Brevet FR2285628A1 — publié le 19760416

La présente invention concerne de nouveaux procédé et dispositif pour la modulation de la lumière, notamment dans l'infra- rouge Elle met en oeuvre l'effet Cotton-Mouton. On sait que parmi les interactions entre la lumière et les matériaux magnétiques existent les deux effets suivants : l'effet Faraday et l'effet Cotton-uton L'effet Faraday est un effet magnéto-optique du premier ordre et l'effet Cotton-Mouton est un effet magnéto-optique du deuxième ordre. L'effet Faraday a déjà été proposé pour moduler de la lumière, notamment par Ensieur Joseph F. Dillon de la Bell Telephone Laboratories dans son brevet des Etats-Unis n 2.974.568 déposé le 15 février i957 et délivré le 14 mars 1961 et RoW Cooper et J.L. Page du mollard Research Laboratories dans une conférence sur les lasers et l'opto-électronique qui s'est tenue à l'Université de Southampton du 25 au 28 mars 1969 (The Radio and Electronic Engineer, volume 39, n 6, juin 1970). L'effet Cotton-Mouton (C.M.) ou biréfringence magnétique linéaire consiste en une double réfraction de la lumière lors de la traversée d'un matériau magnéto-optique soumis à un champ magnétique transverse. La biréfringence linéaire s'exprime par la différence de phase #CM entre deux ondes lumineuses polarisées linéairement respectivement parallèlement et perpendiculairement au champ magnétique appliqué lors de la traversée d'un cristal magnéto-optique d'épaisseur unité Le déphasage QICM qui dépend de la nature du matériau est proportionnel à l'épaisseur de matériau traversée et est une fonction de la température et une fonction paire de l'aimantation. Dans certains monocristaux, il a été observé une anisotropie de l'effet Cotton-Mouton qui consiste en une variation de ÇCM en fonction de l'orientation du champ magnétique appliqué par rapport aux directions des axes cristallographiques. Cette anisotropie dudit effet dépend fortement de la nature du cristal utilisé, de la température de celui-ci et de la longueur d'onde du faisceau lumineux. On montrera plus loin que l'utilisation de cette anisotropie permet de réaliser une modulation linéaire de la lu mièvre. La mise en oeuvre de l'anisotropie de l'effet Cotton uton dans certains cristaux ferro ou ferrimagnétiques, doit permettre une modulation à des fréquences très élevées pouvant atteindre la bande hyperfréquence avec un taux de modulation acceptable0 L'invention a donc pour objet - un procédé de modulation de la lumière, notamment dans l'infrarouge, caractérisé par le fait qu'on réalise la modulation au moyen d'un monocristal d'une substance ferro ou ferrimagnétique présentant une anisotropie de l'effet Cotton-l!buton;; - un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité, caractérisé par le fait qu'il comprend, en plus de moyens pour engendrer un faisceau de lumière polarisée rectiligne et de moyens pour détecter de la lumière polarisée rectiligne, un monocristal d'une substance ferro ou ferrimagnétique présentant une anisotropie de l'effet Cotton-1Mouton, disposé dans un champ magnétique statique perpendiculaire au trajet du faisceau lumineux traversant le cristal et des moyens pour appliquer un champ magnétique variable de modulation de manière à provoquer une déviation de l'aimantation par rapport à sa position d'équilibre; les directions du champ statique et du champ de modulation doivent être orientées par rapport aux axes cristallographiques du cristal de manière à rendre maximal l'effet de l'anisotropie cidessus décrit sur le taux de modulation On obtient ainsi un taux de modulation maximal pour une amplitude donnée de la porteuse lumineuse Etant donné que l'anisotropie de l'effet Cotton-uton augmente lorsque la température diminue, il est intéressant d'utiliser les matériaux à basse température, par exemple à la température de l'azote liquide. L'invention pourra, de toute arçon, etre bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication. La figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, dans lequel la modulation est réalisée à une fréquence élevée. La figure 2 illustre la variation de l'angle de phase d'un monocristal présentant l'anisotropie de l'effet Cotton-Mouton en fonction de l'angle a que fait le champ magnétique statique avec une direction origine E0O dans le plan cristallographique (110) du monocristal La figure 3 illustre la disposition des axes privilégiés des éléments optiques et magnéto-optique du dispositif de la figure 1 La figure 4 illustre ces dispositions dans un plan commun, Les figures 5 et 6 illustrent la partie centrale d'un dispositif selon l'invention, mettant en oeuvre une modulation en hyperfréquence au moyen d'une cavité représentée en coupe au niveau de l'échantillon suivant deux plans perpendiculaires entre eux. Selon l'invention, et plus spécialement selon celui de ses modes d'application, ainsi que selon ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, auxquels il semble qu'il y ait lieu d'accorder la préférence, se proposant, par exemple, de réaliser un procédé et un dispositif pour la modulation d'un faisceau de lumière, notamment dans l'infrarouge, au moyen d'un monocristal d'une substance ferro ou ferrimagnétique présentant une anisotropie de l'effet Cotton-Houton, on s'y prend comme suit ou d'une manière analogue. En se référant tout d'abord à la figure 1, on prévoit une source de lumière constituée par un laser 1, par exemple du type hélium-néon engendrant de la lumière monochromatique dans l'in- frarouge à la longueur d'onde de 1,15 microns, ce qui est parti culièrement adapté à la fenêtre de transparence des grenats ferrimagnétiques. Le faisceau de lumière 2 engendré par le laser 1 est polarisé dans un polariseur 3 à la sortie duquel on dispose d'un faisceau de lumière monochromatique 4 polarisé rectilignement. C'est ce faisceau 4 polarisé rectilignement qui traverse un monocristal 5 ferro ou ferrimagnétique présentant une anisotropie de l'effet Cotton-uton, par exemple un cristal de grenat.Ce cristal est soumis, d'une part, à un champ magnétique H constant produit par un électro-aimant dont on a représenté o les pièces polaires 6 et, d'autre part, à un champ magnétique de radiofréquence de modulation Hrf qui est engendré par des bo bines 7, les directions des champs H et Hrf forma avec la o nt, direction z de propagation de la lumière, un trièdre trirectangle. Le faisceau lumineux 8 polarisé rectilignement ayant subi, comme expliqué ci-après, la modulation dans le monocristal 5, traverse ensuite une lame quart d'onde 9 puis un analyseur 10 avant d'atteindre un détecteur 11 de lumière infrarouge comportant par exemple une photodiode canne élément sensible, avec sa sortie 12. Le monocristal 5 est généralement disposé dans un cryostat (non représenté), par exemple un cryostat maintenant une température de 1000K, lorsque le monocristal est constitué par un grenat TbIG grenat de terbium et de fer (Tb3 Fe5 012) ]. Dans le dispositif de la figure 1, on a constaté l'aniso- tropie de l'effet Cotton-Mouton de monocristaux ferro ou ferrimagnétiques de structure cubique du type grenat. Ceci est représenté sur la figure 2 sur laquelle on a porté en abscisses l'angle a que fait le champ de modulation avec une direction origine dans le plan cristallographique (110) d'un monocristal de YIG (Y3 Fe5 012) maintenu à 3000K, et en ordonnéesl'angle de phase . On voit, sur cette figure, la variation de avec l'o- rientation de l'aimantation à saturation Mo, l'anisotropie de la biréfringence magnétique linéaire se traduisant par l'oscilla- tion de en fonction de l'angle a.L'amplitude des oscillations est fonction de la nature du cristal, du plan cristallographique envisagé et également de la température et de la longueur tonde de la lumière. Les inventeurs ont constaté que pour chaque monocristal il existait des zones en a pour lesquelles le rapport de la variation de à la variation de a, ou , est très important. C'est cette caractéristique essentielle qui est utilisée pour moduler la lumière dans le cadre de la présente invention. Ainsi, dans le cas du monocristal de YIG [grenat d'yttrium et de fer (Y3 Fe5 o12)J on a intérêt à se placer entre les directions cristallographiques [OO1 et [111] t c'est-à-dire dans la zone en trait plus épais de la figure 2. Dans cette zone, # varie de manière quasi-linéaire en fonction de a sur une plage assez impor tante (t est égal à 20 /cm pour a = 20 ). On peut introduire un coefficient K = K pour un monocristal donné et on peut normaliser ce coefficient pour une épaisseur de monocristal de 1 cm. Ce coefficient K (pour 1 cm d'épaisseur) doit être considéré comme une des grandeurs caractéristiques fondamentales pour réaliser la modulation d'un faisceau lumineux dans le procédé et le dispositif selon l'invention. Référence étant maintenant faite à la figure 1, d'une part, et aux figures 3 et 4, d'autre part, on a représenté par le vecteur P la direction de la polarisation du rayonnement issu du polariseur 3. Le faisceau 4 traverse alors le milieu biréfrin- gent constitué par le monocristal 5 possédant un angle de phase dont les axes principaux Ox et Oy sont à 450 de la direction La lame quart d'onde 9 possède une ligne neutre OX ou OY orientée parallèlement à la direction P (en l'espèce c'est la ligne neutre OY). Enfin l'analyseur 10 a sa direction de polarisation A qui fait un angle Y avec la direction t de polarisation du polariseur 3. L'intensité de la lumière issue de l'analyseur 10 et qui va frapper le détecteur 11 est (en supposant qu'il n'y ait pas d'absorption) où Io est l'intensité de la lumière sortant du polariseur 3. Si &gamma; #/2, on voit que I = Io sin2 #/2 2 . Donc entre po lariseur et analyseur croisés l'intensité de la lumière trans- mise dépend de 1'angle de phase # du monocristal utilisé. La relation 1 montre que si #(t) = #o + ## (t) 3 , où est une constante, et, si l'on règle Y de manière à avoir #o + 2 &gamma; = #/2 4 , on obtient : I(t) = Io/2 [1 - sin # #(t)] 5 L'intensité lumineuse est donc modulée par la variation en fonction du temps du déphasage (t) du monocristal 5 présentant une anisotropie de l'effet Cotton-Mouton. Le champ magnétique statique de polarisation Ho, qui est orienté parallèlement à l'axe Ox ou Oy, doit être suffisant pour éliminer les domaines magnétiques dans le cristal; quant au champ magnétique de modulation Hrf, perpendiculaire à la direc tion de H et à la direction Oz de propagation de la lumière, il o provoque l'oscillation de la direction de l'aimantation. On règlera l'angle &gamma; de manière à obtenir une détection linéaire en ##(t). Si le cristal a une épaisseur L dans la direction Oz et si a est l'angle d'oscillation de l'aimantation par rapport à la direction d'équilibre, on obtient: ##(t) = K L #&alpha;(t) 6 D'après , l'intensité transmise comporte une composante modulée en fonction du temps #I(t), telle que #I(t) = Io/2 sin [K L # &alpha;(t)] 7 Si K L #&alpha;(t) est petit, on aura : #I(t) = Io/2 K L #&alpha;(t) 8 Si on s'arrange pour que [#&alpha;(t) = #&alpha;o sin #t] 9 , on obtient #I(t) = Io/2 K L #&alpha;o sin #t 10 ; on voit donc que la lumière est modulée à la même fréquence que 1 'aimantation. Référence étant maintenant faîte aux figures 5 et 6, on va montrer comment l'invention peut être appliquée au cas des hy perfréquences. On dispose alors le monocristal 5 dans une cavité hyperfréquence 16 qui est traversée par le faisceau lumineux 4. Le champ constant Ho est perpendiculaire au trajet Oz du faisceau 4. Le cristal placé dans une cavité hyperfréquence, de type rectangulaire par exemple, est soumis au champ magnétique de modulation Hhy produit par un générateur hyperfréquence; et le cristal est placé dans un maximum d'intensité de ce champ qui est perpendiculaire aux directions Ho et Oz. On fera les remarques suivantes sur le procédé et le dispositif selon l'invention et leur différence avec des procédés et des dispositifs mettant en oeuvre l'effet Faraday. L'invention utilise l'effet Cotton-Mouton anisotrope, l'intensité de l'effet variant avec l'orientation du cristal par rapport au champ magnétique. On réalise, grâce à l'anisotropie, la modulation de la lumière. Les substances qui conviennent pour la mise en oeuvre de la présente invention doivent présenter une anisotropie de l'effet Cotton-MoutonO Elles doivent toutes se présenter de ce fait sous la forme de monocristaux. Les grenats sont bien adaptés car ils présentent des caractéristiques d'anisotropie de l'effet Cotton Mouton, de transparence dans l'infrarouge et de facilité d'élaboration particulièrement favorables. Les grenats ont une structure cubique et répondent à la formule A R Feg B 012, dans laquelle A représente un ato x 5-y y me de Y ou de Bi, R représente un atome de terre rare ou un mé- lange d'atomes de terres rares (du Pr au Yb), B représente un ion non magnétique,tel que Ga3+, Al3+ In3+ Sc3*,ou éven- tuellement un ion magnétique de transition, tel que Cr3+, Ru3+ Ru4+, Co2+. Des cristaux magnétiques à structure autre que grenat pourraient être utilisés : spinels, ilménites (a-Fe203, Mn Co3, Co CO3, Fe Bo3, Cr2O3). Pour terminer nous allons indiquer les caractéristiques et les performances obtenues avec trois modulateurs utilisant, conformément à l'invention, l'anisotropie de l'effet Cotton-Mouton pour moduler un faisceau de laser de longueur d'onde 1, 15 microns. monocristal YIG TbIG TbIG Température ( K) 300 K 300 K 100 K Forme sphère a disque disque facettes planes Plan cristallo- 111 111 111 graphique Epaisseur 3,8 mm 1,5 mm 1,5 mm Champ continu appliqué 1000 1000 6000 (oersteds) K mesuré 1 1 40 Profondeur de la modulation 0,27 oeeff O, 27 0,27 oeeff 0,27 oeeff (40.000 Hz) . #Ieff &num; 5.10-4 &num; 1,2.10-3 &num; 7.10-2 max/cm * I est l'intensité du faisceau non modulé Ces résultats montrent que, pour un parcourus de 1 cm d'épaisseur d'échantillon, le YIG ou TbIG 3000K présente un taux de modulation de 1,2#, tandis que par TbIG à 100 K le taux de modulation est de 7 %. D'après les exemples ci-dessus, on s'aperçoit que le TbIG est un très bon matériau qui présente seulement l'inconvénient de nécessiter une basse température de fonctionnement et un champ de saturation important. L'invention s'applique particulièrement à la modulation des faisceaux lumineux dans l'infrarouge pour le transport d'informations à très haute fréquence, d'où l'intéret de l'invention pour la transmission de l'information sur faisceau laser. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la modulation de la lumière, notamment dans l'infrarouge, caractérisé par le fait que la modulation est réalisée au moyen d'un monocristal d'une substance ferro ou ferrimagnétique présentant une anisotropie de l'effet Cotton-Mouton. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la substance ferro ou ferrimagnétique présente une grande variation du déphasage Cotton-Mouton en fonction de l'angle que fait le champ magnétique statique avec une direction cristallographique du monocristal. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on met en oeuvre un monocristal de grenat ferrimagnétique0 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'on met en oeuvre un grenat de terbium et de fer. 5 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend, en plus de moyens pour engendrer un faisceau de lumière polarisée rectiligne et de moyens pour détecter de la lumière polarisée rectiligne, un monocristal d'une substance ferro ou ferrimagnétique présentant une anisotropie de l'effet Cotton-Faouton disposé dans un champ magnétique statique perpendiculaire au trajet du faisceau lumineux traversant le cristal et des moyens pour appliquer un champ magnétique variable de modulation. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit champ magnétique variable de modulation est perpendiculaire à la fois à la direction dudit faisceau lumineux et à la direction du champ magnétique.