e = f, f où o o 2nV ) est la longueur d'onde du faisceau, f la fréquence dtexcitation du transducteur excité, n l'indice de réfraction du milieu transparent et V la vitesse du son dans ledit milieu. 2 - Dispositif de déflexion selon la revendication 1, caractérisé en ce que les transducteurs sont des lames de quartz et en ce que le milieu engendrant des ondes acoustiques est de liteau. 3 - Dispositif de déflexion selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux séries de transducteurs placés dans des plans perpendiculaires permettant d'obtenir une déflexion dans un plan perpendiculaire au faisceau moyen suivant deux axes de coordonnées de ce plan. 4 - Dispositif de déflexion selon les revendications 1 et 5, caractérisé en ce que le faisceau, après déflexion, tombe sur une face d'un dispositif électro-optique constituant une mémoire optique. 5 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source lumineuse est un laser.