Brevet FR2501872A1 — publié le 19820917

DISPOSITIF OPTIQUE D'AMPLIFICATION EN TEMPS REEL DE L'ENERGIE RADIANTE D'UN FAISCEAU L'invention se rapporte à un dispositif optique d'amplification en temps réel de l'énergie radiante d'un faisceau. Pour réaliser cette amplification on peut interposer un dispositif optique sur le trajet du faisceau considéré. Il est connu d'utiliser un dispositif optique constitué d'un milieu d'enregistrement dans lequel inter- fèrent le faisceau considéré et un second faisceau de référence. Ce milieu d'enregistrement peut être par exemple, un matériau électro-optique photo- sensible tel que l'oxyde de bismuth silicium ou BSO. Dans de tels matériaux, un réseau de franges, créé par l'interférence l0 du front d'onde provenant de l'objet et du front d'onde de référence, induit, en temps réel, au temps d'inscription du matériau près, un réseau de strates d'indice, constituant un hologramme caractéristique du front d'onde objet. Il diffracte une partie de l'énergie du front d'onde de référence incident selon une onde diffractée dont le front d'onde est isomorphe du front d'onde objet. En utilisant ainsi ces phénomènes de couplage d'ondes dans les supports photosensibles et épais tels que le monocristal BSO, on peut réaliser un transfert d'énergie notable du faisceau référence vers le faisceau objet après traversée de ce cristal. L'intensité du faisceau objet directement transmis est augmentée, en pratique, d'un facteur 2 à 3 en présence du faisceau de référence qui agit, dans ces conditions, comme une onde de pompage. Mais seul l'enregistrement par diffusion à champ nul satisfait aux conditions optimales pour ce couplage d'onde. Ces conditions ne sont plus vérifiées lorsqu'on applique un champ électrique qui permet d'induire une variation d'indice élevée. L'invention se rapporte à ces techniques de couplage d'ondes dans des matériaux permettant l'inscription d'hologrammes dynamiques par variation d'indice photoinduite. Le dispositif proposé assure dans les conditions optimales, en présence d'un champ transversal appliqué au matériau consi- déré, le transfert d'énergie de l'onde de référence vers l'onde objet. Pour réaliser ces conditions, on introduit un déplacement de franges d'inter- 250 1872 férences. A ce titre, ce dispositif permet l'amplification cohérente de l'énergie radiante d'un faisceau. L'invention a donc pour objet un dispositif optique d'amplification en temps réel de l'énergie radiante d'un faisceau comprenant un matériau d'enregistrement photosensible au sein duquel est inscrit en temps réel, un réseau de strates d'indice photoinduites obtenu grâce à l'interférence dans le volume de ce matériau d'un faisceau objet incident issu d'une source cohérente, et d'un faisceau de référence qui lui est cohérent, un transfert d'énergie ayant lieu entre ce faisceau de référence et ce faisceau objet, un champ électrique orthogonal au plan des strates, étant appliqué aux bornes de ce matériau; dispositif principalement caractérisé en ce que des moyens mécaniques permettent un déplacement de ce matériau photosensible pen- dant le temps d'inscription du matériau, le déphasage entre le réseau de strates d'indice et le réseau de franges d'interférence de ces deux faisceaux étant ainsi maintenu constant et égal à ir/2. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description ci-après, en référence'aux figures annexées o: - les figures l à 4 sont des figures explicatives; - la figure 5 représente une courbe explicative des variations d'indice après illumination par un réseau de franges; - la figure 6 représente une courbe explicative de la variation d'indice pour une vitesse de déplacement des franges; - la figure 7 est un schéma du dispositif optique selon l'invention; - les figures 8 et 9 sont des variantes de ce dispositif; la figure 10 est la courbe de déplacement du miroir piézoélectrique représenté à la figure 9. Le dispositif proposé dans le présent brevet est basé sur l'inscription holographique dynamique sur un support photosensible fonctionnant par variation d'indice photoinduite. Le fonctionnement est illustré schémati- quement à la figure 1. Le front d'onde signal E O diffracté par l'objet interfère de façon cohérente avec une onde plane référencée ER. Le réseau de franges d'interférences est inscrit en temps réel dans le matériau sous la forme d'une variation d'indice photoinduite. Physiquement, le couplage. d'ondes se traduit par un transfert d'énergie du faisceau référence vers l'onde signal après traversée du cristal. L'intensité du faisceau objet est donc augmentée en présence du faisceau référence qui dans ces conditions agit comme une onde de pompage. Sur la face avant du milieu d'interaction, le taux de modulation des franges dû à l'interférence de ces deux faisceaux est faible: m = 2 f avec 1 " R Io et IR étant les intensités lumineuses des faisceaux. Le milieu d'interaction étant dynamique, l'onde référence diffractée par le réseau de phase génère une onde Ed identique à l'onde signal. Cette onde 1d est en phase avec l'onde objet incidente Eo si le réseau d'indice est déphasé de IP = Tr/2 par rapport à la modulation spatiale d'intensité lumineuse due aux franges d'interférences. Dans ces conditions le taux de modulation des franges augmente après passage des faisceaux dans le milieu d'interaction. Selon ce processus, le matériau se comporte comme un support à caractéristique non linéaire et un transfert d'énergie notable du faisceau référence vers le faisceau objet peut être obtenu. Sur la figure 1, sur le trajet de l'onde objet 2 de front d'onde E0 est disposé un monocristal épais 1, taillé dans un matériau électro-optique photoconducteur, par exemple BSO. Dans l'épaisseur du cristal, cette onde objet interfère avec une onde de référence 3, de front d'onde plan ER. Le réseau de franges d'interférence 11 ainsi créé génère, en temps réel, dans le cristal, un réseau de strates d'indice 12, après un temps d'inscription T. Ce réseau de strates diffracte une partie de l'énergie de l'onde de référence 3 en une onde diffractée 4 dont le front d'onde est isomorphe du front d'onde objet E0. Or, dans le cas du monocristal BSO et des autres cristaux électro- optiques photosensibles analogues, le réseau photo-induit peut être déphasé exactement de T par rapport au réseau d'illumination incident, ce qui a comme conséquence d'obtenir une onde diffractée 4 strictement superposée à l'onde objet transmise 5; tout se passe comme si l'onde objet tra.smise était enrichie d'une fraction de l'énergie de l'onde de référence. Si l'épais- seur du cristal concernée par l'interférence des deux faisceaux est grande, de l'ordre de 1 cm, le faisceau objet transmis peut être considérablement renforcé, d'un facteur 2 à 3. En effet, sur la face avant du cristal, l'interférence des deux faisceaux est responsable d'un renforcement du faisceau objet selon le processus qui vient d'être décrit, renforcement très faible, il est vrai, puisque sur cette face d'entrée le rapport des intensités des faisceaux objet et référence étant en pratique de l'ordre de 10- à 11f4, le taux de modulation des franges est très faible, comme montré sur la figure 2 en a. En se propageant dans le cristal, cette onde objet renforcée, interfère 1X à nouveau avec le faisceau de référence, ce qui accentue la modulation des franges, et créé un apport d'énergie sur le faisceau objet un peu plus important, et ainsi de proche en proche, tout au long de l'épaisseur du cristal dans laquelle les faisceaux objet et référence interfèrent, parce que le nouveau réseau photo-induit est toujours en phase avec le réseau principal, grâce au déphasage de T entre le réseau d'interférence et le réseau d'indice. Sur la face de sortie, le taux de modulation des franges est plus important que sur la face d'entrée, comme représenté sur la figure 2 en b. Ainsi, si la longueur d'interaction dans le milieu est suffisante, on peut obtenir une augmentation notable de l'intensité du faisceau objet émergent, pratiquement d'un facteur 2 à 3. On a représenté sur le diagramme de la figure 3 cette augmentation du faisceau transmis due au couplage d'onde dans un cristal épais. Sur ce diagramme intensité en fonction du temps, la droite 41 représente l'intensité du faisceau objet directement transmis, en l'absence du faisceau référence 3. Cette intensité est constante à partir du temps 0 o le faisceau objet incident arrive sur le cristal BSO. La courbe 42 montre l'établissement au bout du temps T du faisceau objet diffracté dans le cas de la présente invention, avec une intensité deux à trois fois supérieure à celle du faisceau objet -directement transmis; l'énergie de ce faisceau diffracté étant prélevée su'r le faisceau de réfé- rence. Le cristal 1 peut être, ou non, soumis à un champ électrique transversal, dans le sens de l'axe OX sur la figure 1, le déphasage de Dé entre le réseau d'interférence et le réseau d'indice s'établit automa- tiquement, mais l'efficacité du phénomène d'amplification est d'autant plus grande que le champ électrique appliqué est plus élevé, typiquement entre et 20 kV.cm-1. Cette inscription à saturation du réseau d'indice à partir du réseau de franges d'interférence n'est pas instantanée et requiert un certain temps T, typiquement 100 ms, et il en va de même pour l'effacement du réseau. La mise en oeuvre des phénomènes de transfert d'énergie dans un cristal BSO nécessite une orientation cristallographique telle que le champ soit appliqué dans la direction EO01] et que les franges soient perpendi- culaires à la direction moyenne du champ: I (x) = 10(1 + m cos Kx). Ainsi l'orientation préférentielle du monocristal par rapport à la direction du champ électrique qui est l'axe des x est celle qui est représentée sur la figure 4, c'est à dire perpendiculaire aux faces de la forme 001 du cristal. L'incidence des faisceaux sur les faces de la forme {110} ou t110J et qui détermine le pas des franges, est optimale autour de à 300, par exemple + 20 pour le faisceau objet, - 20 pour le faisceau de référence. Les constantes de temps T mises en jeu pour le transfert d'énergie du faisceau de référence vers le faisceau objet sont pratiquement indépendantes du rapport des intensités des faisceaux incidents, référence et objet, T varie de 50 à 100 ms quand ce rapport varie de 1 à 1000. Le coefficient d'amplification obtenu sur le faisceau objet transmis est égale- ment indépendant de ce rapport dès qu'il est supérieur à 10 et est une fonction non linéaire du champ électrique appliqué au cristal lorsque ce champ dépasse une valeur de seuil de 10 kV.cm 1. Il est par ailleurs -1 technologiquement difficile de travailler à plus de 20 kV.cm Il y a deux modes d'enregistrement de la variation d'indice photo- induite. Un enregistrement par "diffusion" à champ nul E. = 0; A 0.5 à 1 pm. Dans ce cas, l'amplitude de la modulation d'indice photoinduite Ana est faible mais proportionnelle au gradient de l'illumination An a d a dx et un enregistrement par "dérive" sous champ appliqué E = 6 kV.cm; A z3 m. 25018 72 Ce champ est appliqué perpendiculairement au plan des strates d'in- dice. Dans ce cas, l'amplitude de la variation d'indice Anb est élevée et pratiquement en phase avec l'illumination nb c 1 (x); Anb >" Ana Seul l'enregistrement par diffusion à champ nul Eo = 0 satisfait aux conditions optimales pour le couplage d'onde IP = + -/2. Cependant, les transferts d'énergie obtenus expérimentalement restent limités car la varia- tion d'indice photoinduite est faible. Le présent dispositif permet d'exploiter la variation d'indice élevée due à l'enregistrement sous champ appliqué en introduisant un déplacement convenable des franges d'interférence pendant le temps d'inscription du matériau. Ce déplacement du matériau conduit à un déphasage du réseau photoinduit par rapport à l'illumination incidente. Pour une vitesse conve- nable, ce déphasage peut être ajusté à la valeur optimale yP = + 7r/2. Dans ces conditions, on met en évidence de façon expérimentale un transfert d'énergie important de l'onde de référence vers l'onde signal après traversée du cristal. L'amplification de l'image incidente a été obtenue pour des valeurs du champ appliqué, supérieures à 6 kV.cm-1 avec un pas des strates A 3 Pm. L'illumination incidente qui correspond à l'interférence des deux faisceaux 2 et 3 est un signal de la forme I(x, t) = Io(1 + m Cos k x) m étant le taux de modulation et k le vecteur d'onde tel que k = 27y,A étant le pas des strates. Pour un matériau à réponse non locale, ce qui est le cas d'un milieu électro-optique soumis à un champ électrique on a: An = Ln0 Cos (K x + y') A n étant la variation d'indice dans le milieu. L'idéal tel que défini précédemment serait d'avoir ' = Âr/2 et donc A n = An sin k x mais ceci n'est pas possible dans le cas considéré. En présence d'un champ électrique, il n'y a plus couplage optimum des ondes à l'intérieur du milieu, d'o la nécessité d'un déplacement des strates: soit V la vitesse de ces strates, si T est le temps d'inscription des strates on a la 2 5 0 1872 réponse temporelle suivante: An = A n e - t Celle-ci est illustrée à la S T figure 5. Ans étant la valeur de An à saturation. Lors de ce déplacement des strates on a: l(x,t)=lo [ l+mCos(k ( x - vt))] avec m: taux de modulation A n a I (x, t) on a An (x, t) qui est une réponse impulsionnelle An (x, t) = I (x, t) (36(t) 6(t) étant la répgnse du matériau An = Ansi m cos k (x - vt') x e- (t t dt' Si0 T An = m Ans Cos cos[k(x - vt)+ T] avectg = =kv T T étant le retard d'établissement de An comme représenté à la figure 5. An peut se décomposer en An1 et An2; Anl étant en phase avec l'illumination et An2 en quadrature avec cette illumination. A n = m Ans cos cos cos k (x - vt) An2=m Ans cos 4sin 4sin k (x - vt) An2 est la composante qui permet un couplage d'onde tel que l'on ait un transfert d'énergie optimum. A n2 est maximum pour 4 =- ==tg *=i=kvT An kv T An2 = m 2 sink(x-vt) 2 1 + k2 v2 T2 m An s An2 =-sin k (x - vt) On a une courbe de la forme illustrée à la figure 6. Elle passe par un maximum pour V0 =2 A T 2 1T T On a alors une amplification telle que S =S e -)e s e it 5S8 étant le signal de sortie, Se le signal d'entrée, a les pertes d'absorption et s = S e( incidentsdans-le milieu, pour k v -r = I on a r optimum. Pour réaliser ce déplacement des strates on peut déplacer le milieu 1 à la vitesse v à l'aide d'un moteur 25, et ceci pendant le temps d'inscription T du milieu comme représenté à la figure 7, mais on peut s'affranchir de ce déplacement du matériau en plaçant un modulateur de phase 20 sur le trajet de l'onde de référence comme représenté à la figure 8. Celui-ci assure un A- déplacement des franges à une vitesse v telle que vT = y.On peut réaliser ce déphasage à l'aide d'un miroir associé à un transducteur piézoélectrique par exemple, ou à l'aide d'un dispositif acousto-optique selon les vitesses nécessaires. Une réalisation de ce déphasage avec un miroir 24 associé à un transducteur piézoélectrique est illustrée à la figure 9. Pour un fonction- nement séquentiel on a un signal de commande V0 en forme de dent de scie comme illustré à la figure 10. Ce miroir 24 est réalisé, par exemple, avec un matériau piézoélectrique ayant la forme d'un film et dont l'une des faces est métallisée; ce peut être d'ailleurs l'une des électrodes de commande 23 comme représenté à la figure 9. Le signal en dent de scie permet de réaliser un déplacement des strates qui parait régulier. L'amplitude de ce signal doit permettre un déplacement d'un nombre entier de franges. La courbe de la figure 10 représente le déplacement du miroir. Si À est la longueur d'onde du faisceau réfléchi, un déplacement du miroir étant amplifié par deux au niveau du faisceau. Le déphasage représenté par ce signal est donc égal à k. Ainsi si la vitesse de déplacement v est telle que vr = A21T on se trouve dans les conditions optimales quant au transfert d'énergie. On peut, par exemple, considérer les valeurs suivantes: T-r=ms.A=3 plm. =v = T- 500 Prm/s. Pour un champ appliqué E = 10 kV cm le gain r obtenu est r =2,4 cm1 soit: Ss:1,5 Se pour a =1,9 cm. Le dispositif décrit précédemment peut être appliqué à d'autres types de matériaux dont les constantes de temps sont beaucoup plus courtes que celles obtenues avec un cristal de BSO, par exemple avec des matériaux semi-conducteurs on peut obtenir T = 109 sec. Un déplacement rapide des franges d'interférences est obtenu facilement avec un dispositif acousto- optique. Ce dispositif fonctionne par exemple à une fréquence F = 27iT 250 1872 avec T = 10-9 s F = 200 MHz On utilise alors un phénomène de glissement acousto-optique pour un fonctionnement continu; le matériau acoustooptique étant piloté par un signal de fréquence F. Le signal incident ayant une fréquence fo, le signal qui émerge a une fréquence fr = fo + F: les indices o et r sont relatifs respectivement au pinceau incident et au pinceau dévié et la majuscule à l'onde acoustique. En effet la propagation d'une onde acoustique dans un milieu réfringent se traduit sur l'indice optique de ce milieu par une perturbation ondulatoire synchrone dont l'origine se trouve dans la modula- tion apportée à la densité locale de matière par la distribution locale des pressions. A une onde progressive de fréquence F correspond donc un point de vue optique un roseau de phase dans ce matériau acousto-optique dont le pas est égal à AF= F et donc comme vFT F =.2: F =;W On peut considérer: F = 3 pm, TF = 1 ns vF = 0,5 x 109 pm/s et F c 200 MHz On peut placer tout aussi bien le modulateur de phase ou le dispositif acousto-optique sur le faisceau objet incident et non plus sur le faisceau référence. 250 1872 - 10 REVENDICATIONS 1. Dispositif optique d'amplification en temps réel de l'énergie radi- ante d'un faisceau comprenant un matériau d'enregistrement photosensible (1) au sein duquel est inscrit en temps réel un réseau de strates d'indice photoinduites (12) obtenu grâce à l'interférence dans le volume de ce matériau (1) d'un faisceau objet incident (2) issu d'une source cohérente, et d'un faisceau de référence (3) qui lui est cohérent, un transfert d'énergie ayant lieu entre ce faisceau de référence (3) et ce faisceau objet (2), un champ électrique orthogonal au plan des strates étant appliqué aux bornes de ce matériau (1), dispositif caractérisé en ce que des moyens mécaniques permettent un déplacement de ce matériau photosensible (1) pendant le temps d'inscription du matériau, le déphasage entre le réseau de strates d'indice (12) et le réseaux de franges d'interférence (11) de ces deux faisceaux étant ainsi maintenu constant et égal à 11/2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens mécaniques comportent un moteur (25). 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vitesse de déplacement du matériau photosensible (1) est égale è 2 r; A étant le pas des strates et T le temps d'inscription dans le milieu. 4. Dispositif optique d'amplification en temps réel de l'énergie radi- ante d'un faisceau comprenant un matériau d'enregistrement photosensible (1) au sein duquel est inscrit en temps réel, un réseau de strates d'indice photoinduites (12) obtenu grâce à l'interférence dans le volume de ce matériau (1) d'un faisceau objet incident (2) issu d'une source cohérente, et d'un faisceau de référence (3) qui lui est cohérent, un transfert d'énergie ayant lieu entre ce faisceau de référence (3) et ce faisceau objet (2), un champ électrique orthogonal au plan des strates étant appliqué aux bornes de ce matériau (1); dispositif caractérisé en ce que des moyens modulateurs de phase sont disposés sur le trajet de l'un des deux faisceaux entrainant un déplacement des strates pendant le temps d'inscription du matériau, le déphasage entre le réseau de strates d'indice (12) et le réseaux de franges d'interférence (11) de ces deux faisceaux étant ainsi maintenu constant et égal à ir/2. ?501872 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens modulateurs de phase comportent un miroir (24) associé à un transducteur piézoélectrique. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la courbe du déplacement du miroir en fonction du temps est une dent de scie. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que cette dent de scie a une période de T et une amplitude de déphasage de k)12; À étant la longueur d'onde du faisceau sur le trajet duquel est placé le miroir, k étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, T étant le temps d'inscription dans le matériau (1). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la vitesse de déplacement du miroir est égale à A T A étant le pas des strates et T le temps d'inscription dans le milieu. 9. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens modulateurs de phase comportent un dispositif acousto-optique. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau d'enregistrement photosensible (1) est un matériau él ectro-optique. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le maté- riau d'enregistrement est un monocristal d'oxyde de bismuth silicium. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le champ électrique est appliqué dans la direction [O01] du monocristal, l'incidence des faisceaux se faisant sur les faces de la forme (u1oj ou {I 1 O}.