Brevet FR2304096A1 — publié le 19761008

L'invention est relative aux dispositifs acoustico-optiques et plus particulièrement aux nouveaux matériaux utilisables dans la fabrication des cellules acoustico-optiques utilisables dans les dispositifs acoustico-optiques. Lorsqu'on soumet un milieu optique à des contraintes mécaniques, son indice de réfraction est modifié. De ce fait, une onde acoustique traversant le milieu optique modifie, suivant un modèle analogue à l'onde acoustique, L'indice de réfraction de ce milieu. Le réseau périodique de couches présentant alternativement un indice de réfraction élevé ou un indice de réfraction faible permet de rendre ce milieu analogue à un réseau qui diffracte la lumière incidente. Ce phénomène a permis le développement des modulateurs de lumière commandés par des fréquences acoustiques dans lesquels le flux de lumière diffracté est fonction de l'énergie de 11 onde acoustique et l'angle de déviation du faisceau lumineux diffracté dépend de la fréquence de l'onde acoustique. Suivant le trajet parcouru par le faisceau lumineux dans le milieu soumis à l'onde acoustique en fonction du rapport A2/ dans lequel ts est la longueur d'onde de la fréquence acoustique et x est la longueur d'onde du flux lumineux, le modulateur fonctionne soit par effet Bragg, soit par effet Debye-Sears de la manière bien connue dans la technique. L'efficacité d'une cellule acoustico-optique est fonction du flux lumineux diffracté et est proportionnelle à l'énergie acoustique fournie et à un groupe de paramètres représentés habituellement par le coefficient de mérite M2. La définition de ce coefficient de mérite M2 se trouve dans un article intitulé "Guide Lines for the élection of Acoustooptic Materials" publié dans "IEEE Journal of Quantum Electronics", Vol. QE-6, n" 4, d'avril 1970, aux pages 223 à 238. Toutefois, pour la compréhension de l'invention, il est suffisant de savoir que l'efficacité d'une cellule est proportionnelle au carré du sinus de la racine carrée du coefficient de mérite. Jusqu a maintenant , on a pensé que le choix du matériau constituant les cellules acoustico-optiques était très important. Ce choix était basé sur le coefficient a d'atténuation de l'onde acoustique à l'intérieur du matériau qui caractérise l'atténuation de l'énergie propagée par l'onde acoustique à une distance X de l'origine. Cette atténuation est proportionnelle au facteur -crX e Du fait de cette perte d'énergie, on a cru jusqu'à maintenant que les seuls matériaux utilisables pour la fabrication des cellules acoustico-optiques étaient ceux qui présentaient un coefficient d'atténuation faible. En réalité, les matériaux présentant un coefficient d'atténuation de l'onde acoustique élevé ont été éliminés pour la fabrication de telles cellules même lorsque leur coefficient de mérite M2 était très élevé.G'est ce qu'exprime clairement l'article mentionné précédemment et intitulé "Guide Lines for the Selection- f Acoustic Materials", où l'auteur écrit que ce coefficient d'atténuation est non seulement la caractéristique qui permet de limiter le choix d'un matériau utilisable pour la fabrication des cellules acoustico-optiques, mais aussi la caractéristique déterminante. De même, un article de MM. T.M. Smith et A.Kopel intitulé "Measurement of Light-Sound Interaction Efficiencies in Solids" et publié dans "IEEE Journal of Quantum Electronics", de septembre 1965, Vol.QE-l, nO 6, aux pages 283 et 284 fournit les performances de certains matériaux solides dont deux matériaux plastiques. Ces performances permettent de déterminer l'aptitude de ces solides à la fabrication de cellules acoustico-optiques. Toutefois, cet article spécifie que les matériaux solides choisis doivent présenter un coefficient d'atténuation de l'onde acoustique faible. La nécessité d'utiliser des matériaux optiques présentant une faible atténuation acoustique pour la fabrication des cellules acoustico-optiques se retrouve aussi dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 529 886 qui décrit une cellule acoustico-optique et suggère l'utilisation d'un acide iodique a puisque le coefficient d'atténuation est faible et présente une valeur de 2,5 dB/cm pour des ondes acoustiques présentant une fréquence de 500-MHz et une impédance acoustique analogue à celle de la silice fondue. Le brevet des Etats-Unis dlAmérique 3 661 441 mentionne le problème du choix du matériau utilisable pour la fabrication d'une cellule acoustico-optique et suggère que ce matériau présente à la foix un coefficient de mérite élevé et un coefficient d'atténuation de l'onde acoustique faible. Jusqu'à maintenant, on a choisi les matériaux utilisés pour la fabrication des cellules acoustico-optiques en fonction des critères mentionnés précédemment, et ce choix a été limité en pratique à l'utilisation, pour chaque cellule, d'un verre ou d'un unique cristal pris parmi une liste de verres particuliers et de cristaux minéraux. Ces matériaux présentent des propriétés acoustico-optiques bonnes mais requièrent des opérations de découpe et de polissage qui présentent un coût élevé.En réalité, aux Etats-Unis le coût de fabrication des dispositifs acoustico-optiques munis d'une cellule en verre est compris entre 50 8 et 500 et le coût de fabrication de ceux munis d'une cellule formée d'un unique cristal minéral est d'environ 3000 t. Le coût aux Etats-Unis d'un dispositif acoustico-optique construit suivant l'invention peut être estimé inférieur à 0,25 8 pour une fabrication en grande quantité. L'un des buts de l'invention est de fournir un dispositif acousticooptique bien moins coûteux à fabriquer que les dispositifs actuellement dans le commerce. Suivant l'invention, la cellule acoustico-optique est fabriquée en un matériau plastique. On associe à cette cellule un générateur d'onde acoustique de manière qu'elle puisse diffracter un faisceau lumineux incident. Le matériau plastique est, de préférence, du polystyrène. On a remarqué que, si le faisceau lumineux est suffisamment étroit et est situé au voisinage du générateur d'onde acoustique, la perte importante d'énergie de l'onde acoustique dans le milieu plastique n'a pas d'effet de limitation sur les performances du dispositif acoustico-optique. On a remarqué aussi que l'utilisation d'un matériau organique présentant des propriétés adhésives pour solidariser par soudure le générateur d'onde acoustique et la cellule acoustico-optique en matériau plastique est plus facile à réaliser puisque l'épaisseur de cette soudure n'est pas critique. Cette soudure peut se faire sans qu'il soit besoin de prendre de précautions draconiennes pour le nettoyage des parties à souder. Le dispositif acoustico-optique est muni d'une cellule acousticooptique sur laquelle est fixé au moins un transducteur pour diffracter un faisceau incident sur la cellule afin de moduler le faisceau émergeant diffracté. Le transducteur de ce dispositif est fixé sur la cellule par une couche adhévive présentant une impédance acoustique analogue à celle de la cellule. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront à la lecture de la description et des revendications qui suivent et à l'examen du dessin annexé dans lequel la figure unique représente un mode de réalisation préféré d'un dispositif acoustico-optique suivant l'invention. Les dispositifs acoustico-optiques sont bien connus et la description ne fera donc état que des éléments qui font partie de la cellule ou qui lui sont directement associés. Le dispositif représenté comprend une cellule 10 en forme de parallélépipède rectangle faite en un matériau que l'on décrira par la suite et qui forme le milieu acoustico-optique. L'une des faces de la cellule 10 est pourvue d'une fenêtre 12 par où pénètre le faisceau incident 32 à diffracter et la face opposée de la cellule 10 est pourvue d'une autre fenêtre, non représentée, par où sort le faisceau diffracté 34. Les surfaces de ces fenêtres peuvent être couvertes d'un matériau transparent qui permet la protection et/ou la diminution des pertes d'énergie par réflexion. Comme représenté sur la figure unique, on colle sur une autre des faces de la cellule 10 deux transducteurs 16 et 16' piézo-électriques. Ces transducteurs sont collés au moyen d'une couche d'un matériau organique présentant des propriétés adhésives et sont situés au voisinage du faisceau lumineux traversant la cellule 10 et pénétrant par la fenêtre 12. Chaque transducteur possède une électrode positive 18, 18' et une électrode négative 20, 20'. I1 est évident que l'on peut utiliser un plus grand nombre de transducteurs suivant le fonctionnement que l'on désire pour le dispositif acoustico-optique. Trois dissipateurs de chaleur 22, 24 et 26 électriquement conducteurs sont sollicités pour venir en contact avec les électrodes des transducteurs 16 et 16' de manière que le dissipateur 22 vienne en contact avec l'électrode 18', que le dissipateur 24 vienne en contact avec les électrodes 20' et 18 et que le dissipateur 26 vienne en contact avec l'électrode 20. Les dissipateurs permettent ainsi de relier électriquement les transducteurs en série et permettent en même temps de refroidir la cellule 10. On a remarqué que l'utilisation de dissipateurs en laiton et l'utilisation d'ailettes 28 sur les dissipateurs permettent un bon refroidissement de la cellule 10. Les dissipateurs 22 et 26 sont reliés électriquement à un modulateur 30 bien connu dans la technique et fournissant des signaux de fréquence dont la gamme de fréquence s'étend des VHF aux UHF. Les ondes acoustiques (sonores ou ultrasonores) engendrées par les transducteurs 16 et 16' se propagent dans la cellule 10 et provoquent des modulations de l'indice de réfraction dans le milieu optique formant la cellule. Ces modifications de l'indice de réfraction engendrent la formation d'un réseau qui diffractele faisceau incident 32 pénétrant dans la cellule par la fenêtre 1Z suivant un angle e déterminé. Comme indiqué précédemment, les variations de fréquences des signaux appliqués aux transducteurs 16 et 16' et provenant de la source 30 provoquent une variation de la fréquence acoustique engendrée dans le milieu acoustico-optique et permettent la modification de l'angle de déviation e et ainsi le changement d'orientation du faisceau diffracté 34. Comme indiqué précédemment dans la technique antérieure, le coefficient de mérite M2 et le coefficient d'atténuation de l'onde acoustique ont servi de critère pour le choix des milieux susceptibles de former des cellules acoustico-optiques. Jusqu'à maintenant, on a cru que les matériaux présentant des coefficients d'atténuation de l'onde acoustique élevés ne permettaient pas la réalisation de cellules acoustico-optiques efficaces et l'on n'utilisait que certains types de verres ou certains uniques cristaux minéraux. Toutefois, la demanderesse a découvert que l'on peut utiliser des matériaux plastiques présentant un coefficient d'atténuation de l'onde acoustique élevé à condition de concevoir le dispositif acoustico-optique d'une manière appropriée. Pour obtenir les meilleurs résultats, on doit choisir la matière plastique parmi celles qui présentent les propriétés indiquées ci-dessous. 1" - Le coefficient de mérite doit être compris entre 20 x 10 et 10 000 x 10 18 unité CCS 2"- le coefficient d'atténuation de l'onde acoustique ne doit pas dépasser 30 dB/cm pour les fréquences de fonctionnement ; et 5 5 2 30 l'impédance acoustique doit être comprise entre 0,5 x 105 et 15 x 105 g/cm s Des styrènes que la demanderesse a trouvés particulièrement appropriés sont ceux fabriqués par Dow Chemical Co (Etats-Unis d'Amérique) sous la dénomination Styron 685 et par Sinclair-Koppers Co (Etats-Unis d'Amérique) sous les dénominations Dylark 230, Dylene 1077, Dylene 2, Dylene 8, Dylene 8E et Dylene 8G. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à ces plastiques. On a construit une cellule acoustico-optique par les techniques de moulage par injection avec du polystyrène fabriqué par Sinclair-Koppers Co sous la dénomination Dylene 8. On a observé les performances suivantes Coefficient de mérite M2 : 143 x 10 .18 unité CGS Largeur de bande utilisable : 25 MHz Efficacité : 34% par watt à 40 MHz Vitesse acoustique dans le 3 milieu : 2,1 x 10 m/s Coefficient d'atténuation acoustique : 13 dB/cm à 40 z Impédance acoustique 2 1 x 105 g/cm2s. Du fait que la cellule fabriquée n'a que 3,2 mm d'épaisseur, le dispositif acoustico-optique fonctionne par effet Debye-Sears et la lumière est déviée en deux faisceaux d'intensité pratiquement identique. Si l'on utilise un échantillon plus épais, on peut obtenir la déviation par effet Bragg. On a fabriqué un deuxième échantillon avec le meme matériau. Cet échantillon présente une longueur de 38,1 ma environ, une hauteur de 10,0 mm environ et une largeur de 6,1 mm environ. De plus, les faces laterales opposées de cet échantillon font entre elles un angle de 2". L'efficacité maximale de cet échantillon est d'environ 42% par watt. On remarquera que les matériaux plastiques présentent de très grandes pertes d'énergie dans la transmission des ondes acoustiques en comparaison des pertes dans les verres ou les cristaux utilisés préalablement en tant que dispositifs acoustico-optiques. En réalité, les documents connus enseignaient qu'il ne fallait pas utiliser des matériaux présentant une telle perte d'énergie acoustique pour la fabrication de dispositifs acoustico-optiques. Le problème de perte d'énergie acoustique est lié au problème de réchauffement du dispositif par absorption de l'énergie acoustique, réchauffement qui provoque des gradients d'indice de réfraction, entraîne une distorsion dans le faisceau modulé et réduit l'efficacité de la diffraction. La demanderesse a remarqué que l'effet de perte importante d'énergie acoustique peut être amoindri de manière suffisante afin de rendre les matériaux plastiques acceptables pour la fabrication des dispositifs acoustico-optiques à condition d'utiliser un faisceau laser de très petit diamètre comme faisceau incident et de lui faire traverser la cellule au voisinage immédiat des transducteurs. I1 est évident que le diamètre du faisceau laser utilisable est fonction du coefficient d'atténuation de l'onde acoustique et que la distance séparant le faisceau et les transducteurs dépend des pertes d'effica cité tolérables. Par exemple, une onde acoustique sera atténuée de 5,2 dB lors de la traversée d'un faisceau de 0,4 cm de diamètre dans un matériau présentant un coefficient d'atténuation de l'onde acoustique de 13 dB/cm. Avant d'atteindre l'axe du faisceau l'onde acoustique sera atténuée dans ce même matériau de 13 dB pour chaque centimètre séparant ce faisceau des transducteurs. Dans la pratique, la demanderesse a trouvé que les diamètres des faisceaux laser pour lesquels l'onde acoustique est atténuée de plus de 3 dB ne sont pas utilisables. D'une manière analogue les faisceaux ne doivent pas être espacés des transducteurs d'une quantité supérieure à celle qui donne une atténuation de 10 dB dans l'énergie de l'onde acoustique. Par le terme "faisceau étroit" utilisé dans le présent texte on considère les faisceaux dont le diamètre est inférieur à celui d'un faisceau traversé par une onde acoustique dont l'énergie est atténuée de 3 dB lors de la traversée de ce faisceau. Par le terme "atténuation indésirable" de l'onde acoustique entre le faisceau lumineux et les transducteurs on considère une atténuation supérieure à 10 dB environ. Lorsqu'on induit une onde acoustique dans un matériau, il existe instantanément des séries périodiques de régions comprimées plus chaudes et de région décomprimées plus froides. L'énergie contenu dans les régions plus chaudes provoquent un accroissement de l'entropie et un réchauffement du matériau puisque l'on ne cesse pas d'engendrer les ondes acoustiques à l'inté- rieur du matériau. Du fait de l'atténuation élevée de l'onde acoustique dans le matériau plastique la majorité de la quantité de chaleur produite dans la cellule est engendrée au voisinage du transducteur. De ce fait, la demanderesse trouve que la disposition des dissipateurs de chaleur 22, 24 et 26 à l'extré- mité de la cellule portant les transducteurs est suffisante pour refroidir de manière appropriée la cellule. Un autre résultat avantageux réside dans le collage des transducteurs sur la cellule. Lorsqu'on utilise les dispositifs acoustico-optiques usuels et que l'on colle les transducteurs sur ces dispositifs usuels au moyen de composés organiques ayant des propriétés adhésives, on doit faire très attention lors du collage de manière à obtenir une couche adhésive aussi fine que possible et on doit travailler dans des conditions de propreté particulièrement poussées. Lorsqu'on utilise une cellule acoustico-optique faite en plastique et que l'on colle les transducteurs sur cette cellule avec des composés organiques ayant des propriétés adhésives tel que par exemple avec des composés époxy, l'épaisseur de la collure n'est plus critique et cette opération de collage peut être obtenue sans prendre de condition de propreté draconnienne. La demanderesse pense que ces avantages sont obtenus du fait que l'impédance acoustique des composés organiques ayant des propriétés adhésives est voisine de l'impédance acoustique des matériaux plastiques. REVENDICATIONS 1 - Dispositif acoustico-optique muni d'une cellule acoustico-optique sur laquelle est fixé au moins un transducteur pour diffracter un faisceau incident sur la cellule afin de moduler le faisceau émergeant diffracté, dispositif caractérisé en ce que le transducteur est fixé sur la cellule par une couche adhésive présentant une impédance acoustique analogue à celle de la cellule. 2 - Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la couche adhésive est formé par un composé organique présentant des propriétés adhésives, et en ce que la cellule est formée en un matériau plastique. 3 - Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caracté risé en ce que la couche adhésive est un composé époxy et en ce que la cellule est en polystyrène. 4 - Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2 et 3, caracté risé en ce qu'il comprend des dissipateurs de chaleur situés au voisinage des transducteurs pour dissiper la chaleur induite dans la cellule. 5 - Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caracté risé en ce que la cellule comprend une fenêtre d'entrée et une fenêtre de sortie pour permettre la traversée de la cellule par un faisceau lumineux "étroit", le trajet suivi par ce "faisceau étroit" étant suffisamment voisin des transducteurs de manière à éviter toute "atténuation indésirable" de l'onde acoustique avant la traversée du "faisceau étroit" par cette onde acoustique. 6 - Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caracté risé en ce que l'impédance acoustique de la cellule est comprise entre 0,5 x 105 g/cm2s et 15 x 105 g/cm2s environ.