Brevet FR2158503A1 — publié le 19730615

L'invention concerne un déflecteur acoustique pour un faisceau lumineux, et plus particulièrement, un tel déflecteur pouvant dévier une réfraction de premier ordre d'un faisceau lumineux incident d'un angle relativement important. Les déflecteurs lumineux acoustiques comportent un support acousto-optique, tel que le verre ou le molybdate de plomb, placé dans le trajet d'un faisceau lumineux provenant d'un laser. Un transducteur électroecanique place d'un côté du support produit des ondes de contrainte qui se propagent dans le support et y forment un réseau de diffraction. L'angle du faisceau de sortie diffracté ou dévié dépend de la période de l'onde de contrainte, celle-ci dépendant de la fréquence du signal électrique appliqué au transducteur électromécanique. Cependant, la gamme des angles de déviation qui peut etre obtenue est très limitée, car la quantité dé lumière du faisceau incident qui est diffracté, est uniquement maximale lorsque le faisceau lumineux incident fait avec précision un angle égal b l'angle de Bragg avec la direction de propagation du réseau de diffraction de l'onde de contrainte dans le support. Par conséquent, lorsque la fréquence sonore croit pour augmenter l'angle de déviation de la lumière diffractée, la proportion de lumière diffractée diminue.Pour des angles de déviation supérieurs, la lumière incidente fera un angle différentepour satisfaire aux conditions de l'angle de Bragg. Par conséquent, la gamme angulaire selon laquelle un faisceau lumineux peut etre dévié est limitée à une gamme d'environ 5 milliradians, tout en maintenant une efficacité de diffraction raisonnable. Une gamme supérieure de déviation peut Btre obtenue en-modi- fiant la direction selon laquelle l'énergie acoustique est propagée dans le support, lorsque la fréquence du signal électrique appliqué au transducteur varie. L'angle de propagation acoustique peut s'aligner avec l'angle de Bragg nécessaire, pour obtenir des quantités variables de déviations du faisceau lumineux. Un tel montage est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3.502.879. Ce montage comporte un déflecteur comprenant plusieurs transducteurs disposés selon une rangée, et en contact avec une surface du support.Par commande de la phase relative des signaux électriques provenant d'une source, appliqués aux transducteurs respectifs, l'angle de propagation de l'énergie acoustique peut être orienté d'une quantité prédéterminée, lorsque la fréquence du signal varie Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, les transducteurs comportent : des premières électrodes à couche mince conduc trices des transducteurs respectifs, disposes selon une rangée, et en contact étroit avec la surface mentionnée ci-dessus du support acoustooptique; une plaquette en cristal piézoélectrique ayant une premier surface reliée aux électrodes A couche mince conductrices; et une seconde rangée d'électrodes, reliées A une seconde surface de la plaquette en cristal piézoélectrique, la seconde surface étantopposée A la première; les électrodes de la première rangée chevauchant les électrodes de la seconde rangée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est un schéma d'un déflecteur lumineux acoustique conforme à l'invention, pour obtenir une gamme angulaire importante de directions de déviations de sortie; - la figure 2 est une vue non coupe fragmentaire agrandie du transducteur de la figure 1; et - les figures 3 et 4 sont des diagrammes utiles pour expliquer le fonctionnement du déflecteur de la figure 1. La figure 1 représente un support acousto-optique 10 qui peut etre de l'eau, du verre, du quartz, ou tout autre matériau photoélastique convenable, transparent à la lumière qui doit etre déviée, et qui constitue un support efficace pour la transmission des ondes de contrainte acoustique. Une extrémité du support 10 comporte un transducteur électromécanique 12 pour propager une onde acoustique à travers le support 10 en direction d'une extrémité acoustique 13. Le transducteur 12 est constitué d'une première rangée d'électrodes séparées 14, 15, 16, 17, d'une plaquette piézoélectrique 20, et d'une seconde rangée d'électrodes séparées 22, 23, 24. Les électrodes extremes 14 et 17 sont reliées par les conducteurs26 et 27 à une source électrique A fréquence variable 28. La première rangée d'électrodes 14, 15, 16, 17 chevauche la seconde rangée d'électrodes 22, 23, 24. I1 en résulte la formation d'un réseau de rangées d'éléments transducteurs séparés, constitués chacun de parties qui se chevauchent d'électrodes de la première et de la seconde rangée, le cristal piézoélectrique 20 étant compris entre eux. Par exemple, les parties des électrodes 14 et 22 qui se chevauchent forment un premier élément transducteur 30. Les parties des électrodes 15 et 22 qui se chevauchent forment un second élément transducteur 31. Lorsque les électrodes extrêmes 14 et 17 sont reliées à la source électrique 28, les éléments transducteurs alternés 30 sont excités selon une phase spatiale, et les éléments intermédiaires 31 sont excités dans la phase opposée. C'est-A-dire que, dans une condition instantanée du potentiel en courant alternatif de la source, le champ électrique dans les éléments transducteurs alternés 30 peut etre dirigé vers le bas du dessin, alors que le champ électrique dans les éléments transducteurs intermédiaires 31 est dirigé vers le haut. Par conséquent, l'onde acoustique 38 qui se propage dans le support 10 a une direction angulaire déterminée par la fréquence de la source électrique 28. Le transducteur multi-élément 12 est réalisé à une extrémité du support acoustique 10, en préparant une seule pièce de cristal piézoélectrique 20, de dimension importante, tel que du niobate de lithium, et comportant une surface lisse en contact avec une surface extreme lisse du support acoustique. Le support 10 et le cristal 20 sont placés dans une chambre à vide avec des masques qui définissent la première rangée d'électrodes 14, 15, 16, 17. Les deux surfaces accouplées sont métallisées par du chrome et de 1 'or ayant une épaisseur de quelques milliers d'angstroms, puis revotes d'indium sur une épaisseur similaire.Le support acoustique et le matériau piézoélectrique sont ensuite reliés ensemble en mettant en contact les surfaces revêtues d'indium, sous vide, et en appliquant une force d'environ 281 A 351 kg/cm2 pendant quelques minutes. Ceci constitue la première rangée d'électrodes du transducteur multi-élément 12, et constitue une liaison de transmission du son entre le matériau piézoélectrique et le support acoustique. Le matériau piézoéelctrique ainsi relié peut ensuite etre mis b la masse et poli selon une épaisseur déterminée par les fréquences de l'oscillation acoustique. L'épaisseur peut entre de l'ordre do 25 microns, si la fréquence souhaitée se situe dans une gamme de 150 )Hz. Après avoir obtenu l'épaisseur finale souhaitée du matériau piézoélectrique, la seconde rangée d'électrodes 22, 23, 24 est métallisée sur la surface exposée, chevauchant la première rangée d'électrodes, comme représenté. Les fils 26 et 27 sont reliés aux électrodes extremes par soudure, pâte à l'argent ou par contacts par pression. Les dimensions du transducteur multi-élément sont choisies de manière que la direction angulaire de propagation de l'un des faisceaux acoustiqueede premier ordre 38 dans le support 10 s'aligne avec l'angle nécessaire entre le faisceau lumineux incident et le faisceau acoustique, pour obtenir la déviation de Bragg efficace dans une certaine gamme d'angles de déviation du faisceau lumineux. Initialement, une fréquence de Bragg de référence f est déterminée, A partir de laquelle o le faisceau acoustiquedoit s'aligner Zette fréquence de Bragg de référence détermine l'angle d'alignement a de la figure 1, de façon que a = 2 f a X étant la longueur d'onde de la lumière et 9 étant la vitesse du son dans le support acousto-optique.L'épaisseur du transducteur est choisie de manière qu'il résonne à une Féquence f t supérieure à f o La dimension d de chaque paire d'éléments transducteursest donnée par la formule où A0 est la longueur d'onde du son dans le support acousto-optique à la fréquence de référence, et est égal 9 o La gamme angulaire R de déviation en radians, dans des conditions de non-dispersion est donnée par la formule étant la longueur d'onde du faisceau lumineux, et w la longueur de la rangée des éléments transducteurs. Plus la longueur w est petite, plus la gamme angulaire est importante, mais encore, plus l'efficacité de diffraction lumineuse est faible. I1 faut choisir w de manière à ce qu'il corresponde à une fficacité d'environ 50%. Pour une puissance de commande aux radiofréquences dans une gamme de 0,5 et 1 W, dans une gamme de fréquences comprise entre 60 NHz et 500 MHz, w doit être compris entre 6 et 12 mm. Un faisceau lumineux incident, provenant par exemple d'un laser (non représenté) est dirigé le long d'un trajet 34 à travers le support acousto-optique 10, d'où le faisceau lumineux sort le long d'un trajet'd'ordre zéro" 36. Lorsque la source électrique 28 applique un signal de fréquence donnée aux électrodes 26 et 27 du transducteur 12, celui-ci produit des vibrations acoustiques qui se propagent dans le support 10 vers la borne 13. L'onde acoustique propagée est représentée sur la figure 1 par des lignes parallèles 38 représentant les fronts d'onde de contrainte élevée, à un instant donné. La direction de propagation de l'onde acoustique est représentée telle que le front d'onde propagé soit parallèle A une ligne de référence géométrique 40. Le faisceau lumineux incident 34 est représenté faisant un angle a avec la ligne de référence 40, cet angle a étant l'angle de Bragg pour lequel se produit le maximum de diffraction du premier ordre. Le faisceau de sortie de diffraction du premier ordre suit un trajet 42 qui fait un angle B avec la ligne de référence 40. L'angle B est égal A l'angle de arsa a. En assumé, en l'absence d'excitation du transducteur 20 par la source 28, le faisceau lumineux incident 34 suit le trajet de sortie d'ordre zéro 36. Cependant, lorsque le transducteur 20 est excité A une fréquence donnée à partir de la source 28, le faisceau lumineux incident 34 est diffracté entre le trajet d'ordre zéro 36 et le trajet de premier ordre 42, ainsi que d'autres trajets de sortie d'ordre supérieur non représentés sur le dessin.L'inclinaison de la direction de la propagation acoustique dans le support 10 est due A l'annulation et au renforcement des énergies acoustiques qui se propagent depuis les éléments transducteurs individuels 30, 31. On se référera maintenant au diagramme de la figure 3 qui est un diagramme en coodonnées polaires des directions de la propagation de l'onde acoustique dans le support 10. L'amplitude et la direction de l'onde acoustique représentée par les lignes 38 de la figure 1, portent la raeme référence 38 sur la figure 3. Le faisceau acoustique de premier ordre 38 est représenté comme ayant une direction Ibl par rapport à la direction 44 du faisceau acoustique d'ordre zéro. Un autre faisceau acoustique de premier ordre non utilisé est représenté en 46. Le faisceau lumineux incident 34 est représenté sur la figure 3 pour titre dévié par le faisceau acoustique de premier ordre 38 et pour produire un faisceau lumineux de sortie diffracté de premier ordre 42.Le faisceau lumineux incident 34 fait un angle al avec la ligne de référence 40 représentant la direction des fronts d'onde dans le faisceau acoustique 38. Le faisceau lumineux de sortie diffracté 42 fait un angle ssl avec la ligne de référence 40, étant égal à l'angle de Bragg al. Le diagramme de la figure 3 représente le fonctionnement du déflecteur lumineux de la figure 1, lorsqu'une fréquence donnée fl est appliquée par la source 28 pour produire un angle de déviation el. Le diagramme de la figure 4 représente le fonctionnement du déflecteur lumineux de la figure 1, lorsqu'une fréquence supérieure f2 est appliquée par la source 28 pour dévier le faisceau lumineux incident 34 d'un angle supérieur e2. La source de fréquence variable 28 peut varier en fréquence dans une gamme d'un octave, par exemple entre 100 et 200 MHz. Sur la figure 4, le faisceau lumineux incitât 34 fait le méme angle C avec une ligne de base de référence, comme dans le cas de la figure 3. Sur la figure 4, la fréquence supérieure f2 de la source 28 permet au faisceau acoustique de premier ordre 38' dans le support 10 de faire un angle 2 avec La ligne normale 44 inférieur à l'angle 1 de la figure 3, obtenu lorsque la fréquence est fl. Cette direction différente du faisceau acoustique 38' a un front d'onde parallèle à la ligne de référence 40' qui fait un angle a2 avec le faisceau lumineux incident 34 supérieur à l'angle al de la figure 3. Cet angle supérieur a2 sur la figure 4 est l'angle de Bragg nécessaire pour une diffraction efficace du faisceau lumineux de sortie 42' selon un angle de déviation plus grand e2, par rapport à l'angle de déviation plus petit el de la figure 3.Bien que les angles représentés sur les figures 3 et 4 soient exagérés, la gamme de déviation des angles de sortie entre l'angle el et l'angle e2 est beaucoup plus importante que la gamme des angles de déviation possible dans un déflecteur lumineux ne comportant pas le transducteur multi-élément 12. Le transducteur multi-élément 12 est réalisé de manière que le faisceau acoustique de premier ordre qui se propage dans le support 10 suive des directions qui s'alignent avec les directions nécessaires pour s'adapter à l'angle de Bragg nécessaire pour une déviation efficace du faisceau lumineux dans une gamme des angles de déviation de sortie comprise entre el et e2. L'alignement est effectué par la réalisation décrite, et la vitesse de variation de l'angle de difraction acoustique (d est égale à la vitesse de variation de l'angle de Bragg a pour lequel se produit la diffraction lumineuse efficace. La réalisation est très efficace, car le faisceau d'ordre zéro, et meme les faisceaux d'ordre supérieur sont supprimés, et environ 82% de l'énergie du faisceau incident sont concentrés dans les faisceaux de premier ordre. Ceci signifie qu'environ 41% de l'énergie sont dans le faisceau de premier ordre utilisé. La réalisation décrite présente également l'avantage que l'intensité du faisceau de premier ordre reste constante lorsque l'angle de déviation varie en faisant varier la fréquence de la source électrique 28. I1 va de soi que l'invention décrite est susceptible de nombreuses modifications ou variantes sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Déflecteur acoustique pour un faisceau lumineux, comportant un support acousto-optique destiné à etre placé dans le trajet du faisceau lumineux; et plusieurs transducteurs électromécaniques disposés selon une rangée, et en contact avec une surface du support acousto-optique pour la commande du support; ce déflecteur étant caractérisé en ce que les transducteurs comportent des électrodes à couchoeconductrices disposées selon une rangée, et en contact étroit avec ladite surface du support; une plaquette de cristal piézoélectrique ayant une première surface reliée aux électrodes en couche mince; et une seconde rangée d'électrodes reliée à une seconde surface de cristal opposée à la première surface, les électrodes de la première rangée chevauchant les électrodes de la seconde rangée. 2 - Déflecteur acoustique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parties des électrodes qui se chevauchent dans la predère et la seconde rangée, ainsi que le cristal piézoélectrique compris entre elles forment plusieurs éléments transducteurs individuels; et en ce qu'un moyen est prévu pour relier les électrodes extrêmes à une source électrique de fréquence variable; de manière que les éléments transducteurs alternés soient excités dans une phase spatiale et les éléments transducteurs intermédiaires soient excités dans la phase opposée. 3 - Déflecteur acoustique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments transducteurs ont des dimensions telles que la direction de propagation d'un faisceau acoustique de premier ordre dans le support varie lorsque la fréquence de la source électrique varie, et varie de façon à s'aligner avec la direction nécessaire pour obtenir la déviation de l'angle de Bragg efficace du faisceau lumineux dans une gamme étendue d'angles de déviation lumineux.