Brevet FR2553528A1 — publié le 19850419

DISPOSITIF ACOUSTO-OPTIQUE DE TRAITEMENT DE SIGNAL. L'invention concerne un dispositif acousto-optique de traitement de signal. Dans un analyseur de spectre acousto-optique de l'art connu une onde acoustique se propage dans un milieu d'intéraction 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 condictions 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 acoustique dans le milieu intéractif. Ainsi la demande de brevet numéro 82 19141 déposée le 16 Novembre 1982 décrit un dispositif comportant une source laser placée au voisinage du centre de courbure d'une calotte sphérique réalisée en un susbtrat piézoélectrique et élasto-optique. Un transducteur piézoélectrique déposé sur ce substrat, permet de générer une onde acoustique de surface qui se propage sur la face extérieure de cette calotte sphérique. Le signal diffracté par le susbtrat est recueilli sur une ligne de détecteurs placé dans un plan proche du centre de courbure de cette calotte. Le dispositif de l'invention est un dispositif de stockage et de traitement d'un signal basé sur l'utilisation de cristaux électro-optiques photosensibles associés à des matériaux élasto-optiques. Le dispositif proposé permet de mémoriser l'information et de réaliser des fonctions de corrélation ou d'analyse spectrale de signaux radars ou sonars. Le dispositif de l'invention assure une mise en mémoire du signal dont on veut faire le traitement par des moyens optiques. L'onde acoustique générée par le transducteur et se propageant dans le cristal élasto-optique est inscrite en impulsion dans le cristal 8.S.O. par variation d'indice photoinduite. Des constantes de temps de stockage de plusieurs heures peuvent être obtenues si la lecture du réseau est effectuée à la longueur d'onde du laser semi-conducteur. Les fonctions de génération du réseau acousto-optique et photoréfractif sont effectuées dans deux cristaux différents ce qui permet l'optimisation des propriétés physiques. L'invention a donc pour objet un dispositif acousto-optique de traitement de signal comportant; une première source lumineuse qui délivre un faisceau lumineux collimaté, un milieu d'intéraction piézoélectrique, un transducteur 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 dans ce milieu, ce transducteur étant attaqué par un signal de commande et des moyens de détection destinés à détecter le spectre de ce signal de commande, le faisceaux lumineux étant diffracté par le réseau d'indice pour atteindre les moyens de détection, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un cristal photoréfractif et une deuxième source de lecture de faible puissance dont la longueur d'onde n'est pas située au maximum de sensibilité spectrale de ce cristal photoréfractif, la première source lumineuse étant une source d'impulsions lumineuses, émettant dans le domaine de sensibilité spectrale du cristal photoréfractif, qui éclaire le milieu d'intéraction, de manière à obtenir le transfert de l'information du milieu d'intéraction dans le cristal photoréfractif, la largeur des impulsions lumineuses étant comprise dans la fourchette 10 à 100 nanosecondes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description ci-après, en référence aux figures annexées où: - la figure 1 illustre un dispositif de l'art connu. - les figures 2 et 3 illustrent le dispositif de l'invention - les figures 4 et 5 illustrent deux procédés de mise en oeuvre du dispositif de l'invention. Le schéma d'un analyseur de spectre acousto-optique de l'art connu est donné sur la figure 1. L'onde acoustique se propageant dans le milieu d'intéraction 1 crée en volume un réseau d'indice se déplaçant à la vitesse V5 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 de direction moyenne de propagation représenté sur cette 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 convergent dans le plan P des détecteurs dont l'axe moyen est toujours parallèle à l'axe A L'angle 6 entre les deux faisceaux issus du milieu 1 vaut: étant la longueur d'onde de l'onde incidente et f1 étant la fréquence du signal de commande (6) sur le transducteur piézoélectrique 3.Pour chaque fréquence f. 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 repéré par Xi est donnée par la relation: Un réseau linéaire de détecteurs 7 placés dans ce plan P permet d'obtenir l'analyse spectrale du signal 6 envoyé sur le transducteur piézoélectrique 3. Ce signal 6 est un signal haute fréquence. Soit f0 la fréquence centrale du signal de commande et AF la bande de fréquence à analyser, le nombre de points résolus dans le plan Fourier vaut: D étant la hauteur 22 du matériau élasto-optique éclairé par le rayonnement incident. Le schéma du dispositif faisant l'objet du présent brevet est représenté à la figure 2. Il associe: - un dispositif acousto-optique 1 - un cristal photoréfractif 12, par exemple du type oxyde de bismuthsilicium B.S.O. - une source d'impulsions lumineuses S mettant dans le domaine de sensibilité spectrale du cristal photoréfractif 12. Le signal à analyser est envoyé sur le transducteur piézoélectrique 3 qui adhère au matériau 1 d'intéraction acousto-optique. La vibration du transducteur 3 génère dans le volume du matériau 1 une onde acoustique progressive se déplaçant à vitesse V dans le milieu 1. Par effet élasto s optique on induit une modulation de l'indice A n(z,t) fonction de l'amplitude du signal électrique de commande du transducteur. Ce mode de fonctionnement des dispositifs acousto-optiques est à la base des applications à la modulation d'amplitude et à la déflexion angulaire rapide des faisceaux lasers. Le signal de commande sur le transducteur est de la forme: Sl(t) = a(t) cos #t L'onde acoustique progressive est de la forme: S(z,t) = a (t) cos (#t - Ksz) on obtient une variation d'indice induite par effet élasto-optique: 13 A n(z, t) = -n0 x p x S (z,t) 1 n pxa(t)cos(at-Kz) #n(z,t)=1/2no s avec Ks = 2#/#s; ;As pas réseau et p: constante photoélastique et #s = 2#Vs; Vs: vitesse du son dans le milieu As Le signal électrique à fréquenceporteuse o induit un réseau de phase dont le pas moyen vaut As=2#Vs/w . La lecture optique de cette structure de phase diffractante s'effectue à l'aide d'un faisceau laser issu de la source S à longueur d'onde A i placé sous incidence Bragg e B Sin #1=1/2 #l/As A s Ce type de dispositif est habituellement utilisé pour des applications à l'analyse spectrale des signaux, la transformation de Fourier étant obtenue par simple interposition d'une lentille sur le faisceau cohérent et la détection s'effectuant sur une ligne de photorécepteurs. Compte tenu des matériaux généralement utilisées, (molybdate de- plomb PbMoO4, oxyde de Télure TeO2...) le temps t mis par l'onde acoustique pour "remplir" le tO matériau d'intéraction est de l'ordre de quelques microsecondes. Le disposi tif proposé permet de mettre en mémoire l'onde acoustique générée par le transducteur piézoélectrique commandé par le signal à analyser S1(t). Dans ces conditions le temps d'intégration dans le plan des détecteurs peut être rendu extrêmement long, et la mise en mémoire d'un signal référence permet de corréler ce signal en temps réel avec un signal variable. La source S est eonstituze par une source cohérente ou incohérente émettant dans le domaine spectral, X étant la longueur d'onde du rayonne ment émis par cette source avec: 450 nm impulsions t sera choisie très courte devant le temps to - typiquement at - 10 à 100ns. L'énergie d'inscription requise sur le cristal photoréfractif est typique ment de l'ordre de 100 1uJcm . Les niveaux d'énergie sont obtenus par exemple avec un laser néodyne - YAG doublé en fréquence intracavité ( = 530 nm). Le transfert du réseau d'indice acousto-optique peut être effectué par "contact" comme représenté à la figure 2 ou par transfert de l'image à l'aide de deux lentilles L1 et L2 comme représenté à la figure 3, avec interférence dans le cristal 12 des ondes transmises 21 et diffractées 20 par le milieu d'intéraction 1. Ce dernier montage a l'avantage de pouvoir équilibrer les intensités respectives de ces deux ondes 20 et 21 pour photoinduire dans le cristal 12 une variation d'indice optimale.Dans ce cas, le milieu 1 et le cristal 12 sont situés dans les plans focaux des deux lentilles L1 et L2 qui sont disposées entre eux. Lorsque l'onde acoustique a parcouru, au bout du temps t = vus la t0 = L/Vs, longueur L du matériau élasto-optique, le signal Sl(t) est converti esn un signal spatial A n (z,t). Un cristal photoréfractif 12 d'oxyde de bismuth silicium (BSO) ou d'oxyde de bismuth-germanium (BGO) par exemple fonc tionnant dans la configuration électro-optique transverse va servir de support photosensible pour l'inscription en temps réel dans son volume de la modulation spatiale de l'indice An (z, to). Ce transfert de l'information de la cellule acousto-optique 1 sur le cristal photoréfractif 12 est obtenue en éclairant la cellule de Bragg 1 par une source cohérente 6 fonctionnant en impulsions, la largeur des impulsions 6 t étant très inférieure au temps t0. 6 t to. L'inscription de la structure d'indice résulte de l'interférence cohérente dans le cristal 12 de la partie diffractée et; non diffractée de l'onde de lecture de la cellule de Bragg 1. Cette opération de transfert se rapproche des techniques de copie des hologrammes de phase. Par effet photoréfractif on imprime donc dans le volume du cristal 12 une modulation d'indice "image" du signal de commande S1(t). L'analyse spectrale de ce signal est obtenue par une relecture de la structure de phase induite dans le cristal 12. à l'aide d'un faisceau laser 13 de faible puissance et dont la longueur d'onde se situe en dehors du maximum de sensiblité spectrale du cristal ( 1 > 600 nm).Un laser Helium-Néon (He-Ne) (X = 633 nm) ou un laser semi-conducteur ( X = 850 nm) constituent des sources appropriées permettant une lecture sans effacement pendant quelques heures. Le rayonnement issu d'un tel laser 13 est réfléchi vers le cristal par une lame dichroique 14, comme représenté à la figure 4. Le dispositif de l'invention utilise, donc, deux milieux différents; ce qui permet de séparer les deux fonctions: acousto-optique et électrooptique, contrairement aux dispositifs antérieurs dans lesquels ces deux fonctions sont réalisées dans un même milieu. Le dispositif de l'invention permet donc d'optimiser chacune de ces deux fonctions sans avoir de problème d'orientation qui existe dans le cas d'un milieu unique. Le dispositif de l'invention permet de réaliser une analyse de spectre, comme représenté à la figure 4. Le signal Sl(t) dont on fait l'analyse spectrale est envoyé sur le transducteur 3 piézoélectrique. Au bout du temps to, on transfère le réseau acoustique par l'intermédiaire de la source cohérente S pendant le temps { t. La lecture du réseau photoinduit dans le milieu 12 à l'aide d'un laser 13 semi-conducteur permet d'obtenir le spectre du signal dans le plan focal d'une lentille 15 sur une ligne de photorécepteurs 16 (lecture du réseau sans effacement). Cette analyse spectrale du cristal photoréfractif est effectuée par éclairage uniforme. On peut dans ces conditions réinscrire une nouvelle modulation d'indice correspondant au signal S1(t). La lame 14 peut être une lame dichroique. On a les incidences aux deux longueurs d'onde X i et X 1 données par les relations: 1 hi 1 l sin 6 Bi = 1/2 #i/#s et sin # B1 = 1/2 #l/#s Le polariseur 22 permet de ne laisser passer que les ondes diffractées par le cristal 12, qui ont une polarisation de direction 25, et d'arrêter les ondes transmises sans diffraction par le milieu 12, qui ont une polarisation de direction 24. Le dispositif de l'invention permet de réaliser une corrélation, comme représenté à la figure 5. Le signal référence Sl(analogique ou digital) a été stocké dans le cristal photoréfractif 12 selon la technique précédemment indiquée. Le signal S2(t) a comparer au signal référence défile à vitesse Vs devant le réseau d'indice enregistré dans le cristal 12. Dans la direction du faisceau diffracté on obtient un produit de corrélation détecté sur un photorécepteur unique 16. L'inscription d'un nouveau code référence se fait par effacement de la variation d'indice photoinduite dans le cristal 12 et réinscription de S2(t). On a les différents signaux suivants: - Signal enregistré dans le cristal 12: Signal défilant dans la cellule de Bragg 1: - Amplitude de l'onde diffractée par l'ensemble des deux cellules: z avec: T = V Ainsi le dispositif de l'invention assure une mise en mémoire du signal dont on veut faire le traitement par des moyens optiques. L'onde acoustique générée par le transducteur et se propageant dans le cristal élasto-optique est inscrite en impulsion dans le cristal 12 par variation d'indice photoinduite. Des constantes de temps de stockage de plusieurs heures peuvent être obtenues si la lecture du réseau est effectuée à la longueur d'onde du laser semi-conducteur. Les fonctions de génération du réseau acousto-optique et photoréfractif sont effectuées dans deux cristaux différents: acoustique (molybdate de plomb (PbMoO4) ; oxyde de Télure (Te02) par exemple); photoréfractif (oxyde de bismuth-germanium (B.G.O.), oxyde de bismuth-silicium (B.S.O) par exemple) ce qui permet l'optimisation des propriétés physiques. On peut considérer l'exemple de réalisation suivant: - Cellule acousto-optique 1: Matériau d'intéraction: Te 2 (oxyde de Télure) L = 20 mm h = e = 10 mm Fréquence centrale de fonctionnement fo # 200 MHz .Temps de transit dans la cellule T 301us .Pas du réseau acoustique: As = 3#m - Cristal photoréfractif B.S.O. 12: L = 20 mm h: e = 10 mm Vo=lOKVcm-1 - Source d'inscription . Laser Nd-YAG - doublé: # i = 530 nm .durée d'implusion #t = 20 ns . Energie reçue sur le cristal = 100 /uJcm 2 - Source de lecture: X # = 633 nm laser Aelium-Néon) = # = 850 nm (laser semi-conducteur) =10mW - Puissance optique reçue sur le récepteur Pr = x X Pr fl = 10-2 Pr = 100 #W REVENDICATIONS 1. Dispositif de traitement acousto-opl;ique d'un signal comportant une première source lumineuse (S) qui délivre un faisceau lumineux collimaté (2), un milieu d'intéraction piézoélectrique et élastooptique (1), cette onde acousto-optique créant un réseau d'indice se propageant à la vitesse du son (Vs) dans ce milieu (1), ce transducteur (3) étant attaqué par un signal de commande (Sl(t)), et des moyens de détection (16) destinés à détecter le spectre de ce signal de commande, le faisceau lumineux étant diffracté par le réseau d'indice pour atteindre les moyens de détection (16), caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un cristal photoréfractif (12) associé à ce milieu d'intéraction (1) et une deuxième source (13) de lecture de faible puissance dont la longueur d'onde n'est pas située au maximum de sensibilité spectrale de ce cristal photoréfractif (12), la première source lumineuse (S) étant une source d'impulsions lumineuses, émettant dans le domaine de sensibilité spectrale du cristal photoréfractif (12) qui éclaire le milieu d'intéraction (1), de manière à obtenir le transfert de l'information du milieu d'intéraction (1) sur le cristal photoréfractif (12), la largeur des impulsions lumineuses étant comprise dans la fourchette 10 à 100 nanosecondes. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première source (S) émet un rayonnement de longueur d'onde comprise entre les 450 nanomètres et 550 nanomètres. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première source (S) est un laser NéodyneYAG doublé en fréquence intracavité. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde source émet un rayonnement de longueur d'onde supérieure ou égale à 600 nanomètres. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la seconde source (13) est un laser Hélium-Néon. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu d'intéraction (1) et le cristal photoréfractif (12) sont en contact. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu d'intéraction (1) et le cristal photoréfractif (12) sont situés dans les plans focaux de deux lentilles (L1, L2) disposées entre eux. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu d'intéraction (1) est réalisé en l'un des matériaux suivants : molybdate de plomb, oxyde de Télure. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cristal photoréfractif (12) est réalisé en l'un des matériau suivants: oxyde de bismuth-silicium, oxyde de bismuth-germanium. 10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détection comporte une lentille (15) et une ligne de photodétecteurs (16) situés dans un le plan focal de cette lentille (15). 11. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détection comportent une lentille (15) et un photodétecteur unique (17) situé dans le plan focal de cette lentille (15). 12. Procédé de mise en oeuvre du dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte: - une première étape d'envoi d'un signal Sl(t) sur le transducteur piézoélectrique (3), permettant de générer un réseau acoustique dans le milieu 1; - une deuxième étape de transfert de ce réseau acoustique, grâce à la première source (S), du milieu interactif (1) dans le cristal photoréfractif (12); - une étape de lecture du réseau photoinduit par la deuxième source (13) qui permet d'obtenir le spectre du signal Sl(t) sur le réseau de photodétecteurs (16). 13. Procédé de mise en oeuvre du dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte: - une première étape d'envoi d'un signal (Sl(t)) sur le transducteur piézoélectrique (3) permettant de générer un réseau acoustique dans le milieu 1. - une deuxième étape de transfert du réseau acoustique grâce à la première source (S) du milieu intéractif (1) dans le cristal photoréfractif (12); - une étape d'envoi d'un deuxième signal (S2(t)) sur le transducteur piézoélectrique (3) permettant de générer un nouveau réseau acoustique dans le milieu 1. - une étape de lecture par la seconde source (13) permettant d'obtenir dans la direction du faisceau diffracté par le cristal (12) le produit de la corrélation du premier (S1(t)) par le deuxième (S2(t signal sur le photodétecteur unique (17).