Brevet FR2528589A1 — publié le 19831216

La présente invention a pour objet un modulateur de biréfringence permettant de moduler la phase ou l'amplitude d'une onde électromagnétique telle que par exemple une onde lumineuse polarisée. Ce modulateur peut notamment être utilisé dans des appareils permettant de mesurer un dichroïsme circulaire, c'est-à-dire permettant de mesurer, en fonction de la longueur d'onde de l'onde lumineuse arrivant sur le modulateur, la différence d'absorbance entre la polarisation circulaire gauche et la polarisation circulaire droite de ladite lumière. Dans un brevet nove506332 déposé le 26 mai 1966 par le demandeur, il est décrit un tel appareil de mesure comprenant, entre autres,un modulateur de biréfringence. Ce modulateur comprend, comme représenté sur la figure 1, un barreau 2 de forme parallélépipédique rectangle, réalisé en un matériau photo-élastique tel que de la silice, soumis à des efforts périodiques de traction et de compression de façon à engendrer dans ledit barreau 2 des ondes acoustiques, et donc d'induire une biréfringence photo-élastique dont les lignes neutres sont parallèles et perpendiculaires à la direction des efforts.Ces efforts sont produits par une pastille piézoélectrique 4, dite pastille excitatrice, collée sur l'une des extrémités du barreau et par deux tiges 6 et 8, réalisées par exemple en acier, la tige 6 étant par exemple collée bout à bout à la pastille piézoélectrique 4, et la tige 8 étant collée sur l'autre extrémité du barreau 2 de façon à obtenir une barre unique 9. La pastille piézoélectrique 4 est excitée par un signal électrique périodique dont la fréquence est égale à la fréquence de résonance de la barre 9 en demi-longueur d'onde, c'est-à-dire que la longueur de cette barre 9 est égale t 2, X étant la longueur d'onde des ondes acoustiques se propageant dans ladite barre ; cette résonance est due à la propagation des ondes acoustiques dans la barre 9. Le signal électrique périodique est délivré par exemple par un oscillateur 10, puis amplifie dans un amplificateur 12 dont on pe modifier et contrôler le gan au moyen d'un système 14 approprie. Afin que le modulateur décrit cl-dessus puis- se fonctionner en auto-ocillateur, celui-ci peut entre muni d'une pastille piézoélectrique 16, dite pastille réceptrice, pouvant capter les ondes acoustiques se propageant dans la barre 9. Cette pastille réceptrice 16 peut etre place dans un plan quelconque parallèle à la pastille excitatrice comme par exemple au milieu de la tige 6. Cette pastille lDp excitée par les ondes acoustiques se propageant dans la barre 9, émet un si- gnal électrique périodique qui est appliqué à l'entrée de l'amplificateur 12 à la place de l'oscillateur 10. La variante du modulateur de biréfringence fonctionnant en auto-oscillateur est représentée en traits mixtes sur la figure 1. Bien que ce modulateur de biréfringence présente l'avantage de fonctionner à des fréquences assez basses (quelques kHz) ainsi que de fonctionner en demilongueur d'onde, ce qui conduit à une répartition assez plate de la biréfringence induite, ce modulateur présente certains inconvénients liés notamment à la présence des nombreux collages servant à coller les differents éléments du modulateur. En effet, pour réaliser une excitation efficace de la barre, ces collages doivent être situés dans des zones de contrainte périodiques élevées. La situation de ces collages est cause de fragilité et de vieillissement pour le modulateur. Par ailleurs, ces collages conduisent à des biréfringences parasites dans le barreau de silice. De plus, la fabrication de ce modulateur (assemblage et collage des différents éléments le constituant) nécessite un certain tour de main. La présente invention a justement pour objet un modulateur de biréfringence permettant de remédier à ces inconvénients. Selon l'invention, le modulateur de biréfringence se caractérise en ce qu'il comprend - un barreau, comportant un axe, réalisé en tout ou partie d'un matériau présentant un effet photo-élas tique, ce barreau présentant deux faces parallèles entre elles et perpendiculaires à l'axe du barreau et au moins deux autres faces latérales parallèles entre elles et parallèles à l'axe du barreau, - au moins une pastille piézoélectrique excitatrice collée sur au moins une des faces latérales du bar reau, cette pastille excitatrice permettant d'engen drer dans le barreau des ondes acoustiques de façon que le modulateur résonne en un multiple de B/2, X étant la longueur d'onde de ces ondes acoustiques, ces ondes se propageant suivant l'axe du barreau, - des moyens pour engendrer un signal électrique alter natif permettant d'exciter ladite pastille, et - des moyens permettant de supporter le barreau. Le fait de disposer la pastille excitatrice sur une des faces latérales du barreau permet, par rapport aux modulateurs de l'art antérieur, de minimiser les biréfringences parasites dans ledit barreau. De préférence, la pastille excitatrice est située en un ventre de contrainte des ondes acoustiques. Comme pour les modulateurs de l'art antérieur, le modulateur selon l'invention peut fonctionner en auto-oscillateur. Pour ce faire, on peut utiliser un asservissement électronique ou bien un modulateur comprenant au moins une pastille piézoélectrique réceptrice permettant de capter les ondes acoustiques, cette pastille réceptrice, collée sur une des faces latérales du barreau, étant apte à engendrer un signal électrique permettant d'exciter la pastille excitatrice. Selon l'invention, le barreau du modulateur peut être formé d'un ou plusieurs éléments accolés bout à bout pouvant être réalisés en un même matériau ou en des matériaux différents. Lorsque le barreau est formé de plusieurs éléments, chacun desdits éléments présente une longueur telle que la fréquence de résonance dudit élément est voisine de celle des autres éléments. De préférence, les extrémités des éléments formant le barreau sont situées au voisinage des noeuds de contrainte des ondes acoustiques. Par ailleurs, ces éléments présentent des dimensions, selon les directions perpendiculaires à l'axe du barreau, qui peuvent être soit identiques, soit différentes. Selon un mode de réalisation préféré du modulateur de l'invention, les moyens permettant de supporter le barreau sont situés en des noeuds de déplacements des ondes acoustiques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui suit,. donnée à titre illustratif mais nullement limitatif en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement un modulateur de biréfringence selon l'art antérieur, - la figure 2 représente schématiquement un modulateur de biréfringence conformément à l'inven- tion, - la figure 3 représente schématiquement une première variante de réalisation du modulateur de biréfringence de la figure 2, et - la figure 4 représente schématiquement une deuxième variante de réalisation du modulateur de biréfringence de la figure 2. Sur la figure 2, on a représenté un modulateur de biréfringence conformément à l'invention. Ce modulateur comprend, comme pour les modulateurs de l'art antérieur, un barreau 22 présentant par exemple la forme d'un parallélépipède rectangle. Ce barreau réalisé en un matériau présentant l'effet photo-élastique est excité, c'est-à-dire mis en vibration mécanique de résonance, par au moins une pastille piézoélectrique excitatrice 24 de façon à engendrer dans le barreau des ondes acoustiques, et donc d'induire dans celui-ci une biréfringence photo-élastique. Ces ondes acoustiques se propagent longitudinalement dans le barreau, c'està-dire suivant l'axe Z du barreau dirigé suivant la longueur L dudit barreau.L'onde électromagnétique à moduler, correspondant par exemple au faisceau lumineux 26, est envoyé perpendiculairement à la direction des ondes acoustiques se propageant dans le barreau 22, suivant l'axe Z de celui-ci, c'est-à-dire par exemple selon l'axe X du barreau et de préférence en un ventre de contrainte. Les pastilles piézoélectriques excitatrices 24, réalisées par exemple en titanate et zirconate de plomb (PZT), sont excitées par un signal électrique alternatif dont la fréquence est égale à la fréquence de résonance'du barreau 22 en un multiple de la demi-longueur d'onde, c'est-à-dire que la longueur L du barreau est un multiple de B/2, où X représente la longueur d'onde des ondes acoustiques se propageant dans le barreau. I1 est à noter que la fréquence de résonance du barreau 22 est différente de la fréquence de résonance propre aux pastilles piézoélectriques excitatrices 24. Sur la figure 2, on a représenté en 28 un mode de vibration du barreau. On a représenté suivant l'axe Y du barreau, l'amplitude des contraintes mécaniques induites dans le barreau 22, suite à la propagation des ondes acoustiques dans le barreau, en fonction de la cote Z. Sur la figure 2, le barreau résonne en X, c'est-à-dire que la longueur L du barreau est égale à X, X étant toujours la longueur d'onde des ondes acoustiques se propageant dans le barreau. Le signal électrique périodique servant à exciter les pastilles piézoélectriques 24 peut être engendré par un oscillateur 30, puis amplifié par un amplificateur 32 dont on peut modifier et contrer le gain au moyen d'un système approprié 34. Conformément à l'invention, les pastilles excitatrices 24 sont collées sur les faces 6 du barreau, par exemple la face 36a, qui sont situées latéralement par rapport à la direction de propagation des ondes acoustiques, ' est-a-dire parallèlement à l'axe Z du barreau. Dans une telle dJsposition, l'excitation du barreau par les pastilles 24 est réalisée par cisaillement. De préférence, les pastilles excitatrices 24 sont situées à des ventres de contrainte 38 des ondes acoustiques, c'est-à-dire à des noeuds de déplacement de ces ondes, comme représenté sur la figure 2. Par ailleurs, ces pastilles peuvent présenter une longueur au moins égale à la largeur de la face 36 sur laquelle elles sont collées. Selon l'invention, le nombre de pastilles piézoélectriques excitatrices 24 peut varier de 1 à 4 pour un barreau 22 oscillant en X, de 1 à 8 pour un barreau oscillant en 3 B/2... Sur la figure 3, on a représenté un barreau 22 excité par quatre pastilles piézoélectriques portant respectivement les références 24a, 24b, 24c et 24d collées respectivement sur les faces latérales 36a, 36b, 36c et 36d du barreau. Sur la figure 2, on a représenté schématiquement le positionnement des moyens permettant de supporter le barreau 22. Ces moyens, de type classique et portant la référence 40, sont de préférence situés en des noeuds de déplacement 38 des ondes acoustiques se propageant dans le barreau 22, c'est-à-dire en des ventres de contrainte 38. Comme pour les modulateurs de biréfringence de l'art antérieur, le modulateur de l'invention peut fonctionner en auto-oscillateur. Pour cela on peut asservir la fréquence d'un oscillateur électronique sur la fréquence propre de résonance du barreau. Cet asservissement peut être réalisé soit de façon classique, par exemple en utilisant la variation de l'impédance électrique de la pastille excitatrice, à la résonance du barreau, soit de façon électromécanique. Dans ce dernier cas, on colle au moins une pastille piézoélectrique réceptrice 42, comme représenté sur la figure 2, permettant de capter les ondes acoustiques se propageant dans le barreau 22. Conformément à l'invention, ces pastilles réceptrices 42, réalisées par exemple en titanate et zirconate de plomb (PZT) sont collées sur les faces latérales 36 du barreau 22.Ces pastilles réceptrices 42 sont collées par exemple sur la face du barreau, par exemple 36c, située à l'opposé de la face du barreau 36a sur laquelle sont collées les pastilles excitatrices 24 et par exemple en regard de ces pastilles 24. En particulier, lorsque les pastilles excitatrices 24 sont situées en des ventres de contrainte des ondes acoustiques se propageant dans le barreau, les pastilles réceptrices 42 sont situées aux mêmes ventres de contrainte. Les pastilles réceptrices 42, excitées par les ondes acoustiques se propageant dans le barreau 22, émettent un signal électrique périodique qui est appli qué,.après un écrétage, un filtrage et un déphasage de types connus, à l'entrée de l'amplificateur 32, à la place de l'oscillateur 30. La variante du modulateur selon l'invention fonctionnant en auto-oscillateur électromécanique est représentée en traits mixtes sur la figure 2. Selon l'invention, le barreau 22 du modulateur peut être formé d'un ou plusieurs éléments 44, comme représenté sur la figure 3. Les différents éléments 44 par exemple de forme parallélépipédique rectangle sont accolés bout à bout, les faces des éléments en regard les unes des autres étant perpendiculaires -à l'axe Z du barreau, une couche en matériau souple, susceptible de donner une couche très mince, étant interposée entre deux surfaces adjacentes pour assurer la jonction. Comme matériau, on peut utiliser de la vaseline ou bien une colle à base de caoutchouc dissous dans un solvant tel que le benzène ou le toluène. En ce qui concerne le collage des pastilles piézoélectriques excitatrices 24 et réceptrices 42 sur les faces latérales 36 du barreau1 on peut utiliser un adhésif tel que ceux connus sous la marque Cyanolite ou sous la marque M Bond 200 de Permabond International Corporation. De préférence, les extrémités des différents éléments 44 formant le barreau 22 sont situées au voisinage des ventres de déplacement des ondes acoustiques se propageant dans le barreau, c'est-à-dire au voisinage des noeuds de contrainte mécanique (figure 4). Selon l'invention, les éléments 44 peuvent être réalisés en un même matériau tel que la silice ou le verre ou bien en des matériaux différents présentant des impédances acoustiques voisines. Comme matériau présentant des impédances acoustiques voisines, on peut utiliser l'acier, le verre, la silice ou le séléniure de zinc, combinés deux à deux. Lorsque le barreau 22 est formé d'éléments 44 réalisés en des matériaux identiques ou différents, chaque élément 44 doit présenter une longueur 1 telle que la fréquence de résonance de l'élément soit voisine de celle des autres éléments. Jusqu'à présent, on a décrit un modulateur constitué d'un barreau 22 formé d'un ou plusieurs éléments de forme parallélépipédique rectangle, mais bien entendu tout autre forme de barreau peut être envisagée à condition que ce barreau présente deux faces parallèles entre elles.et perpendiculaires à l'axe Z du barreau et deux autres faces parallèles entre elles et parallèles audit axe Z. Par exemple on peut utiliser, comme représenté sur la figure 4, un barreau 22 formé d'un ou plusieurs éléments 44a de forme cylindrique comportant deux faces d'extrémité 46 parallèles entre elles et perpendiculaires à l'axe Z du barreau, et deux méplats 48 définissant deux surfaces parallèles entre elles et à l'axe Z du barreau. Par ailleurs, le barreau peut être formé de plusieurs éléments de formes identiques cu différentes, comme représenté sur la figure 4, comportant des dimen sipns identiques ou différentes selon les directions perpendiculaires à l'axe Z du barreau, c'est-à-dire selon les directions X et Y du barreau. Afin de limiter les perturbations dans l'onde électromagnétique 26 à moduler, perturbations dues à des biréfringences parasites, produites par le collage des pastilles piézoélectriques, cette onde électromagnétique doit être envoyée sur le modulateur, c'est-àdire sur le barreau 22, dans une zone dudit barreau éloignée desdites pastilles piézoélectriques. Par exemple, lorsque les pastilles sont situées en un ven tre de contrainte, l'onde électromagnétique peut être envoyée au niveau d'un autre ventre de contrainte, comme illustré sur la figure 2. De plus, le fait de placer les pastilles excitatrices 24 ainsi que d'envoyer l'onde à moduler en des ventres de contrainte des ondes acoustiques se propageant dans le barreau permet d'optimiser le rendement optique du modulateur. Par ailleurs, le fait d'utiliser un barreau 22 formé de plusieurs éléments 44 ou 44a, dont les faces d'extrémité sont situées en des noeuds de contraintes des ondes acoustiques, permet de minimiser encore plus les perturbations ésentuelles dans l'onde à modu leur. Le modulateur conformément à l'invention présente l'avantage de pouvoir être réalisé aisément. I1 permet en particulier d'éviter toute biréfringence parasite, liée au collage des pastilles piézoe.ectri- ques. Ce modulateur permet notamment de moduler la phase d'une onde lumineuse. Pour moduler l'amplitude d'une onde lumineuse, le modulateur de l'invention peut etre associé à des polariseurs tels qe ceux décrits dans le brevet n0 1506332 cite précédemment. REVENDICATIONS 1. Modulateur de biréfringence permettant de moduler une onde électromagnétique (26), caractérisé en ce qu'il comprend - un barreau (22), comportant un axe (Z), réalisé en tout ou partie d'un matériau présentant un effet pho to-élastique, ce barreau présentant deux faces (46) parallèles entre elles et perpendiculaires à l'axe du barreau et au moins deux autres faces latérales (3tu, 48) parallèles entre elles et parallèles à l'axe du barreau, - au moins une pastille piézoélectrique excitatrice (24), collée sur au moins une des faces latérales (36) du barreau, cette pastille excitatrice permet tant d'engendrer dans le barreau (22) des ondes acoustiques de façon que le modulateur résonne en un multiple de B/2, X étant la longueur d'onde de ces ondes acoustiques, ces ondes se propageant suivant l'axe (Z) du barreau, - des moyens (30, 32-, 34) pour engendrer un signal électrique alternatif permettant d'exciter ladite pastille (24), et - des moyens (40) permettant de supporter le barreau (22). 2. Modulateur de biréfringence selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pastille excitatrice (24) est située en un ventre de contrainte (38) des ondes acoustiques. 3. Modulateur de biréfringence selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend, de plus, au moins une pastille piézoélectrique réceptrice (42) permettant de capter les ondes acoustiques, cette pastille réceptrice, collée sur une des faces latérales (36, 48) du barreau, étant apte à engendrer un signal électrique permettant d'exciter la pastille excitatrice (24) de façon que le modulateur fonctionne en auto-oscillateur. -4. Modulateur de biréfringence selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit barreau (22) est constitué de plusieurs éléments (44, 44a) accolés. bout à bout. 5. Modulateur de biréfringence selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments (44) présentent des dimensions identiques selon les directions perpendiculaires (X, Y) à l'axe (Z) du barreau. 6. Modulateur de biréfringence selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments (44) présentent des dimensions différentes selon les directions perpendiculaires tX, Y) de l'axe (Zj du barreau. 7. Modulateur de biréfringence selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les extrémités des éléments (44, 44a), constituant le barreau, sont situées au voisinage des noeuds de contraintes des ondes acoustiques. 8. Modulateur de biréfringence selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les éléments (44, 44a) constituant le barreau sont réalisés en un même matériau. 9. Modulateur de biréfringence selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que, les éléments (44, 44a) constituant le barreau présentent chacun une longueur (1) telle que la fréquence de résonance dudit élément est voisine de celle des autres éléments. 10. Modulateur de biréfringence selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens (40) permettant de supporter le barreau sont situés en des noeuds de déplacement (38) des ondes acoustiques.