Brevet FR2536175A1 — publié le 19840518

DISPOSITIF ACOUSTO-OPTIQUE D'ANALYSE DE SPECTRE. L'invention concerne un dispositif acousto-optique d'analyse de spectre. Dans un analyseur de spectre acousto-optique de l'art connu une onde acoustique se propage dans un milieu d'interaction et crée en volume un réseau d'indice se déplaçant à la vitesse Vs du son dans le matériau Le réseau ainsi généré diffracte dans les conditions de Bragg une onde optique incidente. Un réseau linéaire de détecteurs placés dans ce plan focal d'une lentille située à la sortie de ce milieu permet d'obtenir l'analyse spectrale du signal envoyé sur le transducteur piézoélectrique qui génère l'onde acousti- que dans le milieu intéractif Mais les composants optiques utilisés doivent être limités par diffraction pour obtenir une bonne résolution Cette condition conduit à la réalisation de lentilles sphériques et cylindriques à faible ouverture numérique rendant le dispositif particulièrement encom- brant et au réglage délicat Afin de pallier cet inconvénient des configura- tions analogues ont été proposées en technologie optique intégrée. La difficulté dans ce cas réside dans la fabrication de guides d'ondes à faibles pertes et de lentilles géodésiques à hautes performances. Par ailleurs le couplage laser-guide, et le couplage guide-détecteur restent des opérations délicates qui entrainent des pertes notables. Le dispositif de l'invention assure une analyse spectrale du signal avec une résolution élevée Il présente un encombrement réduit et fonctionne avec une structure optique simple aux limites de la diffraction. De plus ce dispositif d'analyse de spectre est basé lui aussi sur I'intéraction acousto-optique Il se caractérise par la simplicité de la structure optique adoptée et est compatible avec une résolution élevée Les applications sont relatives par exemple au domaine de l'avioni que (recon- naissance de signatures par exemple) et du traitement de signal. L'invention a pour objet un dispositif d'analyse de spectre comportant une source lumineuse qui délivre un faisceau lumineux collimaté, un milieu d'interaction piézoélectrique et élastooptique, un transducteur qui génère 2536 1 75 une onde acousto-optique dans ce milieu, cette onde acousto-optique créant un réseau d'indice se propageant à la vitesse du son V dans ce milieu, ce transducteur étant attaqué par un signal de commande, et un réseau linéaire de détecteurs destinés à détecter le spectre du signal de commande, le faisceau lumineux étant diffracté par ce réseau d'indice pour atteindre le réseau linéaire de détecteurs caractérisé en ce que la source est située au voisinage du centre de courbure du milieu d'intéraction qui est réalisé sous la forme d'une calotte sphérique, le transducteur est réalisé sous la forme d'un peigne interdigité qui est déposé sur la face opposée de la calotte sphérique par rapport à la source, l'onde acousto-optique générée est une onde de surface. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description ci-après, en référence aux figures annexées o: la figure 1 illustre un dispositif de l'art connu. la figure 2 illustre le dispositif selon l'invention. les figures 3 et 4 illustrent deux aspects particuliers du dispositif de l'invention. la figure 5 illustre une configuration particulière du dispositif selon l'invention. Le schéma d'un analyseur de spectre acoustooptique de l'art connu est donné sur la figure 1 L'onde acoustique se propageant dans le milieu d'interaction 1 crée en volume un réseau d'indice se déplaçant à la vitesse VS du son dans le matériau. Le réseau ainsi généré diffracte dans les conditions de Bragg une onde optique plane incidente 2, ce qui explique l'inclinaison du milieu par rapport à l'axe A de direction moyenne de propagation représenté sur la figure 1. Les distances 8, 9 et 10 sont égales aux distances focales respectivement des deux lentilles 4 et 5 ce qui permet d'avoir une onde plane qui atteint le milieu 1, et d'autre part d'avoir un faisceau convergeant dans le plan des détecteurs dont l'axe moyen est toujours parallèle à l'axe A - = v x f 1 VS 1 X étant la longueur d'onde de l'onde incidente et f 1 étant la fréquence du signal -de commande sur le transducteur piézoélectrique 3 Pour chaque 2536 1 75 fréquence fi il correspond donc dans le plan focal P de la lentille 5, ou plan Fourier, un point de focalisation dont la position 23 par rapport à l'axe repérée par Xi est donnée par la relation: X 12 s Xi -2 V 5 x fi x F Un réseau linéaire de détecteurs 7 placés dans ce plan P permet d'obtenir l'analyse spectrale du signal 6 envoyé sur le transducteur piézo- électrique 3 Ce signal 6 est un signal haute fréquence situé par exemple entre 100 et 500 M Hz Soit f la fréquence centrale du signal de commande et AF la bande de fréquence à analyser, le nombre de points résolus dans le plan de Fourier vaut: N= A Fx -D VS D étant la hauteur 22 du matériau élasto-optique éclairé par le rayonnement incident, compte tenu des figures de mérite des matériaux habituellement utilisés molybdate de Plomb (Pb Mo 04); oxyde de télure (Te 02), niobate de lithium (Li Nb 03) des résolutions supérieures à 1000 points sont obtenues. On doit noter par ailleurs que ces résolutions ne sont effectivement mesurées que si tous les composants optiques utilisés sont limités par diffraction Cette condition conduit à la réalisation de lentilles sphériques et cylindriques à faible ouverture numérique rendant le dispositif particu- lièrement encombrant et au réglage délicat Afin de pallier cet inconvénient des configurations analogues à celle de la figure 1 ont été proposées en technologie optique intégrée sur un substrat de niobate de lithium (Li Nb 03) par exemple. La difficulté dans ce cas réside dans la fabrication de guides d'ondes à faibles pertes et de lentilles géodésiques à hautes performances (ouverture numérique; aberrations résiduelles) pour obtenir des fronts d'onde parfaits nécessaires pour entraîner une bonne résolution du dispositif. Par ailleurs le couplage laser-guide et guide-détecteur restent des opérations délicates qui entraînent des pertes notables au niveau du signal lumineux transmis. Par contre le dispositif de l'invention assure une analyse spectrale du signal avec une résolution élevée Il présente un encombrement réduit, et fonctionne avec une structure optique simple aux limites de la diffraction. Une représentation schématique de l'invention est réalisée à la figure 2 Elle se compose respectivement: d'un point source S issu d'un laser; Laser Hélium-Néon (He Ne), ou à l'Arsenuire de gallium As Ga, par exemple, placé au voisinage du centre de courbure d'un "miroir" sphérique 13 réalisé sur un substrat piézoélectri- que et élastooptique du type niobate de lithium (Li Nb 03) par exemple Le voisinage du centre de courbure concerne la zone de l'espace dans laquelle les propriétés de stigmatisme du faisceau lumineux sont conservées Cette zone est de l'ordre du degré angulaire par rapport au "miroir" sphérique La source S peut d'ailleurs, éventuellement être placée en ce centre de courbure On parle de "miroir", car dans le dispositif de l'invention le milieu considéré est une calotte sphérique qui a les propriétés d'un miroir sphéri- que Cette calotte sphérique peut avoir par exemple une hauteur comprise entre 5 et 10 centimètres. d'une ligne de détecteurs 7 placée dans le plan du spectre du signal à analyser c'est à dire proche du centre de courbure du "miroir" Le nombre de détecteurs utilisés dépend de la résolution désirée dans l'analyse du spectre. Ces détecteurs peuvent être par exemple disposés sur une droite perpendicu- laire à laxe du miroir A', et alignés avec la source S Les ondes acoustiques de surface sont générées à l'aide d'un peigne interdigité, représenté à la figure 3, déposé sur le substrat piézoélectrique par les techniques classiques de photogravure Si l'on considère une coupe verticale du dispositif comme représentée à la figure 2, le peigne interdigité doit avoir ses doigts disposés perpendiculairement à ce plan de telle sorte que l'onde de surface 12 se déplace dans une direction visible sur cette coupe verticale La distance 16 entre les lignes médianes de deux doigts de même polarité est égale au pas des strats A o lié à la fréquence moyenne f du signal de commande; on a A o =-SÈ Le passage de l'onde acoustique de surface 12 représentée à la f figure 4 s Accompagne de deux effets: la surface libre du matériau piézoélectrique, le long de laquelle se propage cette onde de Rayleigh, présente des ondulations périodiques créant un réseau de franges de variation d'indice. 2536 1 75 Il existe un volume limité par la surface libre et dont la profondeur 19 est de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde des vibrations de surface. Dans ce volume les déformations induisent des variations de l'indice de réfraction par effet photoélastique créant un réseau de strates d'indices différents 20 et 24 Il y a donc à la fois une modulation spatiale du milieu qui est un milieu élasto-optique par une déformation de la maille cristalline et une variation d'indice dans ce milieu L'épaisseur du milieu doit donc être supérieure à la longueur d'onde des vibrations de surface c'est à dire à des valeurs de quelques micromètres, cette épaisseur peut être, par exemple de l'ordre du millimètre. En effet les ondes de Rayleigh sont des ondes complexes se propageant à la surface de tout milieu Elles se composent, dans les cas simples, d'un déplacement longitudinal et d'un déplacement transversal déphasés de Jr /2 qui s'annulent définitivement à une profondeur de l'ordre de deux longueurs d'onde Toutefois cette complexité est compensé par un avantage impor- tant: les ondes de Rayleigh peuvent être excitées et détectées sur des substrats piézoélectriques par des transducteurs à doigts de technologie simples et aptes à remplir d'autres fonctions que la conversion électro- mécanique. Un tel transducteur à électrodes interdigités comprend, comme sur la figure 3, deux électrodes métalliques en forme de peigne déposées sur un substrat piézoélectrique La tension électrique appliquée entre les deux électrodes crée un champ électrique qui engendre des compressions et des dilatations au voisinage de la surface donnant naissance à différents types d'ondes élastiques En ce qui concerne les ondes de Rayleigh émises perpendiculairement aux doigts des peignes, le transducteur se comporte comme une suite de sources ultrasonores Lorsque la tension appliquée est sinusoôdale, les vibrations s'ajoutent de façon constructive seulement si la distance d séparant deux doigts adjacents est égale à une demilongueur d'onde élastique En effet toute contrainte produite à l'instant t par une paire de doigts, pour une polarité donnée de la tension appliquée, parcourt à la vitesse VR des ondes de Rayleigh la distance X /2 pendant la demi- période T/2 A l'instant t + T/2 cette contrainte est arrivée sous la paire de doigts voisine au moment o la tension électrique, qui a changé de signe, produit une contrainte de même phase; l'excitation élastique due à la seconde paire de doigts s'ajoute à celle émise par la première paire La fréquence f O = d R qui correspond à cet effet cumulatif est appelée fréquence de synchronisme ou fréquence de résonnance Si la fréquence s'écarte de cette valeur, l'interférence entre les signaux élastiques émis par les différentes paires de doigts n'est plus totalement constructive et le signal résultant est moindre Il apparaît ainsi que la bande passante d'un transducteur est d'autant plus faible qu'il comporte plus de doigts. La fonction de transfert d'un transducteur à N doigts peut se déduire de sa réponse impulsionnelle Une impulsion brève devant le temps de transit des ondes élastiques entre deux doigts appliquée aux électrodes excite simultanément les N 1 sources ultrasonores Comme le champ électrique s'inverse à chaque intervalle entre doigts, le signal élastique émis est périodique La période spatiale est égale au double de la distance d entre les axes de deux doigts adjacentes La durée O du signal est égale à la longueur active du transducteur L = (N 1) d divisée par la vitesse des ondes de Rayleigh: (N)d= (N -1) VR 2 f En assimilant intuitivement cette réponse impulsionnelle à un sinusol- de de fréquence f = V /2 d et de durée 6, la réponse en fréquence égale à o R la transformée de Fourier de la réponse impulsionnelle apparaît comme une courbe en sin x/x, avec r -f > X -fr O(f-fo)= (N l)2 f o La bande passante à trois décibels (x = + 0,885 r 1/2) est ainsi inversement proportionnelle au nombre d'intervalles: àf _ 1,77 -y N 1 T* En pratique, pour relever la réponse impulsionnelle d'un transducteur, il faut transformer le train d'ondes élastiques émis en signal électrique à l'aide d'un transducteur récepteur, à électrodes interdigitées par exemple. Le champ électrique accompagnant l'onde élastique induit, lorsque celleci passe sous les électrodes, une différence de potentiel variable au cours du temps La forme de ce signal dépend du nombre de doigts du récepteur. La diffraction d'un angle A de l'onde sphérique incidente par le réseau "mince" d'indice et d'épaisseur, dont les profondeurs respectives sont les profondeurs 18 ou d et 19 ou A, est explicitée par la relation: Id 2 Id = R sin 2 o avec: R = coefficient de réflexion dû à l'interface du substrat-air. et Id = Intensité lumineuse diffractée Io = Intensité lumineuse incidente La profondeur d( 18) correspond donc à la modulation spatiale et la profondeur A ( 19) à la variation d'indice qui est telle que dans les zones 24 on a un indice égal à N et dans les zones 20: N + A n On peut considérer les valeurs numériques suivantes, à titre d'exemple: = 2 x? 2 r LA An+(n-1) d 2 O Id (n I 1)2 x 4 2 A( An+ (n 1) dl 2 T O (n"+ x 2 L o avec A o = pas des strates à la fréquence fo A N = variation d'indice dans le milieu N = valeur de l'indice du milieu À = longueur d'onde de l'onde incidente On peut considérer par exemple Un substrat piézoélectrique en niobate de lithium (Li Nb O 3) Une fréquence centrale f 150 M Hz. o -1 Une vitesse de propagation VS = 7400 ms Un indice N = 2,3 À = 0,6 /um (laser He Ne) VI, ,À um A 50 /un. ^o f Les variations d'indice et d'épaisseur que l'on peut induire sur le substrat sont directement fonction de la puissance électrique du signal de commande Pour une puissance de l'ordre de quelques 100 m W on obtient pour le niobate de lithium (Li Nb O 3) les valeurs suivantes: d 10 A (d peut atteindre la valeur 20 A) An 10-. Id 1 -2 40 4,4 2 I 16 x 10 2 x -50 10 + 1,3 x 10 x 10- -j 1 6 x X 0,36 Id 10-3 Io Résolution de l'analyseur: D N= A Fx VD s Bande de fréquence A F = 150 M Hz Dimension du matériau D = 6 cm N= 10 x 10 + 6 x 6 x 10-2 N = 150 x 10 7400 N = 1200 Résolution en fréquence Èf = 125 k Hz temps d'accès T = 8 /us Source laser: Laser continu Hélium-Néon (He Ne) ou Semi-conducteur; Puissance 10 m W. Puissance disponible par point: P = i = 10 n W détection: barette de 103 détecteurs linéaire. au pas de 10/um. Exemple de réalisation: diamètre de la calotte sphérique en niobate de lithium (Li Nb O 3) D = 6 cm. Rayon de courbure R = 15 cm. distance moyenne Source-Détecteur SD d= R x d= 1,5 cm? épaisseur e = 5 mm. La figure 5 illustre une configuration particulière de l'invention. La source S est obtenue par l'extrémité d'une fibre optique 26 dont l'autre extrémité est couplée à un laser 22. Dans le milieu formant "miroir" sphérique 13 les strates Il se déplacent à la vitesse 21 ou Vs dans une direction perpendiculaire à celle des doigts du peigne interdigité décrit précédemment. L'onde incidente, après diffraction atteint la ligne de détecteurs 7 Le fait de générer les ondes acoustiques sur la face externe du miroir 13 ou sur la face opposée à la source, présente l'avantage d'entrainer un double passage de l'onde incidente sphérique dans le milieu, et donc un double passage dans le réseau d'indice, tout en tenant compte de la modification du relief sur cette surface externe. Il y a un effet multiplicatif de l'indice. Les détecteurs considérés peuvent être, par exemple une ligne de 256 ou de 1024 points Ce peut être des photodiodes individuelles, ou des "CCD" (ou "Charge Coupled Device") permettant un balayage de tous les détecteurs. Ainsi le dispositif de l'invention présente l'avantage d'une grande simplicité de la configuration optique qui peut être réalisée avec une très bonne précision (écarts à la surface d'onde inférieurs à X /4) et d'une compatibilité avec une résolution élevée de 1000 points par exemple. REVENDICATIONS 1 Dispositif d'analyse de spectre comportant une source lumineuse (S) qui délivre un faisceau lumineux collimaté, un milieu d'interaction piézo- électrique et élastooptique, un transducteur ( 11 l) qui génère une onde acousto-optique dans ce milieu, cette onde acousto-optique créant un réseau d'indice se propageant à la vitesse du son (VS) dans le milieu, ce transduc- teur étant attaqué par un signal de commande, et un réseau linéaire de détecteurs ( 7) destinés à détecter le spectre de ce signal de commande, le faisceau lumineux étant diffracté par le réseau d'indice pour atteindre le réseau linéaire de détecteur ( 7), caractérisé en ce que la source (S) est située au voisinage du centre de courbure du milieu d'interaction qui est réalisé sous la forme d'une calotte sphérique ( 13), le transducteur ( 11) est réalisé sous la forme d'un peigne interdigidité qui est déposé sur la face opposée de la calotte sphérique ( 13) par rapport à la source (S), l'onde acousto-optique ( 12) générée est une onde de surface. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le peigne inderdigité comprend deux électrodes ( 24,25) dont les doigts de chacune ont leurs lignes médianes séparées d'une longueur ( 10) égale au pas (A o) des strates à la fréquence moyenne (fo) du signal de commande. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu intéractif est réalisé en niobate de lithium. 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source est réalisée par l'extrémité d'une fibre optique ( 26) qui est couplée en son autre extrémité à un laser ( 22).