Brevet FR2495411A1 — publié le 19820604

DISPOSITIF DE DETECTION D'UN SIGNAL OPTIQUE ET SYSTEME OPTIQUE INTERROGATEUR-REPONDEUR UTILISANT UN TEL DISPOSITIF La présente invention se rapporte à la détection de signaux optiques, porteurs d'une information sous forme d'une modulation temporelle d'amplitude. Il est connu d'utiliser un rayonnement optique pour transporter une information d'un point à un autre. L'information est alors véhiculée par le rayonnement optique sous forme d'une modulation temporelle d'amplitude. Ce rayonnement modulé, qui constitue le signal à détecter est reçu, au point d'arrivée, par un photodétecteur qui émet un signal électrique modulé, lui aussi, selon les modulations du rayonnement optique. Ce signal électrique est traité facilement par des moyens de traitement appropriés conduisant au décodage de l'information. Pratiquement, on forme l'image du front d'onde du rayonnement modulé sur la fenêtre d'entrée du photodétecteur, à l'aide d'une optique appropriée. Mais, dans certaines applications, le rayonnement optique porteur de l'information doit parcourir une grande distance dans l'atmosphère, susceptible d'être turbulente et inhomogène. En conséquence, le front d'onde de ce rayonnement se déforme en cours de route. Même s'il est plan au point d'émission, il peut arriver au point de détection avec une distorsion telle qu'il n'est pas possible, meme avec une optique de très bonne qualité, d'en former une image stable de dimensions assez réduites pour en permettre la détection par le photodétecteur dans des conditions satisfaisantes. Pour pallier ces inconvénients, le dispositif selon l'invention met en oeuvre des moyens permettant d'effectuer la détection de la modulation correspondant à l'information transmise sur une onde optique auxiliaire plane, quelle que soit la distorsion de phase introduite sur le front d'onde modulé issu du point d'émission. Ces moyens mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention comprennent un milieu optique d'interaction illumination-indice non linéaire, dans lequel interférent le rayonnement objet modulé et un rayonnement auxiliaire de référence de front d'onde plan. Dans un tel milieu, l'interférence en volume des deux rayonnements, objet et référence, génère des variations spatiales d'indice de caractéristiques telles qu'une fraction non négligeable du rayonnement de référence est diffractée selon le rayonnement objet, en présence de ce rayonnement objet. Cette diffraction entraîne une diminution sensible de l'énergie du rayonnement de référence transmis par ce milieu. Le signal optique à détecter est une modulation temporelle d'amplitude du rayonnement objet, qui se trouve, en fait, haché selon un certain code. La diffraction du rayonnement de référence se produisant seulement en présence du rayonnement objet, la modulation d'amplitude du rayonnement objet arrivant sur le milieu d'interaction se traduit en une modulation d'amplitude de même fréquence, mais en opposition de phase, sur le rayonnement de référence transmis par le milieu, et de front d'onde plan. Le signal de modulation se trouve ainsi inscrit sur une onde plane. Il est alors facilement détecté par un photodétecteur de faible surface disposé au foyer d'une optique de focalisation, placée à la sortie du milieu d'interaction, sur le trajet du rayonnement de référence. La présente invention a précisément pour objet un dispositif de détection d'un signal optique constitué par un rayonnement objet cohérent de fréquence- déterminée et modulé temporellement en amplitude, comprenant un photodétecteur et des moyens optiques collecteurs associés, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un milieu optique photosensible à modulation d'indice dans le volume duquel interférent le rayonnement objet et un rayonnement auxiliaire de référence ayant ladite fréquence prédéterminée, le photodétecteur étant disposé sur le trajet du rayonnement de référence transmis par le milieu, et sur lequel est inscrit, par l'intermédiaire de ce milieu, la modulation temporelle d'amplitude du rayonnement objet. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description qui suit, illustrée par les figures annexées dont le contenu est le suivant: - les figures 1 à 4 sont des figures explicatives - la figure 5 est le schéma du dispositif selon l'invention ; - la figure 6 est le schéma d'une application de ce dispositif. Le dispositif de détection selon l'invention met en oeuvre les propri étés de certains milieux optiques, dits d'interaction non linéaire, dans lesquels une faible variation d'illumination a pour conséquence une variation importante d'indice de réfraction. Cette propriété s'applique notamment au cas où des franges d'interférence sont formées dans le milieu par deux faisceaux cohérents arrivant sur ce milieu avec des incidences différentes. Ces franges d'interférence se traduisent dans le volume du milieu optique par des strates d'illumination modulée qui générent, après un temps d'inscription T, des strates d'indice variable, sur lesquels les faisceaux sont en partie diffractés en respect avec la loi de Bragg. Dans le cas où l'un des faisceaux, dit faisceau objet, a un front d'onde quelconque, et l'autre faisceau, dit faisceau de référence, a un front d'onde plan, une fraction du faisceau de référence est diffractée selon la trajectoire du faisceau objet, conformément à la loi de Bragg. Le faisceau objet, lui, n'ayant pas un front d'onde plan, n'est pas diffracté, d'une façon cohérente, sur le faisceau de référence. Plus l'interaction du milieu est efficace, c'est à dire, plus le taux de modulation des strates d'indice est élevé, plus la fraction diffractée du faisceau de référence est élevée. Selon la nature des matériaux constituant le milieu optique d'interaction, la non linéarité de la dépendance entre le taux de modulation des strates d'indice et le taux de modulation de l'illumination à l'entrée du milieu a deux origines possibles: 1) Cette non linéarité est directe, c'est à dire que, comme montré sur la figure 1, L'indice du matériau, porté en ordonnée, varie non linéairement avec l'illumination, portée en abscisse, selon une courbe telle que 1. En conséquence, à une faible modulation d'illumination autour de la valeur 10 (courbe 2), correspond une forte modulation de l'indice autour de la valeur nO (courbe 3). C'est le cas des matériaux tels que les semi-conducteurs Si, CdTe, HgCdTe, CdS, InSb. Il y a lieu d'utiliser ces matériaux avec des épaisseurs pas trop importantes, 1 à 2 mm, pour ne pas perdre trop de rayonnement par absorption. 2) Cette non linéarité est indirecte et est dQe au phénomène de couplage d'ondes à l'intérieur du milieu d'interaction, la dépendance entre l'indice et l'illumination pouvant ête linéaire ou non. Sur la face avant du milieu, I'interférence de l'onde objet incidente avec l'onde de référence génère un réseau de strates d'indice, avec un taux de modulation faible, mais suffisant pour diffracter une petite fraction de l'onde de référence sur l'onde objet. En se propageant, cette onde renforcée interfère à nouveau avec l'onde de référence, ce qui génère à nouveau un réseau de strates d'indice, avec un taux de modulation un peu plus grand, d'où diffraction d'une fraction un peu plus importante de l'onde de référence sur l'onde objet, et ainsi de proche en proche. Si le réseau d'indice est déphasé exactement de 2 par rapport au réseau de franges d'interférence, le nouveau réseau photoinduit est en phase avec le réseau principal, et le taux de modulation des strates augmente avec l'épaisseur du milieu traversée par les rayonnements. Si cette épaisseur d'interaction entre les deux faisceaux à l'intérieur du milieu est suffisante, il y a un transfert d'énergie notable de l'onde de référence sur l'onde objet. Les matériaux entrant dans cette catégorie sont par exemple les matériaux photoréfractifs tels que BSO, BGO, KNb03, BaTiD3, certains milieux transparents tels que CS2, Ge, ou les milieux laser tels que le RUBY. Dans ce cas, il est avantageux d'utiliser des épaisseurs de matériaux assez importantes, de l'ordre du cm. Pour un fonctionnement optimal, certains matériaux peuvent être polarisés par un champ électrique appliqué entre deux faces opposées. On a schématisé sur la figure 2, ilnteraction d'un faisceau objet et d'un faisceau de référence dans un tel milieu d'interaction non linéaire. Dans ce milieu 5, représenté avec 4 faces 6, 7, 8, 9, interférent une onde objet 26 arrivant sur la face 6 avec un front d'onde SO quelconque et une onde de référence 27 de front d'onde plan Z p arrivant par exemple avec une incidence orthogonale à l'onde objet 26, sur la face 7. Les deux ondes 26 et 27 sont cohérentes et interférent dans le volume du milieu 5.Le réseau d'interférence obtenu induit, dans le milieu 5, avec une constante de temps T, caractéristique du matériau, un réseau de strates d'indice qui diffracte une fraction de l'onde de référence 27 selon une onde diffractée 28D > exactement superposée à l'onde objet transmise 28, et sortant du milieu par sa face 8, opposée à la face 6. Cette onde diffractée 28D a un front d'onde EO strictement superposé au front d'onde objet ZO, tel qu'il sort du milieu 5. La fonction non diffractée de l'onde de référence traverse le milieu 5 et sort par la face 9, opposée à la face 7, et constitue l'onde de référence transmise 29, en gardant le même front d'onde plan Sp. Le transfert d'énergie de l'onde de référence sur l'onde objet correspond à une diminution de l'intensité de l'onde de référence après traversée du milieu d'interaction, comme schématisé sur la figure 3. On a représenté sur cette figure les diagrammes énergie-temps de l'établissement des ondes transmises à partir de l'instant 0 où les deux ondes incidentes objet 26 et référence 27 arrivent sur le milieu. Après le temps d'inscription T correspondant à l'enregistrement à saturation du réseau de strates à partir du réseau d'interférence, l'onde de référence transmise 29 en présence de l'onde objet a subi par rapport à l'onde de référence transmise 39 en absence de l'onde objet une diminution d'énergie correspondant au gain sur l'onde objet transmise 28 + 28D avec interaction par rapport à l'onde objet transmise 38, en absence d'interaction. Selon les matériaux utilisés, le temps d'inscription T varie de quelques picosecondes à quelques dizaines de millisecondes. Si le milieu d'interaction 5 reçoit en même temps que l'onde de référence constante, une onde objet modulée temporellement en amplitude pour constituer un signal codé, comme représenté en 46 sur la figure 4, I'interaction des deux ondes dans le milieu 5, ne se produit que des instants 0 à t1, t2 à t3, t4 à t5. Pendant ces mêmes instants, I'onde de référence subit une diminution selon le processus expliqué précédemment, et cela se traduit, en négligeant le temps d'inscription par une modulation temporellement identique sur l'onde de référence, mais en opposition de phase, comme représenté en 49 sur la figure 4.Autrement dit, par interaction dans le milieu 5, le signal codé transporté par une onde objet de front d'onde quelconque est inscrit sur une onde de référence de front d'onde plan, ce qui le rend aisément détectable sur un photodétecteur de faible surface, placé au foyer d'une optique de focalisation. Une condition de fonctionnement est évidemment que le temps dins- cription T soit court par rapport aux constantes de temps de la modulation d'amplitude du signal codé. Le dispositif de détection selon l'invention, et qui met en oeuvre ce processus d'inscription du signal codé sur une onde de référence plane est schématisé sur la figure 5. Ce dispositif comprend un milieu d'interaction non linéaire 5, par exemple un monocristal BSO, cubique, de 1 cm de côté. Sur ce monocristal arrive un faisceau de référence 27, collimaté, issu d'une source cohérente 51, par exemple un laser, et élargi par le dis*itif d'élargissement de faisceau -52, de façon à couvrir au mieux la face du cristal par laquelle il rentre. Le faisceau de référence transmis 29 est focalisé par l'optique 53 sur la fenêtre d'entrée du photodétecteur 54 qui émet un courant électrique proportionnel à l'énergie lumineuse reçue, et pouvant être analysé par tout moyen approprié. Ce dispositif comprend en outre une optique collectrice 55 destinée à envoyer le rayonnement objet portant le signal à détecter sur le milieu d'interaction 5, avec une incidence différente du faisceau de référence, par exemple orthogonale. Selon le processus expliqué précédemment, lorsque le signal à détecter, porté par un rayonnement objet de front d'onde quelconque arrive sur ce dispositif de détection, le photodétecteur reçoit un signal optique temporelle lement semblable mais déphasé de 1r. il reçoit ce signal dans des conditions optimales de focalisation, puisque ce signal se trouve alors porté par une onde plane. Un tel dispositif peut être notamment utilisé pour la détection du signal dans un système optique interrogateur-répondeur. Dans un tel système, un signal optique codé est émis par une station émettrice vers un répondeur porté par exemple par un objet que l'on veut identifier. Le répondeur est lui-même équipé de moyens permettant d'introduire une modulation supplémentaire au signal, modulation caractéristique de l'identité de l'objet. Il renvoi t vers la station émettrice le signal modulé. Ce signal y est alors détecté et analysé, ce qui permet l'identification, par la station émettrice, de l'objet interrogé. Le schéma d'un tel système est représenté sur la figure 6. La station émettrice émet, à partir du laser 61 un rayonnement objet cohérent modulé temporellement en amplitude selon un code déterminé par le modulateur 63. Le laser 61 peut également servir à fournir le rayonnement de référence utilisé dans le dispositif de détection. Dans ce cas, le rayonnement émis par le laser est divisé par la lame semi-transparente 62. Le rayonnement modulé issu du modulateur 62 est élargi en traversant les lentilles 64 et 65, et dirigé vers le répondeur 66 porté par l'objet que l'on cherche à identifier. Au -départ de 0station émettrice, le signal codé est porté par une la onde plane Z oE' mais qui peut subir des distorsions pendant son parcours jusqu'au répondeur. Le répondeur est équipé de moyens permettant d'apporter une modulation supplémentaire au signal, et de renvoyer le rayonnement réponse vers la station émettrice. Le rayonnement porteur du signal réponse arrive à la station émettrice avec un front d'onde ZoR, qui peut être gravement distordu si l'atmosphère traversée est turbulente, inhomogène... Ce rayonnement est alors envoyé sur le dispositif de détection au moyen d'une lame semi-transparente 67 placée, par exemple, entre les lentilles 64 et 65. Le dispositif de détection est le dispositif qui a été décrit précédemment. Il comprend un milieu d'interaction 5 recevant le rayonnement objet réfléchi de front d'onde quelconque Z mais portant le signal codé permettant d'identifier l'objet interrogé, et un rayonnement de référence, plan, issu, par exemple du même laser que celui qui fournit le rayonnement objet, réfléchi par le miroir 68 et élargi par le dispositif d'élargissement 52. A l'intérieur du milieu 5, le signal codé s'inscrit sur l'onde plane de référence, avec un déphasage de ir, et est détecté par le photodétecteur 54 placé au foyer de la lentille 53. Le photodétecteur 54 sort un signal électrique, image du signal codé à détecter. Le système est notamment utilisable dans le domaine infra-rouge, pour lequel l'absorption par l'atmosphère est plus faible que dans le domaine visible. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection d'un signal optique constitué par un rayonnement objet cohérent de fréquence déterminée et modulé temporellement en amplitude, comprenant un photodétecteur (54) et des moyens optiques collecteurs associés (53), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un milieu optique (5) photosensible à modulation non linéaire d'indice dans le volume duquel interférent le rayonnement objet (26) et un rayonnement auxiliaire de référence (27) ayant ladite fréquence prédéterminée, le photodétecteur (54) étant disposé sur le trajet du rayonnement de référence (29) transmis par le milieu (5), et sur lequel est inscrit, par l'intermédiaire de ce milieu, la modulation temporelle d'amplitude du rayonnement objet. 2. Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau auxiliaire de référence (27) a un front d'onde plan et qu'il est reçu sur le photodétecteur (54) disposé au foyer des moyens optiques collecteurs (53). 3. Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu optique photosensible (5) est réalisé en un matériau dont l'indice varie non linéairement avec l'illumination en chacun de ses points. 4. Dispositif de détection selon la revendication 3, caractérisé en ce que le milieu optique photosensible est du type semiconducteur tel que Si, CdTe, HgCdTe, CdS, InSb. 5. Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu optique photosensible (5) acquiert ses propriétés de non linéarité par couplage d'ondes dans l'épaisseur d'interaction. 6. Dispositif de détection selon la revendication 5, caractérisé en ce que le milieu optique photosensible (5) est un monocristal de type BSO ou BGO. 7. Dispositif de détection selon la revendication 5, caractérisé en ce que le milieu optique photosensible (5) est constitué de sulfure de carbone. 8. Dispositif de détection selon l'urne quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les deux rayonnements objet (26) et référence (27) se croisent dans le milieu (5) avec un angle tel que les deux faisceaux transmis sont séparés spatialement dans-le plan du détecteur (54). 9. Système optique interrogateur-répondeur comprenant une station interrogatrice émettant un rayonnement optique de fréquence prédéterminée en direction d'une station répondeuse assurant le renvoi de ce rayonnement vers la station interrogatrice, caractérisé en ce que cette station interrogatrice est munie d'un dispositif de détection du rayonnement renvoyé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Système optique interrogateur-répondeur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la station interrogatrice comprend des moyens (63) de modulation du rayonnement émis. 11. Système optique interrogateur-répondeur selon l'une quelconque des revendiations 9 ou 10, caractérisé en ce que la station répondeuse comprend des moyens de modulation du rayonnement reçu et renvoyé. 12. Système optique interrogateur-répondeur selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le rayonnement émis par la station interrogatrice et le rayonnement de référence du dispositif de détection sont fournis par la même source laser (61).