Brevet FR2382118A1 — publié le 19780922

La présente invention concerne un équipement acousto-optique, et plus précisément un tel équipement utilisable notamment a la production d'impulsions lumineuses récurrentes très brèves et comprenant essentiellement un laser, un corps d'interaction acousto-optique intra-cavité laser, un transducteur électroacoustique et une excitation électrique du transducteur. On connaît déjà de tels équipements dans lesquels le modulateur utilisé est constitué d'un transducteur à quartz de coupe X collé sur un parallélépipède de silice dont les faces perpendiculaires a la direction de propagation des ultra-sons sont polies et parallèles de manière à se rapprocher au maximum d'une situation d'ondes stationnaires. La silice a l'avantage quand on veut l'introduire à l'interieur de la cavité d'un laser, de posséder d'excellentes qualités optiques, mais elle a des caractéristiques acoustiques relativement limitées et surtout un facteur de mérite acousto-optique M2 médiocre. La présente invention a pour but d'améliorer les performances d'un équipement du type décrit initialement en remplaçant la silice par un matériau de caractéristiques utiles plus intéressantes. On sait que le molybdate de gadolinium, de formule chimique Gd2(MoO4)3, et qui sera désigné ici par l'abréviation GMO, est un matériau dont les cristaux, ayant des propriétés ferro-électriques et ferro-élastiques, appartiennent à la variété dite 42mFmm2, d'après la classification de K. AIZU, Phy. Rev. B, 2, 754 (1970). A la température ambiante, le GMO appartient donc au système orthorhombique et les paramètres de la maille sont a = 10,388 suivant la direction X b = 10,419 suivant la direction Y la polarisation spontanée du matériau ferro-électrique étant dirigee suivant Z. Les caractéristiques optiques acoustiques et acousto-optiques du GMO ont déjà fait notamment l'objet des publications suivantes: - J. SAPRIEL et L. RIVOALLAN, Proceedings of the Eighth International Congress on Acoustics, Lancaster (1974), édité par E.R. Dobbs et J.K. Wigmore (Institute of Physics, London, 1975). - M. BUSH, J.C. TOLEDANO, J. TORRES, Opt. Commun.10, 273 (1974). - au point de vue de la transmission optique, A. KUMADA, Ferroelectrics, 3, 115 (1972) - au point de vue de l'atténuation acoustique, S. Kh. ESAYAN, KH. S. BAGDASALOV, V.V. LEMANOV, J.M. POLKHOVSKAYA, L.A. SHWALOV, Sov. Phys. Solid. State, 16, 85 (1974). Ces caractéristiques sont intéressantes comme ouvrant des possibilités d'utilisation dans les déflecteurs et modulateurs acousto-optiques. En effet, au point de vue optique tout d'abord, le GMO présente une très faible absorption dans toute la gamme du spectre visible, ainsi que dans 11 infra-rouge proche et moyen. Une telle caractéristique, particulièrement rare parmi les matériaux acoustooptiques usuels, permet d'envisager l'emploi du GMO dans un modulateur intra-cavité laser. En second lieu, l'atténuation acoustique dans le GMO est très faible. C'est ainsi que dans la direction de propagation Y pour des ondes acoustiques longitudinales, cette atténuation est de 1,4 dB/cm à 500 MHz, à comparer à celle de 3 dB/cm à la meme fréquence que présente la silice. A pertes acoustiques égales, le GMO permet donc de monter en fréquence acoustique. En troisième lieu, comme on va le voir, le facteur de mérite acousto-optique M2 de GMO présente des valeurs très supérieures au facteur de mérite maximum de la silice. Les neuf constantes photo-élastiques longitudinales Pij (i, j = 1, 2, 3) ont été mesurées de façon précise par les présents demandeurs, selon la méthode décrite par R.W. DIXON et M.G. COHEN dans Appl. Phys. Lette., 8, 205 (1966). Les échantillons utilisés avaient leurs faces perpendiculaires aux directions (100), (010) et (001). Les ondes longitudinales étaient émises par un transducteur de LiNbO3 de coupe Y tournée de 360, centré sur une fréquence de 250 MHz et collé sur un parallélépipède de silice fondue prise comme référence. La méthode permet la détermination des facteurs de mérite M2 de GMO par comparaison d'impulsions convenables de lumière diffractée dans la silice et dans le GMO. Comme l'a montré R.W. DIXON dans Appl. Phys. Lett., 38, 5149 (1967), le facteur de mérite M2ii correspondant à des ondes acoustiques longitudinales se propageant en direction j et à de la lumière polarisée en direction i est donnée par où n. est l'indice de réfraction et v. la vitesse des ondes I 3 acoustiques. Les valeurs des M2ij mesurées par les demandeurs sont données 2 par le tableau ci-après, en valeurs relatives rapportées au facteur de mérite maximum de la silice (1,51 x 1"'18 sec3/g) et pour la longueur d'onde 6328 A. Tableau Ceci montre que le meilleur facteur de mérite de GMO est M212 correspondant à la direction X pour la polarisation de la lumière et à la direction Y pour la propagation des ondes acoustiques longitudinales. I1 en résulte qu'à puissance acoustique égale, on peut obtenir par le GMO une excursion de modulation presque 10 fois plus importante que par la silice. Mais à la température ambiante, un cristal de GMO est en phase ferro-élastique et est en général "polydomaine. Comme l'a montrE J. SAPRIEL dans Phys. Rev. B, 12, 5128 (1975), il existe deux états différents d'orientation correspondant à des polarisations spontanées antiparallèles qui donnent lieu à deux types de domaines, séparés par des parois orientées parallèlement aux plans x=y et x = -y, où x et y sont les coordonnées du système orthorhombique. Il suffit cependant de soumettre de l'extérieur le cristal à un effort de compression uniforme en direction de l'axe (100) pour le rendre monodomaine. L'état polydomaine est d'ailleurs facile à détecter soit entre polariseurs croisés soit par interaction de la lumière avec les ondes acoustiques (il entraîne la production de faisceaux déviés supplémentaires lors des mesures au moyen d'ultrasons et des raies parasites en diffraction de Brillouin). Un équipement du type initialement défini à performances considérablement améliorées se caractérise suivant l'invention en ce que le corps d'interaction acousto-optique est constitué par un cristal de molybdate de gadolinium (dit GMO) de faces taillées perpendiculairement a ses axes orthorhombiques X Y Z, en ce que le cristal est orienté de façon à être traversé, en direction Y, par les ondes acoustiques longidutinales, en direction Z par la lumière polarisée suivant X et en ce qu'un système de serrage engendre et maintient sur les faces X du cristal une pression uniforme de valeur juste suffisante pour rendre le cristal monodomaine. D'autres caractéristiques et avantages de l'équipement suivant l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'une forme préférée de réalisation et à l'examen des dessins schématiques annexés correspondants dans lesquels - les Figs. 1A et 1B sont des vues en coupe d'un modulateur acousto-optique selon l'invention, vues prises respectivement suivant les lignes A-A de la Fig. 1B et B-B de la Fig. lA; - la Fig. 2 est une vue en coupe longitudinale simplifiée de l'équipement dans son ensemble. On a représenté schématiquement aux Figs. 1A et 1B un modulateur 10 permettant la production d'impulsions lumineuses très brèves par modulation interne d'un laser (blocage de mode). Ce modulateur comprend les éléments suivants 10) un cristal parallélépipédique 11 de GMO, taillé suivant les axes orthorhombiques X Y Z et par exemple de dimensions 4 x 4 x 20 mm, constitue le milieu dtinteraction acousto optique. Les faces Y et Z sont rigoureusement parallèles et de poli optique. Une des faces Y est métallisée en 111 par exemple au moyen de revêtements successifs de chrome et d'or. Les faces Z sont pourvues en 112 de couches antiréflé chissantes correspondant aux longueurs d'ondes du spectre visible. 20) un transducteur piézo-électrique 12 qui peut erre par exemple soit un cristal de quartz de coupe X, soit un cristal de LiNbO3 de coupe Y + 360 ou Z est collé sur la face métallisée Y du cristal de GMO. Ce collage est effectué par exemple au moyen de salol, d'indium ou d'araldite. La face libre du transducteur parallèle à sa face de collage est également métallisée en 121 par exemple en chrome et or. 3 ) une excitation électrique 13 du transducteur 12 a une fréquence, voisine de celle de résonance du transducteur libre et qui est par exemple de l'ordre de 100 MHz, et une puissance qui est en moyenne de l'ordre de 100 mW. Cette excitation électrique se compose d'une source 131 et d'une adaptation 132 à 50 n constitué par exemple par un circuit accordé (condensateur variable et auto-inductance à curseur), mais d'autres dispositifs d'adaptation sont possibles. Cette excitation a pour effet de produire dans le modulateur (ensemble du transducteur et du cristal de GMO) un système d'ondes acoustiques planes, parallèles aux faces Y du cristal de GMO et stationnaires. 40) Un système de serrage est constitué ici par un étau 15 dont on voit les machoires 151, la vis de serrage 152 et les colonnes de guidage 153, ainsi que par des bandes intercalaires 16 d'un matériau de faible dureté tel que tétrafluoroéthylène dit Téflon. La pression ainsi engendrée est appliquée et maintenue en direction X du cristal de GMO. Elle est uniforme et de faible valeur, de l'ordre de quelques kgf/cm2, de préférence entre 1 et 10 kgf/cm2. Une telle pression empêche la formation de domaines ferro-élastiques dont les parois seraient susceptibles de diffuser la lumière et les ondes acoustiques. Elle provoque en outre une légère amélioration des caractéristiques acousto-optiques du matériau, en augmentant faiblement l'indice de réfraction. Quant aux bandes de Téflon, elles suppriment tout risque de clivage du cristal de GMO. Un modulateur tel qu'il vient d'être décrit peut être placé à l'intérieur d'une cavité laser de façon telle que l'axe Z du cristal de GMO soit orienté suivant la direction longitudinale de la cavité, et son axe X suivant celle de polarisation de la lumière pour la production d'impulsions brèves récurrentes par modulation interne de ce laser utilisé en blocage de mode. La Fig. 2 fait apparaître un laser 17 et sa cavité constituée par deux miroirs opposés 18. Les lasers du domaine visible qui présentent le plus d'intért pour la production d'impulsions brèves récurrentes sont de deux sortes : le laser à argon ionisé qui a quelques raies dans le vert et le bleu et les lasers à colorant dont on peut faire varier continûment la longueur d'onde émise dans tout le spectre visible. Dans ces deux types de lasers, l'excursion 9 de la modulation, plus grande dans le GMO que dans la silice, permet d'obtenir des impulsions plus brèves. D'un autre côté, les valeurs accrues de fréquences acoustiques qu'autorise le GMO, permettent de réduire la durée minimale # des impulsions, dans le cas du laser à colorant où # est proportionnel à (#f)0,75 où f est la fréquence lumineuse. Le mode de fonctionnement de l'équipement décrit pour la production d'impulsions lumineuses brèves récurrentes est le suivant. Les ondes acoustiques stationnaires provoquent dans le cristal de GMO par effet photo-élastique des variations 6n de l'indice de réfraction qui sont de la forme = = sn sin ot sin v où w est la pulsation de l'excitation électrique du transducteur Y, la coordonnée spatiale et v, la vitesse des ondes acoustiques. Deux fois par période, sin ot s'annule et par conséquent ân, d'où une modulation des pertes de la cavité laser. Lorsque C/2 = /s = oh C est la vitesse de la lumière dans le vide et Q, la longueur de la cavité laser, on obtient une émission laser sous la forme d'impulsions récurrentes de récurrence #/#. Ainsi, une excitation à 100 MHz du transducteur aura pour effet l'émission d'impulsions lumineuses de fréquence de récurrence 200 MHz. La largeur de chaque impulsion lumineuse dépend de la largeur de raie du laser et de l'efficacité du modulateur; elle est de l'ordre de 0,8 ns dans un laser He-Ne 0,1 ns dans un laser à argon ionisé 0,01 ns dans un laser à colorant. Mais le modulateur à cristal de GMO suivant l'invention et placé comme il a été dit à l'intérieur d'une cavité laser peut également être utilisé en extracteur de lumière (cavity dumper) (D. MAYDAN, IEEE J. Quantum Electron, QE-6, 15 (1970) et J. Appl. Phys., 41, 1552, (1970)). Le modulateur fonctionne alors en régime d'ondes acoustiques progressives pulsées,de fréquence 100 a 500 MHZ et de récurrence inférieure à 1 MHz. On obtient dans ce cas des impulsions lumineuses de largeur et de récurrence réglables. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit et représenté. C'est ainsi que le système de serrage au lieu d'être de type mécanique (étau) pourrait aussi bien ou même mieux, être de type hydraulique ou pneumatique, permettant un contrôle aisé de la pression exercée. REVENDICATIONS 1.- Equipement acousto-optique utilisable notamment à la production d'impulsions lumineuses récurrentes très brèves et comprenant essentiellement un laser, un corps d'interaction acousto-optique intra-cavité laser, un transducteur électroacoustique et une excitation électrique du transducteur, carac térisé en ce que le corps d'interaction acousto-optique est constitué par un cristal de molybdate de gadolinium Gd2(MoO4)3 de faces taillées perpendiculairement à ses axes orthorhombiques X Y Z, en ce que le cristal est orienté de façon à être traversé en direction Y par les ondes acoustiques longitudinales, en direction Z par la lumière polarisée suivant X et en ce qu'un système de serrage engendre et maintient sur les faces X du cristal une pression uniforme de valeur juste suffisante pour rendre le cristal monodomaine. 2.- Equipement acousto-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de serrage est de l'un des types mécanique, hydraulique ou pneumatique. 3.- Equipement acousto-optique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la pression exercée sur le cristal est de l'ordre de quelques kgf/cm2, de préférence entre 1 et 10 kgf/cm2. 4.- Equipement acousto-optique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les faces X du cristal soumises à la pression du système de serrage sont protégées de tout clivage par des bandes intercalaires de matériau de faible dureté tel que tétrafluoroéthylène (téflon). 5.- Equipement acousto-optique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le laser est de l'un des types à argon ionisé, à hélium-néon ou à colorant.