Brevet FR2212560A1 — publié le 19740726

La présente-invention concerne un dispositif - acousto-optique et plus précisément des matériaux acousto-optiques nouveaux. -On sait que les techniques relativement récentes de déflexion, de modulation ou de commutation d'ondes lumineuses visibles, ultra-violettes ou infra-rouges, font appel aux propriétés électrooptiques, magnéto-optiques ou acousto-optiques de la matière. Ces techniques couvrent un très large champ d'applications, comprenant notamment - visualisation - écriture et lecture sur mémoires analogiques et numériques - commutation a large bande y compris la commande de l'émission de lasers - modulation de la lumière, y compris celle des faisceaux de lumière cohérente utilisée a la transmission d'information. Dans les procédés electro-optiques, on soumet un matériau un champ électrique, ce qui a pour effet de créer ou de faire varier sa biréfringence, et par 1à même de modifier l'état de polarisation,d'une onde lumineuse traversant le matériau. I1 est ainsi possible de moduler l'intensité de cette onde par le moyen d'un analyseur, ou de modifier sa trajectoire dans le cas d'un milieu très anisotrope (par exemple la calcite). Les procédés magnéto-optiques utilisent, soit l'effet Faraday, qui se traduit par la rotation de la polarisation de l'onde lumineuse, permettant ainsi comme dans le cas précédent la déflexion et la modulation de cette onde, soit le dichrorsme magnétique, qui se traduit par des modifications de l'absorption de tonde lumineuse par le matériau lorsque celui-ci est soumis a un champ magnétique. Les procédés acousto-optiques utilisent les variations de l'indice de réfraction d'un matériau, sous l'influence d'une contrainte mécanique avec ou sans déformation. I1 est connu en particulier qu'il est possible de créer au sein d'un matériau une variation spatiale périodique de l'indice de réfraction au moyen d'ondes acoustiques sonores ou mieux ultra-sonores ; ces variations de l'indice du milieu, appelé encore milieu d'interaction des ondes acoustiques et lumineuses, constituent un réseau spatial de diffraction capable de défléchir en tout ou partie une onde électromagnétique lumineuse qui le traverse. Un dispositif acousto-optique réduit a l'essentiel est re présenté à la Fig. 1. I1 comprend - un élément (non représenté) producteur d'un faisceau de lumière visible ou non (schématisé en La) - un élément 1 producteur d'un faisceau acoustique, pratiquement d'un faisceau ultrasonore, constitué par un transducteur piezo électrique qui transforme une tension électrique périodique en ondes acoustiques de morne période, soit de compression (dites longitudinales), soit de cisaillement (dites transversales) - un élément acousto-optique 2 dit d'interaction entre les deux faisceaux qui peut être un cristal taillé suivant une direction cristallographique déterminée, un verre, voire même un liquide. Une couche absorbante 2a permet d'éviter les réflexions des ondes acoustiques dans le cas où l'on veut supprimer les phénomènes parasites dus aux ondes réfléchies (ondes stationnaires, échos, etc,Jt et n'utiliser que des ondes acoustiques progressives schématisées en S ; cette couche peut être d'une autre nature ou même ne pas exister, si on désire utiliser des ondes acoustiques stationnaires (modulation d'une cavité laser par exemple). Les ondes acoustiques que transmet le transducteur au cristal d'interaction provoquent a l'intérieur de celui-ci des contraintes mécaniques qui se traduisent du point de vue optique par une variation spatiale périodique de l'indice de réfraction du matériau. La zone Z du cristal soumise à ces ondes se comporte donc comme un réseau périodique tridimensionnel de diffraction, et un faisceau lumineux qui traverse ce réseau dans une direction voisine de la perpendiculaire à la direction de propagation des ondes acoustiques, est dévié en tout ou partie de sa trajectoire normale, d'un angle O qui est lié aux longueurs d'ondes acoustiques 9 et lumineuse A g dans le milieu d'interaction par la relation ou f est la fréquence des ondes acoustiques, la la vitesse de propagation de ces ondes dans le milieu d'interaction, ce qui montre déjà que l'on peut faire varier la déviation lumineuse en faisant varier la fréquence ultrasonore. On sait qu'on a été amenés a- considérer les interactions acousto-optiques comme régies par l'un ou par l'autre de deux mécanismes qui sont distingués l'un de l'autre par la valeur de la fraction sans dimensions où L est la longueur de la zone d'interaction que doit traverser le faisceau lumineux arrivant sur cette zone. Lorsque 941, on a une diffraction du type dit de Raman-Nath (ou Debye-Sears). On travaille alors à incidence quasi-normale. Le faisceau lumineux initial se divise après traversée du faisceau acoustique et du fait de l'interaction avec les ultrasons en plusieurs faisceaux d'intervalle angulaire uniforme et correspondant aux différents ordres de diffraction. Le maximum de puissance lumineuse diffusée dans chaque ordre n'est que d'environ 34% de la puissance lumineuse d'entrée. Mais l'efficacité (proportion de lumière diffractée a puissance acoustique donnée) n'est pas conditionnée par une relation critique entre les directions des deux faisceaux acoustique et optique. LorsqueI (voir Fig. 1) , on a une diffraction du type dit de Bragg. Il n'y a lors qu'un seul faisceau diffracté et l'on sait que l'efficacité maximale est obtenue pour un angle d'indidence N dit de Bragg du faisceau lumineux égal a la moitit de l'angle de déviation 2 # B et donné par ltexpression cet angle EB étant l'angle d'incidence, non du faisceau extérieur au milieu d'interaction, mais intérieur a ce milieu donc après réfraction a l'interface milieu extérieur-milieu d'interaction ou encore a l'arrivée sur la zone d'interaction. Le régime de Bragg a actuellement beaucoup plus d'importance pratique que le régime de Raman-Nath comme seul capable de dévier au moins la majeure partie de la puissance lumineuse incidente dans une seule et unique direction. Mais comme on le verra plus loin, l'invention ne se limite pas au régime de Bragg et s 'étend au contraire a l'ensemble des deux régimes. Dans le cas d'ondes ultrasonores progressives -ce qui est d'ailleurs nécessaire si l'on veut que le ou les faisceaux déviés soient d'intensité constante en fonction du temps- on définit (quel que soit le regime, Raman Nath ou Bragg), un facteur de mérite acousto-optique M2 d'un matériau d'interaction de façon que l'indice de modulation v du réseau ait pour expression où F est le flux de puissance acoustique par unité de surface et où le facteur M2 caracterisant le milieu d'interaction a pour expression où n est l'indice du matériau d'interaction p le coefficient photoélastique (élément de tenseur dudit matériau) p la densité En fait, n dépend de la polarisation de la vibration lumineuse vs de celle de la vibration acoustique et p des deux a la fois. Dans le cas particulier de la diffraction de Bragg, la proportion de lumière diffractée est donnée par sin2 V Io Z 2 On voit l'importance du facteur de mérite puisque le flux de puissance acoustique nécessaire pour obtenir un résultat I/Io donné est d'autant plus faible que M2 est plus grand. C'est la raison pour laquelle on classe souvent les matériaux acoustooptiques d'après leur facteur M2 en prenant pour celui-ci la valeur maximale que ce matériau permet d'atteindre. En régime de Bragg, si l'on suppose que l'on se place tout d'abord exactement a l'incidence de Bragg pour une certaine fré- quence ultrasonore fO, puis qu'en restant a incidence constante on fasse varier la fréquence de part et d'autre de fO, la puissance défléchie se trouve réduite par rapport a la puissance maximale correspondant a fO. On définit dans ces conditions une largeur de bande dite Bragg Af-B aux limites de laquelle la puissance défléchie est encore de 70% de la puissance maximale.Cette largeur de bande a pour valeur ou f0 est la fréquence ultrasonore a la condition de Bragg. Mais d'autre part, a un couple donné transducteur-milieu d'interaction correspond en fréquence une certaine bande Af dite acoustique autour d'une fréquence centrale f'O. La bande relative # f#/f'o ne dépend que du coefficient de couplage du milieu piézoélectrique et du rapport des impédances acoustiques caractéristiques des deux milieux en contact. En fait, dans le cas des matériaux transducteurs utilisés, par exemple du niobate de lithium, on a sensiblement #f A = 0,9 f'o On s'arrange pour que les deux bandes, la bande acoustique et la bande Bragg, colncident sensiblement. Il suffit pour cela de prendre pour fO=f'O une valeur satisfaisant l'équation d'oit On vérifie facilement que pour cette valeur de fo on a bien donc que l'on se trouve bien en régime de Bragg. L est déterminé par la puissance de commande en fonction de la technologie actuelle. On trouve aujourd'hui facilement des gén8rateurs de 1 W par lesquels la puissance utile peut être de l'ordre de 300 mW. Cette bande unique de fréquence Af une fois fixée, la largeur angulaire totale susceptible d'être balayée par le faisceau lumineux'dans la course #f en fréquence est ebtenue par différenciation de l'équation (1) Si on divise As par la divergence naturelle du faisceau lumineux laser VD, on obtient le nombre N de positions séparables ou capacité de la cellule d'interaction la quantité D/Vs est appelée temps d'accès. Pour augmenter autant que possible ce nombre N, il faut pouvoir - augmenter D, ce qui dépend de la possibilité de faire un mono cristal d'interaction de dimension relativement grande en direction de propagation des ultrasons - réduire vs qui est une caractêtistique du matériau d'inter action dans ladite direction de propagation des ultrasons. L'invention a pour but de rechercher de nouveaux matériaux acousto-optiques dont les caractéristiques permettent d'améliorer les performances des dispositifs ou appareils appliquant les techniques correspondantes. D'après l'exposé qui précède, les caractéristiques a rechercher pour ces matériaux sont les sui vantes - facteur de mérite acousto-optique M2 élevé, - faible vitesse VS de propagation des ultrasons, - possibilité d'obtenir un monocristal de relativement grandes dimensions, - faible coefficient d'atténuation des ultrasons dans toute la gamme de fréquences ultrasonores utilisées, - bonne transparence aux ondes lumineuses (visibles ou non) dans toute la gamme de fréquences lumineuses souhaitée, quoi il faut ajouter pour être complet, - bonne tenue à l'air du matériau une fois taillé et poli, notamment absence d'hygroscopie, - prix de revient raisonnable. A cette fin, l'invention part d'un dispositif acousto-optique comprenant au moins un élément producteur d'un faisceau de lu mière, visible ou non, un élément producteur d'un faisceau ultrasonore et un élément acousto-optique permettant l'interaction entre les deux faisceaux pour réaliser la diffraction d'au moins une partie du faisceau lumineux par le faisceau ultrasonore, et se caractérise en ce que ledit élément acousto-optique est cons titué par un monocristal simple ou mixte d'halogénure (s) de thallium, le ou les halogènes étant choisis dans un ensemble comprenant : chlore, brome et iode. Parmi les halogénures de thallium suivant l'invention, se trouvent des solutions solides voisines des compositions Tl(I;Br) et T(Cl,Br) déja connues dans le commerce sous les noms de KRS-5 et KRS-6 respectivement et utilisées par les techniques d'infra- rouge. Il est avantageux en particulier que l'élément acousto-optique qui est presque toujours du système cubique soit utilisé en polarisations parallèles des deux faisceaux ultrasonore et lumineux, en direction voisine de l'axe cristallographique ternaire dit 111, quel que soit le régime utilisé (Bragg ou Raman-Nath). -Sans doute, les matériaux KRS-5 et RRS-6 ont-ils déj fait l'objet d'investigations en vue de leur utilisation en technique acousto-optique. Mais à la connaissance du demandeur, aucune publication n' a encore mis en évidence les propriétés intéressantes de ces matériaux pour leur utilisation acousto-optique. C'est ainsi que dans un article de T.M. SMITH et A. RORPEL "Measurement of Light-Sound Interaction Efficiencies in Solids" in IEE Journal of Quantum Electronics, septembre 1965, pages 283, 284, le KRS-5 est bien cité mais d'orientation cristallographique quelconque et pour aboutir a cette conclusion que le facteur de mérite acousto-optique de ce matériau est d'un ordre de grandeur comparable a celui de l'eau. D'un autre côté, on trouve dans le "Handbook of Lasers with Selected Data on Optical Technologyn publié en 1971 par The Chemical Rubber Co, 18 901 Cranwood Parkway, Cleveland, Ohio 44128, que le seul renseignement concernant les halogénures de thallium donne pour le RRS-5 un facteur de mérite M2 de 118 sans préciser l'orientation cristallographique utilisée (voir dans ce volume le chapitre "Elastooptical Materials" de D.A. Pinnow, page 481, table 7-2?.. Comme on le verra a la lecture de ltexemple donné ci-aprbs, et par comparaison avec les possibilités offertes par les mat4- riaux acousto-optiques actuellement connus les halogénures de thallium fournissent suivant l'invention un meilleur compromis de propriétés que la plupart desdits matériaux connus. Cette descrip tion fera appel aux figures correspondantes annexées dans les quelles - la Fig. 1 est un schéma partiel de principe déjà utilisé pour exposex l'essentiel d'une diffraction de type Bragg - la Fig. 2 est un schéma partiel d'un dispositif permettant l'étude des propriétés élastiques et photo-élastiques d'un matériau acousto-optique par référence à la silice. EXEMPLE On utilise un dispositif de mesures analogue à celui décrit par DIXON et COHEN, in Applied Physic Letters, 1966, 8, page 205 et représenté schématiquement à la Fig. 2. Un transducteur de niobate de lithium (Li Nb 03) de coupe Y+36 est collé à l'indium sur un parallélépipède de silice fondue. Grâce à ce transducteur à très large bande acoustique, on peut produire des ondes acoustiques longitudinales entre 80 et 250 MHz et de section carrée 2 mm x 2 mm. Un monocristal disponible sur le marché sous le nom de KRS-5 (51,3% d'iodure de thallium et 48,7% de bromure de thallium en poids), appartenant au système cubique, a été taillé et poli suivant ses axes cristallographiques, puis collé à l'autre extrémité du parallélépipède de silice. On produit des ultrasons sous forme d'impulsions de durée variable entre 0,1 et 0,5 ps. On dirige d'autre part un faisceau laser à l'hélium-néon (longueur d'onde dans le vide de 6328 A) successivement sur la silice et sut le cristal de KRS-5. L'impulsion acoustique se propage d'abord dans la silice puis dans le KRS-5 et donne naissance à d'autres impulsions transmises ou réfléchies quand elle aborde à incidence normale l'interface de séparation de deux milieux d'impédances acoustiques différentes (silice-KRS 5, KRS 5-air, silice-transducteur). Toutes les interfaces sont planes de manière à conserver la direction de propagation des ultrasons. Chaque fois qu'une impulsion acoustique traverse le faisceau laser incident, il y a création d'une impulsion lumineuse déviée qui peut être recueillie sur un photomultiplicateur. La mesure de l'angle de déviation SQfS/vS permet de calculer les vitesses acoustiques ; les différentes impulsions sont alors repérables par les intervalles de temps qui les séparent sur un oscilloscope. Ces vitesses permettent d'accéder aux constantes élastiques. Les intensités lumineuses diffractées I1 à 14 permettent par les équations acoustiques de passage entre différents milieux d'obtenir le rapport M2 (matériau M2 (silice) L'atténuation des ultrasons dans le matériau à la fréquence de travail est obtenue en faisant le rapport de deux échos successifs I3 et 14. Elle est ensuite ramenée à l'unité de longueur et exprimée en décibels. En faisant varier la polarisation et la direction du faisceau ultrasonore ainsi que la polarisation de l'onde lumineuse incidente, on arrive à déterminer tous les éléments des tenseurs d'élasticité et de photo-élasticité. Des mesures redondantes permettent de confirmer les résultats et de déterminer le signe des coefficients de photo-élasticité. Les résultats les plus importants concernant le KRS-5 sont consignés dans le tableau suivant (deux dernières colonnes) qui fait un rapprochement avec d'autres matériaux acousto-optiques connus et qui précise en outre les gammes de transparence optique. Largeur de Facteur Atténuation Matériau Formule bande utile de des ondes optique mérite ultrasonores (en vm) M2 (a) å 509 MHz (en dB/cm) silice fondue (prise comme SiO 0,2-2,5 1 3,0 référence 2 pour M2) acide a-iodique a-HI03 0,4-1,3 55 2,5 molybdate de plomb Pb MoO4 0,4-5,5 24 2,5 paratellurite TeO2 0,35-5 525 45 KRS-5 T(Br,I) Q,6-30 1000+15% mérite M2 sa valeur maximale. On voit en particulier que le facteur de mérite M2 du KRS-5 est remarquablement élevé. Cette valeur est obtenue en polarisations parallèles des faisceaux acoustique et optique en direction de l'axe ternaire dit 111 de la maille cubique du cristal. Les autres propriétés intéressantes du KRS-5 sont les suivantes - l'atténuation des ondes ultrasonores est très convenable - sa gamme de transparence optique est considérable en comparaison des autres matériaux acousto-optiques connus - la vitesse de propagation des ultrasons y est relativement fai ble (de l'ordre de 2000 m/s) - il peut être obtenu en cristaux de dimensions relativement grandes - sa teneur à l'air en ce qui concerne en particulier son poli est irréprochable ; - enfin, son prix de revient est relativement faible. Des essais d'utilisation du KRS-5 sur un déflecteur linéaire de type classique ont donné les résultats suivants On a utilise un transducteur centré sur 130 MHz à bande passante de même valeur. Le faisceau acoustique se propageait suivant l'axe ternaire (111) était de section carrée de 2 mm x 2 mm. Le faisceau optique donné par un laser à l'hélium o néon donc à 6328 A avait un diamètre de 2 mm. Un tel déflecteur a permis d'obtenir 130 positions diffé rentes avec un temps d'accès de 1 ts et ce résultat, grâce au coefficient de mérite du RRS-5, a pu être obtenu par une puissance acoustique utile de 26Q mW. Des mesures et essais d'utilisation analogues faits en remplaçant KRS-5 par KRS-6 ont donné des résultats tout à fait ccmparables. REVENDICATIONS 1.- Dispositif acousto-optique comprenant au moins un -élément~producteur d'un faisceau de lumière, visible ou non, un élément producteur d'un faisceau ultrasonore et un élément acousto-optique permettant une interaction entre les deux faisceaux pour réaliser la diffraction d'au moins une partie du faisceau lumineux par le faisceau ultrasonore, caractérisé en ce que ledit élément acousto-optique est constitué par un monocristal simple ou mixte d'halogénure (s) de thallium, le ou les halogènes étant choisis dans un ensemble comprenant chlore, brome et iode. 2.- Dispositif acousto-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément acousto-optique est constitué par une solution solide d'iodure et de bromure de thallium, dans des proportions en poids de tordre de 51,3% du premier et de 48,7% du second, connue sur le marché sous le nom de KRS-5. 3.- Dispositif acousto-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément acousto-optique est constitué par une solution solide de chlorure et de bromure de thallium, dans des proportions en poids de l'ordre de 70,2% du premier et de 29,88 du second, connue sur le marché sous le nom de KRS-6. 4.- Dispositif acousto-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément acousto-optique, dans le cas ou il est du système cubique, est utilisé en polarisations parallèles des deux faisceaux, ultrasonore et lumineux, en direction voisine de l'axe cristallographique ternaire dit 111, quel que soit le régime de diffraction utilisé, Bragg ou Raman-Nath.