Brevet FR2132096A1 — publié le 19721117

De façon générale, les dispositifs opto-açoustiques (lesquels sont parfois dénommés aussi dispositifs opto-élastiques), bien que relativement récents, sont bien connus dans la technique et l'on peut se reporter à cet égard à l'article intitulé " A 5 Revietr of Àcousto-optical Defleetion and Modulation Devices " par E. X. Gordon, lequel est paru dans le compte-rendu de la "I.E.E.E. /"lOj 1391 ~ 1401 ( 1966 }, ain-i qu'à un article intitulé " Die-lectricMaterials for Electroopti^;, Elastooptic and Ultrasonic Device Application" par E. G» Spencer, qui est paru dans le compte-rendu 10 de la "I.E.E.E., 55 £[£/ 2074 » 2108 ( 196? ). Ainsi qu'il est clairement exposé dans le dernier article susmentionné, les dispositifs opto-acoustiques sont particulièrement bien venus pour être utilisés avec les dispositifs à laser pour la modulation, la déviation, etc. des faisceaux lasers. Toutefois, il est évident que de 15 tels dispositifs sont susceptibles d'autres applications. La présente invention concerne un dispositif opto-acoustique d'un type nouveau, dans lequel il est fait usage de vitrocéramiques transparentes en guise de modulateurs opto-acoustiques, d'interrupteurs "Q" et/ou de déflecteurs, etc., à laser. 20 La présente invention est fondée sur l'utilisation de matériaux présentant une composition constante et qui, en cours de fabrication, peuvent se voir conférer n'importe quel indice de réfraction entre une limite supérieure sélectionnée et uns lit» mite inférieure sélectionnée au moyen d'un traitement thermique 25 approprié. La présente invention pourvoit en outre à un dispositif opto-acoustique comportant un matériau céramique transparent à base d'oxyde cristallin minéral, ledit matériau présentant des indices de réfraction optiques relativement importants, ainsi qu'une grosseur de grain extrêmement fine. 30 Ainsi qu'il est indiqué dans l'article susmentionné de E.L. Gordon, la combinaison adéquate des paramètres du matériau, en vue de déterminer les performances optimales du dispositif et que l'on désignera ci-oontre comme étant le chiffre de performance (CdP), s'établit comme suit s 35 cap = n?- ?.2 (i) p V où. : n représente l'indice de réfraction,. p représente une composante d'un tenseur photo-élastique yO représente la masss ou piids volumique et ^ 40 v représente la vitesse de phase de l'onde élastique. 72 10699 2132096 Ainsi qu'il a été indiqué ci-dessus ( et ainsi qu'il apparaît dans les articles susmentionnés), un dispositif optc-acoustique est par définition urn ensemble qui est constitué par un bloc de matière solide comportant un dispositif propre à permettre 5 l'introduction d'une onde de pression élastique dans le volume, ainsi qu'un dispositif propre à faire tourner l'orientation relative dudit bloc par rapport à un faisceau de lumière collimaté, à savoir de préférence un® lumière monochromatique dans la gamme visible et/ou infrarouge du spectreu Pour certaines applications, le maté— 10 riau ou dispositif peut être placé à l'intérieur de la cavité laser, étant utilisé en tant que partie intégrante du dispositif de laser ( se référer pour plus amples détails à l'article susmentionné rédigé par Spencer ). L'un des matériaux les plus communément utilisés dans les dispositifs opto=asoustiques est le quartz à l'état fondu, 15 mais on a également utilisé des matériaux de verre et des matériaux monocristallins ( se reporter à cet effet aux articles susmentionnés). Bien que par le passé l'on ait utilisé des matériaux totalement homogènes dans les dispositifs opto-acoustiques, à savoir plus spécifiquement des matériaux de verre et des monocristaux 20 minéraux.,, il a été constaté que l'on pouvait également utiliser à cet effet des matériaux vitrocéramiques, c'est~à-dire des matériaux polycristallins obtenus par cristallisation thermique du verre en un produit final contenant une proportion majeure de cristaux minuscules qui sont noyés ou incorporés dans une matrice de verre de 25 proportion inférieure subsistant par suite du processus de la cristallisation thermique. L'utilisation de semblables matériaux vitroeéramiques dans les dispositifs opt©«acoustiques offre un certain nombre d'avantages particuliers. Tout d'abord;, la vitrocéramique présente toujours 30 un effet opto-asoustique supérieur à celui du verre dont elle dérive. Par ailleursj, lorsqu'on utilise des verres ou autres matériaux dans les dispositifs opto-acoustiques, il est particulièrement avantageux que le matériau utilisé présente un indice de réfraction relativement élevé. Il est bien connu que plus est élevé l'in-35 dice de réfraction d'un verre, plus il est difficile d'obtenir la qualité optique ( à savoir l'absence de bulles ), de grains ou pierres et de stries ou cordes ). Ceci s'avère particulièrement vrai lorsque l'indice de réfraction s'établit à environ 1,9 ou au-dessus. Par ailleurs, l'utilisation d'une vitrocéramique dans les 40 dispositifs opto-acoustiques permet d'entamer le processus avec un 72 10699 3 2132096 verre présentant un faible indise de réfraction et donc d'obtenir un verre dont la qualité optique est très élevé© au départ, lequel peut être cristallisé sous forme d'une vitrocéramique transparente de qualité optique élevée et présentant un indice de réfraction 5 supérieur à celui du matériau de verre de départ» Le processus en question est peu coûteux* alors que les matériaux monocristal-lins qui sont dotés d'une haute qualité les désignant pour être utilisés dans les dispositifs apto-acoustiques ssuffrent d'un prix de revient relativement élevé,, éïi particulier lorsqu'il est besoin 10 de pièces de grandes dimensions, sans compter le fait qu'on se trouve limité par l'indice de réfraction précis inhérent à chaque monocristal en particulier. Par «antre, une composition de verre donnée thermiquement cristallisable, peut être traitée à chaud en vue d'obtenir de3 vitrocéramiques transparentes présentant une 15 grande variété d'indices de réfraction compris dans des limites supérieure et inférieur© prescrites, du fait qu'il suffit tout simplement de faire varier les données du traitement à chaud de chaque verre thermiquement cristallisable. Au surplus, dans bien des dispositifs les performances 20 du matériau opte-acoustique se trouvent améliorées si la différence dans les tenseurs photo-élastiques P^ et P^g est réduite, ou nulle. Etant donné que la différence entre les deux tenseurs en question dépend de l'indice de réfraction du matériau9 la détermination dudit indice de réfraction au cour» de la cristallisation par traitement 25 à chaud permet de réduire ladite différence, et parfois même à la rendre nulle» L'accroissement correspondant qui se manifeste dans les tenseurs photo-élastiques P-^ et P^ Par suite de la cristallisation constitue Tin facteur également souhaitablef étant donné que plus sa valeur est élevée plus est élevé le chiffre de performance 30 ( se reporter à l'équation susmentionnée ). Les vitrocéramiques obtenues à partir de la cristallisation thermique in situ de verres et qui s'avèrent appropriées à la présente invention sont celles qui, dans leur état cristallisé, sont transparentes à la lumière. Les compositions en question 35 comprennent celles qui contiennent de la lithine, de l'alumine et de la silice comme éléments principaux, conjointement avec un ou plusieurs agents de nucléation. Certaines compositions types pouvant être utilisées à cet effet se trouvent décrites dans les brevets britanniques n° 1 «>124.001 et 1.124.002, ainsi que dans 40 le brevet U.S. n« 3.484.328. 72 10699 4 2132096 Les vitrocéramiques q"ui sont transparentes dans la gamme visible et/ou infrarouge du spectre et qui donnent de bons résultats incluent celles contenant des systèmes oxyde alcalin - (NbgO,-, TagOj ) - SÎq2j, dans lesquels l'oxyde alcalir» est constitué par du 5 NagO,, du et du ou 11116 combinaison de deux ou plusieurs de ces oxydes alcalins» Dans la pratique,, il est préférable d'utiliser pour la présente invention des vitrocéramiques ayant tin n^ d'au moins 1,7. La présente invention sera maintenait décrite de façon 10 plus détaillée en référence aux dessins ci-annexés, sur lesquels? la figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif opto-aeoustique ( ou opto-élastique ) propre à moduler la direction, la phase, l'amplitude et/ou la fréquence de la lumière, conformément aux principes de la présente invention^ 15 la figure 2 est une vue schématique de la mise en application du dispositif opto-acoustique de la présente invention dans laquelle le matériau vitrocéramique transparent se trouve disposé dans la cavité laser. Un ïûatériau bien connu dans ce secteur de la technique 20 est la silice à l'état fondu, laquelle présente un indice de réfraction de l'ordre de 1946, étant de ce fait considérée comme matériau de référence pour les termes de "indice de réfraction relativement élevé étant bien entendu que d'autres matériaux possèdent des indices de réfraction plus élevés encore ( se reporter 25 pour plus amples détails aux articles susmentionnés )* Conformément à la présente invention, les vitrocéramiques transparentes laissant passer la gamme visible et/ou infrarouge du spectre électromagnétique et qui sont de ce fait appropriées à l'objet de la présente invention incluent les vitrocéramiques décrites ci-dessus, et en 30 particulier les vitrocéramiques appartenant aux systèmes exyde alcalin - (NbgO,., TagO^Î-SiOgy dans lesquels le métal ou oxyde alcalin est tel que décrit précédemment», Le tableau ci-après établit -la comparaison entre une composition vitrocéramique de la présente invention (vitrocéramique A ), le verre dont elle est tirée 35 ( verre A), et la silice à l'état fondu (les tenseurs photo-élastiques n'étant pas donnés )• TABLEAU I «O O o CN m *-* CN in Matériau Silice à l'état fondu Verre A Vitrocéramique A Traitement à chaud °C/h nD 705°C (2 h) nD^ 1,459 14,07 1,784 57,50 1,843 72,22 O CT sO o CN r-*. CdP CdP (sens lonsi- (gens ± tudmal ) tudinal ; —6 0,79x10" unités cgs 1 1,43xl0~6 i,8 l,77x!0"6 2,2 72 10699 6 2132096 Le verre A et la vitrocéramique A ont la composition énoncée dans le tableau ci-après^ ces deux compositions étant transparentes dans les gammes visible et infrarouge du spectre. Une partie du verre A a été cristallisée par réchauffage pendant 5 2 heures à une température de 705°C, puis pendant une l/2 h à une température de 815°C, ayant été laissée ensuite à. refroidir à la vitesse de refroidissement du four» Il en est résulté la vitrocéramique A. TABLEAU II 10 Composition Oxyde tfo de moles Terre A SiOg 55 Nb205 25 K20 20 Ainsi qu'on peut le constater d'après les tableaux ci-15 dessus, il est clair que la vitrocéramique est supérieure tant par rapport au verre dont elle est tirée que par rapport à la silice à 11 état fondu. On peut en outre utiliser divers agents de substitution pour remplacer les oxydes alcalins et réduire de la sorte l'affai-20 blissement acoustique. Cette substitution peut se faire avec un composé du type R0, tel que du BaO, et/ou du XOg, où X est du Ti, et/ou du MgOj, tel que du BigO^, ou d'autres ions et combinaisons y afférentes, qui tendent à diminuer l'affaiblissement acoustique» Des blocs identiques de verre A et de vitrocéramique A 25 ont été testés dans la configuration de la figure 1, en tant que déflecteur de faisceau laser. Un faisceau laser He-Ne de 5 milli-■watts a été dirigé sur l'échantillon, des ondes élastiques de 100 MH3 ont été engendrées par le transducteur à quartz taillé en croix 26, l'angle d'incidence du faisceau de lumière étant réglé 30 suivant l'angle d'incidence de Bragg, puis le pourcentage de la lumière déviée a été mesuré au moyen d'un tube photomultiplicateur et d'un oscilloscope. Les spécialistes versés en la matière comprendront que l'intensité lumineuse déviée par l'interaction opto-acoustique à l'intérieur du matériau est proportionnelle au chiffre 35 de performance du matériau ( voir l'équation (1) susmentionnée ), aux dimensions de l'échantillon, ainsi qu'à la densité de puissance de l'onde élastique. Sur la baae d'une densité de puissance équivalente de l'onde élastique, la vitrocéramique A a dévié 2 à 5 fois plus de lumière que le verre A. En outre, le coefficient 72 10699 7 2132096 d'affaiblissement de lsonde élastique dans le sens longitudinal, était inférieur de 21,9# pour la vitrocéramique A comparativement au verre A. Les valeurs effectivement mesurées ont été les suivantes s 5 *^1 (vitrocéramique) = 1,331 nepers/cm -§ otjL (varre) = 1,62 nepers/eœ® Bien que l'affaiblis^emar-t de l'onde élastique n'entre pas dans l'équation CeP (l), de bas coefficients d'affaiblissement constituent un atout sur le plan pratique, 10 En référence maintenant à la figure 1, la source lumineuse 20 peut être constituée par un laser ou toute autre source lumineuse monochromatique comportant un trajet de faisceau qui est désigné par la référence 21 sur le dessin, lequel peut être évidemment réglé suivant l'angle d'incidence 0 de Bragg. Dans le trajet de 15 faisceau 21 se trouve interposé un corps opto-aeoustique 22 tel que décrit précédemment. Après être passé dans le corps 22 et avoir subi de la sorte une modification, le faisceau lumineux diffracté 23 est appliqué à un dispositif d'utilisation ou d'exploitation 24. Le corps ou matériau opto-acoustique 22 est pourvu à son 20 extrémité supérieure d'un mécanisme 25 destiné à le faire tourner dans le plan y afférent, ainsi qu'à le faire pivoter au moins jusqu'à l'angle d'incidence de Brp,gg et hors d'atteinte de la source lumineuse 20 autour d'un axe d'articulation fixe qui est décalé par rapport à l'axe du faisceau 21. Dans le mode de réalisation 25 illustré sur la figure 1, le corps opto-acoustique 22 est pourvu d'un transducteur 26 qui est excité par une source de signalisation 27, laquelle peut se situer dans la gamme ultrasonique ou la gamme de haute fréquence (Ainsi qu'il a été exposé dans l'article susmentionné de Spencer, l'intensité du faisceau diffracté pour 30 les fréquences inférieures à 10 GHz est indépendante de la fréquence acoustique ). De façon classique, l'énergie acoustique agit conjointement avec l'énergie du faisceau lumineux à l'intérieur du corps opto-acoustique 22, modifiant ou modulant de la sorte les proprié-35 tés de transmission optique dudit corps 22 en regard de l'énergie lumineuse. C'est ainsi que 1 énergie acoustique engendre ce que d'autres ont décrit comme étant un réseau mobile de transmission optique, qui détermine la diffraction des faisceaux lumineux traversant le faisceau acoustique suivant un angle d'incidence 40 proche de la perpendiculaire. 72 10699 2132096 Il convient également de remarquer que le corps opto-acoustique 22 peut être orienté par rapport à l'axe du faisceau 21 de telle façon qu'il soit disposé suivant un angle autre que perpendiculaire par rapport à l'axe dudit faisceau 21, ledit angle dif-5 férant également de l'angle d'incidence de Br-agg. C'est ainsi que le corps 22 pellt être orienté de manière qu'il soit disposé suivant l'angle d'incidence de Breurster par rapport au faisceau lumineux afin de réduire l'effet d'orientation erronée, ainsi que la mauvaise configuration superficielle dudit corps opto-asoustique 22 par 10 rapport à l'axe du faisceau 21, afin d'améliorer et de renforcer son efficacité fonctionnellee En faisant varier les propriétés de 1*onde d'énergie acoustique dans le milieu, par exemple le train d'impulsions, l'amplitude, etc.», de même que l'orientation angulaire du faisceau acoustique par rapport à un faisceau de lumière 15 incidente, le dispositif peut être utilisé en tant que modulateur d'intensité, de fréquence ou de phase, d'interrupteur optique, ou de déflecteur du faisceau, etc. Par ailleurs, il ressort de la description qui précède que ledit dispositif peut être également utilisé dans les systèmes de traitement des informations et ana-20 logues. En référence maintenant à la figure 2, l'on peut constater que le dispositif est utilisé en tant qu'interrupteur WQW pour un laser du type à impulsions géantes. Dans le cas présent, le laser comporte un milieu actif tel qu'un barreau de verre dopé au néodyme 25 30 comportant une extrémité à réfléehissement total 31 qui est disposée à sa partie en bout, ainsi qu'une lampe éclair ou source de pompage 32 qui est constituée par me lampe éclair hélicoïdale qui est connectée à une source d'énergie opératoire ou de pompage ( non représentée ). L'extrémité 33 du barreau 30 du laser n'est 30 pas argentée, pouvant être découpée si on le désire suivant l'angle d'incidence de Brevster. Un deuxième miroir 34 se trouve espacé vis-à-vis de l'extrémité 33 du barreau 30 du laser, coopérant avec le miroir 31 du laser et le milieu actif du laser, soit le barreau 30, en vue de constituer une cavité laser. Entre l'extrémité 33 du 35 barreau 30 du laser et la cavité ainsi que le miroir 34 se trouve interposé un interrupteur optique 35. Ledit interrupteur optique 35 comporte un corps de matière opto-acoustique 36 ayant les propriétés décrites ci-dessus, ainsi qu'un transducteur 37 qui est excité par une source d'énergie (non représentée). A l'état non excité ou 40 activé, dans lequel aucune énergie acoustique n'est transmise au 72 10699 9 2132096 transducteur 37, l'émission laser engendrée à l'intérieur de la cavité est transmise à travers le corps opto-acoustique 36 sans subir aucun affaiblissement ou atténuation notable. Toutefois, lorsque l'énergie acoustique est appliquée au corps opto-acoustique 5 r36, et ce par application d'une énergie d'inrjmlsiorfe) au transducteur 37, la lumière se trouve diffract^e par rapport à l'axe optique du laser, de manière à réduire le gain du dispositif jusqu'en un point où il s'avère incapable d'effectuer une émission laser* De la sorte, le dispositif opto-acoustique 35 peut être utilisé de 10 façon connue en soi en vue de commander ou ^5.'enclenche* de gr&tt&es quantités d'énergie laser au moyen d'une petite quantité d'énergie appliquée au transducteur 37. Dans la mise en oeuvre de la présente invention, le matériau préféré est constitué par une vitrocéramique transparente 15 contenant une multitude de cristaux à orientation désordonnée à travers l'ensemble de la céramique, lesdits cristaux étant par ailleurs dispersés dans une matrice de verre résiduel par suite de la cristallisation précitée in situ du verre, la quasi totalité des cristaux de céramique présentant un diamètre tel le long de 20 leur dimension linéale la plus grande que la céramique s'en trouve rendue transparente à la lumière. Le diamètre des cristaux varie bien entendu en fonction de la composition du verre de départ, ainsi que du procédé particulier de traitement à chaud pour la phase de cristallisation. Les cristaux ont tous au maximum une 25 grosseur de grain inférieure à 2 microns et, de préférence, inférieure à l/3 de micron. Dans la pratique, l'ensemble des cristaux présente une grosseur de grain inférieure à 1 micron. Il résulte que grâce à l'utilisation des matériaux vitrocéramiques transparents décrits ci-contre et servant d'élé— 30 ments actifs pour les dispositifs opto-acoustiques, il est possible de réaliser aisément ces derniers en leur maintenant une composition constante et en leur conférant pratiquement n'importe quel indice de réfraction se situant entre des limites supérieure et inférieure prédéterminées. En outre, l'on peut obtenir sans difficulté des 35 vitrocéramiques partiellement cristallines au moins, de nature très homogène et optiquement transparentes, et présentant une grosseur de grain très fine ainsi qu'une large gamme d'indices de réfraction optiques. Les autres types de vitrocéramiques de nature transparente dans la gamme visible et/ou infrarouge du spectre et 40 susceptibles d'être utilisées dans la présente invention sont 72 10699 2132096 constituées par les systèmes oxyde alcalin - (NbgO^, TajO^J-SiOg. Bans le système KgO-NbgO^-SiOg, la composition vitrocéramique À est parfaitement appropriée pour les applications opto-acousti-ques. Toutefois, il doit être bien entendu que toutes les vitrocéramiques sont aptes à être utilisées dans de telles applications, pour autant qu'elles possèdent les caractéristiques décrites ci-dessus. 72 10699 « 2132096 REVENDICATIONS 1, Dispositif opto-acoustique caractérisé par le fait qu'il comporte tin moyen fournissant un faisceau d'énergie électromagnétique collimatée se situant dans la garnie du spectre allant 5 du visible à 1'infrarouges un corps en vitrocéramique partiellement cristallin au moins et de nature transparente çia&t interposé dans le trajet du faisceau préesté;, le-* cristaux distribués dans ledit corps en vitrocéramique présentait une section droite extrêmement réduite, ainsi qu'un moyen propre à. 1'introduction d'une onde 10 élastique dans ledit corps de vitrocéramique« 2* Dispositif opto-acoustique, suivant la revendication 1, dans lequel lesdits cristaux présentent dans leur dimension linéale la plus grande un diamètre inférieur à 2 microns, l'indice de réfraction étant au moins de 1,7* 15 3* Dispositif opto-acoustique, suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdits cristaux présentent dans leur dimension linéale la plus grande un diamètre inférieur à 1/3 de micron. 4. Dispositif opto-acoustique, suivant l'une quelconque 20 des revendications précédentes, lequel comporte en outre une cavité laser, ainsi qu'un moyen propre à, la fixation dudit dispositif opto-acoustique dans ladite cavité laser en vue de commander son fonctionnement* 5* Système opto-acoustique dans lequel l'énergie lumineuse 25 émanant d'une source se trouve dirigée sur une surface d'un corps possédant des effets opto-acoustiques, ledit corps étant pourvu d'un moyen propre à l'application d'une énergie acoustique destinée à permettre le passage de ladite énergie lumineuse à travers ledit corps, ainsi qu'un dispositif d'utilisation ou d'application qui est 30 destiné à recevoir l'énergie lumineuse émanant dudit corps, ledit système opto-acoustique étant caractérisé par le fait que le corps précité possédant des effets opto-acoustiques est constitué par de la vitrocéramique transparente à l'énergie lumineuse précitéep les cristaux incorporés dans ledit corps ayant une grosseur de grain 35 inférieure à 2 microns et étant répartis de façon pratiquement uniforme à travers l'ensemble dudit corps*