Brevet FR2632082A1 — publié le 19891201

MODULATEUR ACOUSTOOPTIQUE Description La présente invention a pour objet un modulateur acoustooptique. ELle s'applique à La génération d'impulsions Lumineuses et notamment à L'extraction d'une impulsion "picoseconde- contenue dans un train d'impulsions délivré par un Laser à modes bLoqués en phase. De façon connue, on utilise deux techniques pour extraire une impulsion d'un Laser à modes bloqués en phase (ces impulsions ayant une durée alLant d'une centaine de femtosecondes à une centaine de picosecondes suivant le cas), seLon que La récurrence est faible ou haute : a) L'extraction à faibLe récurrence (inférieure à 6 kHz) peut s'obtenir à l'aide d'une cellule de Pockels dont Le temps de montée, voisin de 2 nanosecondes, permet d'isoLer une impulsion unique avec un taux d'extinction très convenable (1/5000). Un tel dispositif est décrit dans les notices techniques de La société Lasermetrics par exemple. Le coût d'un appareillage de ce type avoisine La centaine de milliers de Francs. Une ceLLuLe de Pockels seule s'utilise à L'intérieur de la cavité Laser. Des montages plus sophistiqués mettant en jeu deux cellules de Pockels peuvent être utilisés à L'extérieur de la cavité. b) L'extraction à haute récurrence (de l'ordre du MHZ et plus) utilise un moduLateur acoustooptique placé à L'intérieur de la cavité laser (extracteur ou "cavity dumper" en terminologie anglo-saxonne). Un exemple de ce type de dispositif est décrit dans la notice présentant le modulateur "Model 7200" fabriqué par la société Coherent. De manière connue un extracteur ("cavity dumper") est constitué d'un bloc parallélépidèdique en si lice ou tout autre matériau transparent à la longueur d'utilisation du Laser. Un transducteur unique est collé sur une des faces de ce bloc. Des impulsions électriques délivrées sur ce transducteur permettent d'induire une onde progressive de compression à l'interieur du bloc. L'impulsion laser se propageant à l'in- terieur de la cavite est alors éjectée à l'extérieur par diffraction sur te réseau d'indice créé par le passage de cette onde de compression. Un tel appareil permet d'atteindre des récurrences au plus égales à 7 MHZ (avec un taux d'extinction de 1/1000). Cette fréquence est de toute manière limitée par le temps de création de l'impulsion lumineuse dans la cavité laser. En effet, le modulateur est placé à l'intérieur de la cavité ; après l'extrac- tion d'une impulsion hors de la cavité, une nouvelle impulsion doit parcourir quelques dizaines d'allers-retours entre les miroirs de la cavité pour être complètement formée et pouvoir être extraite à nouveau. Ainsi le temps séparant deux impulsions consécutives est beaucoup plus Long que le temps d'un aller-retour dans la cavité. Un tel dispositif intra-cavité demande, d'une part, des réglages optiques fins pour éviter de désaccorder la cavité. Il pose, d'autre part, des problèmes de synchronisation du déclenchement de l'im- pulsion électrique provoquant l'onde progressive de compression dans le bloc. Ce déclenchement doit avoir Lieu pendant le passage de L'impulsion complètement formée. Un système de détection doit donc permettre de suivre L'évolution de l'intensité de l';mpulsion à l'intérieur de la cavité. Ce système complique d'autant le dispositif. Finalement, le coût d'un dispositif connu avoisine les deux cent mille Francs. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. A cette fin, elle propose un modulateur acoustooptique permettant l'extraction à une récurrence allant jusqu'à 30 MHz, d'une impulsion lumineuse contenue dans un train issu d'un laser à modes bloqués en phase. Selon L'invention, une onde stationnaire de compression est engendrée dans un matériau transparent à la longueur d'onde du laser. Cette onde stationraire forme un réseau d'indice dans le matériau. L'impulsion à extraire va se diffracter sur ce réseau Ce modulateur est placé hors de la cavité, ce qui simplifie les problèmes de synchronisation de déclenchement. Il suffit de déclencher la formation de l'onde stationnaire à partir de l'impulsion lumineuse précédant l'impulsion à extraire. La Limitation de la récurrence est dûe, dans l'invention, à la formation d'impulsions électriques formant l'onde stationnaire, mais la durée de cette formation est très proche de la durée séparant deux impulsions du train, limitation ultime de la récurrence. Le coût d'un dispositif selon l'invention ne dépasse pas une cinquantaine de milliers de Francs Da manière précise, l'invention concerne un modulateur acoustique comprenant un matériau siège d'une interaction entre un faisceau lumineux et au moins une onde compression, caractérisé en ce qu'il comprend - deux transducteurs disposés en vis-à-vis, aptes chacun à engendrer simultanément à l'intérieur dudit matériau, une onde de compression progressive, les ondes- progressives provenant de chaque transducteur interagissant de manière à former une onde stationnaire de compression, - des moyens pour fournir aux deux transducteurs les signaux électriques nécessaires à la creation simultanée des deux ondes progressives, ces moyens étant reliés par des électrodes aux transducteurs. Les transducteurs sont d'une longueur suffisante sur le parcours du faisceau lumineux pour que le dispositif fonctionne en régime de Bragg, c'est-à-dire pour que L'onde stationnaire de compression forme un réseau d'indice épais à l'intérieur du matériau. De manière préférée, le matériau siege d'une interaction entre le faisceau lumineux et les ondes de compression est constitue d'un bloc cristallin hexaedrique. Le faisceau Lumineux pénètre dans le bloc par une première face sous incidence de Bragg, et ressort par une seconde face opposée à la première sous la forme d'un faisceau transmis et d'un faisceau diffracté ; les deux transducteurs sont fixés en vis-à-vis respectivement sur deux autres faces opposées l'une à l'autre. Dans un mode de réalisation préféré du modulateur selon L'invention, les deux faces supportant les transducteurs sont biaisées d'un angle i tel que les ondes de compression progressives n'interagissent entre elles qu'une fois sur le parcours du faisceau Lumineux. A chaque réflexion sur L'une des faces du bloc, L'onde progressive issue d'un des transducteurs perd en amplitude. Après quelques réflexions, cette onde n'est plus apte à interférer de manière efficace avec les autres ondes presentes dans le bloc. En biaisant ainsi les faces supportant les transducteurs, seul un croisement utile pour la dif fraction d'un faisceau lumineux est autorisé entre Les ondes progressives provenant des transucteurs. Le matériau siège de L'interaction entre les ondes de compression et le faisceau lumineux peut être choisi parmi tous les matériaux transparents à la Longueur d'onde du faisceau lumineux. Par exemple, on peut utiliser Le quartz, le molybdate de plomb (PbMoO4), ou même L'eau (H20). De manière préférée, on utilise le dioxyde de tellure (TeO2). Les moyens pour fournir aux deux transducteurs Les signaux electriques nécessaires à La creation simultanée des ondes progressives comportent : - un oscillateur délivrant simultanément sur deux sorties Sol et So2 des signaux électriques identiques S, - un premier amplificateur relié, par une entrée Eal, à la sortie Sol de L'oscillateur et délivrant sur une sortie Sal le signal électrique S amplifié, - un second amplificateur relié, par une entrée Ea2, à la sortie So2 de L'oscillateur et deli- vrant sur une sortie Sa2 Le signal électrique S amplifié, - un premier adaptateur d'impédance relié par une entrée Eiî à la sortie Sal du premier amplif-i- cateur, ce premier adaptateur d'impédance est relié à l'un des deux transducteurs par l'intermédiaire de deux électrodes branchées à une sortie Sil dudit adaptateur d'impédance, - un second adaptateur d'impédance relié par une entrée Ei2 à La sortie Sa2 du second amplificateur, ce second adaptateur d'impédance est relié à L'autre des transducteurs par l'intermédiaire de deux électrodes branchées à une sortie Si2 dudit adaptateur d'impédance. De toute façon, les caractéristiques et avantages de L'invention apparaStront mieux après la description qui suit donnée à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un dispositif selon L'invention, - la figure 2 représente deux impulsions optiques obtenues par la diffraction d'un faisceau lumineux continu par deux ondes de compression consécutives ne se croisant pas sur le parcours du faisceau, - la figure 3 représente les impulsions optiques obtenues par la diffraction d'un faisceau lumineux continu par deux ondes de compression simultanées et se croisant sur le parcours du faisceau, - la figure 4 représente schématiquement en perspective un bloc siège de l'interaction entre les ondes de compression et lumineuse, - la figure 5 représente schématiquement, le croisement de deux ondes de compression dans un bloc vu en coupe. La figure 1 représente schématiquement un dispositif selon L'invention. Ce dispositif comprend un matériau 5 siège de L'interaction entre les ondes de compression et lumineuse. Ce matériau 5 peut être constitué d'un bloc 10 hexaédrique en TeO2 par exemple. Ce bloc peut avoir une hauteur de 9 mm, une longueur de 10 mm, pour une largeur de 6 mm par exemple. Sur deux des faces 12, 14 du bloc 10, opposées l'une à l'autre, deux transducteurs 16, 18 sont collés en vis-à-vis. Les deux transducteurs peuvent être en niobate de lithium (LiNb03) par exemple, d'une épaisseur telle qu'ils soient en résonance aux frequen ces d'utilisation. Les deux transducteurs 16, 18 sont reliés par quatre connexions 20, 22, 24, 26 (deux pour chaque transducteur) à un moyen 28 pour alimenter Les transducteurs 16, 18. Ce moyen 28 fournit les signaux électriques nécessaires à la création simultanée de deux ondes progressives par tes deux transducteurs 16, 18. Le moyen 28 pour alimenter les transducteurs 16, 18 comprend un oscillateur 30 délivrant sur deux sorties Sol et So2, simultanément, un même signal électrique S à une fréquence pouvant aller de 100 à 200 MHz par exemple. Un premier amplificateur 32 est relié par une entrée Eal à la sortie Sol de l'oscillateur 30. Il délivre sur une sortie Sal le signal S amplifié. De la même manière, un second amplificateur 34 est relié par une entrée Ea2 à la sortie So2 de L'oscillateur 30. Il délivre sur une sortie Sa2 le signal S ampLifie. Un premier adaptateur d'impédance 36 est relié par une entrée Eit à La sortie Sal du premier amplificateur 32. Ce premier adaptateur d'impédance est relié par sa sortie Sil à un transducteur 18 par l'intermédiaire des deux connexions 24, 26. Un second adaptateur d'impédance 38 est relié par une entre Eí2 à la sortie Sa2 du second amplificateur 34. Ce second adaptateur d'impédance est relié par sa sortie Si2 à L'autre transducteur 16 par l'intermédiaire de deux connexions 20, 22. Ces adaptateurs d'impédance 36, 38 permettent l'adaptation entre l'imPédance de l'oscillateur 30 t50 Ohms en général) et des transducteurs 16, 18. Ils sont constitués par exemple d'un premier bobinage câblé en série couplé à un second bobinage câblé en parallèle, les deux bobinages étant câbles en parallèle sur une capacité. Lorsqu'on n'utilise qu'un seul transducteur pour former une onde de compression progressive unique dans le bloc 10, la puissance électrique efficace à injecter pour obtenir la diffraction d'un faisceau lumineux est d'environ 2 W. Selon l'invention, etant donne que l'on ne fait pas qu'additionner deux ondes de compression progressives mais qu'on utilise les interférences de celles-ci, on peut n'injecter que 0,5 W sur chaque transducteur 16, 18. En d'autres termes, on injecte quatre fois moins de puissance efficace sur chaque transducteur 16, 18. Cela diminue d'autant les échauffements intempestifs ; un dispositif selon L'invention ne nécessite pas de système de refroidissement. Un faisceau lumineux constitué par un train d'impulsions est délivre par un laser 40 à mode bloqué en phase. Une infime partie du faisceau principal peut être séparée par une lame 42 pour être dirigée vers un détecteur 44. Ce détecteur 44 peut aussi être place sur un faisceau lumineux issu d'une "fuite" d'un des miroirs du Laser ne réfléchissant pas à 100 X. Ce détecteur 44 délivre un signal électrique sur une sortie Sd reliée à une entrée Eo de L'oscillateur 30. Il permet de déclencher L'oscillateur 30 pour extraire une impulsion. On peut déclencher l'oscillateur 30 sur l'impulsion du train précédant l'impulsion à extraire, par exemple. Une fois déclenché, l'oscillateur 30 délivre un signal électrique S sur chaque sortie Sol, et So2. Ce signal électrique S peut être constitué d'une impulsion de tension à l'origine d'une onde de compression progressive impulsionnelle d'environ 10 ns à mi-hauteur par exemple. Les ondes de compression engendrées par chacun des transducteurs 16, 18 interfèrent sur le parcours du faisceau lumineux et au moins pendant le passage de l'impulsion à extraire. Cette impulsion est diffractée sur le réseau d'indice créé dans le bloc par la figure d'interférences. Les impulsions lumineuses contenues dans un train sont séparées par une période de 2LIc oû c est la vitesse de la Lumière et L est la longueur de la cavité laser. Ainsi, pour extraire une impulsion unique du train, il faut que les interférences entre tes ondes de compression n' aient lieu que pendant un temps inférieur à 4L/c (durée de deux intervalles de séparation entre trois impulsions consécutives d'un train). Un dispositif selon l'invention permet d'extraire une impulsion sur deux pour la majorité des lasers à modes bloqués en phase existants. Pour un bon fonctionnement du dispositif, le faisceau lumineux pénètre dans le bloc sous incidence de Bragg. La diffraction en réseau épais (respectant les conditions de Bragg) implique une certaine longueur des transducteurs dans le sens du parcours du faisceau lumineux : les transducteurs 16, 18 sont rectangulaires avec une longueur de 3 mm pour une largeur de 0,5 mm. Le faisceau lumineux pénètre dans le bloc 10 par une première face 48 sous incidence de Bragg. Il ressort par une seconde face 50 sous forme d'un faisceau transmis et d'un faisceau diffracté contenant les impulsions extraites. Le faisceau lumineux peut être focalisé à l'intérieur du bloc par un dispositif 46 de focali-sation. On améliore ainsi le rendement de diffraction qui peut atteindre 80 X de l'intensité du faisceau principal. Il est notable que si l'on fait interférer non plus des ondes de compression impulsionnelles mais des ondes continues et que par ailleurs on synchronise les fréquences de battement des interférences résultantes avec la fréquence de répétition des impulsions lasers, on peut diffracter toutes les impulsions du train. Cela peut être utile par exemple quand on veut employer alternativement une impulsion sélectionnée et toutes les impulsions d'un train dans un dispositif optique aligné sur le faisceau diffracté. Un dispositif selon l'invention permet par ailleurs de découper une impulsion dans un faisceau continu. Ce mode d'utilisation permet de faire ressortir les differences entre l'emploi de deux ondes de compression impulsionnelles isolées et L'emploi de deux ondes de compression qui interfèrent. La figure 2 a été réalisée à partir d'une photographie de l'écran d'un oscilloscope branché sur un système de détection de la lumière diffractee. Elle correspond à l'intensité diffractée I en fonction du temps t. Ici, les ondes de compression provenant de chacun des transducteurs 16, 18 sont décalées dans le temps. Le faisceau issu du laser 40 est continu. Le premier pic correspond à la diffraction du faisceau pendant le passage de La première onde, Le second correspond au passage de la seconde. La largeur à mi-hauteur de chacun des pics, 10 ns environ, correspond à la largeur à mi-hauteur des impulsions d'onde de compression employées. La figure 3 a aussi été réalisée à partir de l'écran du même oscilloscope branché sur un système de détection de la lumière diffractée. Les ondes de compression provenant de chacun des transducteurs 16, 18 identiques à celles utilisées précédemment sont maintenant synchronisées. Elles se croisent et interfèrent sur le parcours du faisceau dans le bloc 10. On obtient alors une série de pics contenus dans une enveloppe dont la largeur à mi-hauteur est environ 10 ns. Chacun des pics présente une largeur à mi-hauteur d'environ 2 ns. Ces pics correspondent aux battements de la figure d'interférence des ondes de compression dans le bloc 10. Leur nombre et leur espacement dépend de la fréquence des ondes de compression utilisées. La figure 4 représente schématiquement en perspective un bloc 10 siège de l'interaction entre les ondes de compression et lumineuse. Ce bloc 10 hexaédrique présente une première face 48 d'entrée du faisceau lumineux et parallèle à cette première face et une seconde face 50 de sortie des faisceaux transmis et diffractées. Deux autres faces 12, 14 supportent les transducteurs 16, 18. Ces faces 12, 14 sont recouvertes d'une fine couche d'or. La couche peut aussi être en indium, en chrome ou en tout métal bon conducteur. Les faces des transducteurs 16, 18 sont elles aussi recouvertes d'un dépôt du même métal. Le collage s'effectue, par exemple, par contact sous vide selon une technique bien connue de l'homme du métier. Les électrodes 20, 22, 24, 26 sont ensuite collées, au moyen de colle conductrice par exemple, sur les faces 12 et 14 du bLoc 10 (pour les électrodes 22, 26 respectivement) et sur Les transducteurs 16, 18 (pour Les éLectrodes 2û, 24 respectivement). Les faces 12, 14 du bloc 10 sont biaisées d'un angle i permettant d'éviter que les ondes de compression interfèrent plusieurs fois sur le parcours du faisceau lumineux. Cet angle i peut être de 408 par exemple. La figure 5 représente schématiquement le croisement de deux ondes de compression impulsionnelles dans un bloc 10 vu en coupe. La zone hachurée représente schématiquement le réseau d'indice à l'origine de la diffraction du faisceau lumineux. Grace à l'inclinaison des faces 12, 14, les ondes de compression subissent un certain nombre de réflexions avant de se recroiser sur le trajet du faisceau. L'affaiblissement de chaque amplitude est suffisant pour que les interférences produites lors d'un nouveau croisement sur le parcours du faisceau ne soient pratiquement d'aucun effet. Le dispositif selon l'invention permet donc bien d'extraire une impulsion d'un train issu d'un laser à modes bloqués en phase, et ceci jusqu'à une récurrence d'une impulsion sur deux. Une variante d'utilisation permet aussi de diffracter toutes les impulsions du train. Ce dispositif se place hors de la cavité du laser, il permet donc d'éviter des réglages optiques contraignants. De plus, son mode de déclenchement est simple par rapport aux dispositifs de l'art anterieur. Revendications 1. Modulateur acoustooptique comprenant un matériau (5) apte à propager au moins une onde de compression, caractérisé en ce qu'il comprend - deux transducteurs électroacoustiques (16, 18) disposés en vis-à-vis, aptes chacun à engendrer à l'intérieur dudit matériau (5), une onde de compression progressive, les ondes de compression progressives provenant de chaque transducteur (16, 18) interagissant de manière à former une onde stationnaire de compression, - un moyen (28) pour fournir aux deux transducteurs des signaux électriques aptes à créer simultanément des deux ondes progressives, ce moyen (28) étant relié par des connexions (20, 22, 24, 26) aux transducteurs (16, 18). 2. ;Modulateur acoustooptique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau (5) est constitué d'un bloc (10) cristallin hexaédrique, les deux transducteurs (16, 18) étant fixés en vis-à-vis respectivement sur deux faces (12, 14) opposées dudit bloc. 3. Modulateur acoustooptique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux faces (12, 14)supportant les transducteurs (16, 18) sont biaisées d'un angle i tel que les ondes de compression progressives n'interagissent entre elles qu'une fois. 4. Modulateur acoutooptique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit matériau (5) est en dioxyde de tellure. 5. Modulateur acoustooptique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen (28) pour fournir aux deux transducteurs (16, 18) les signaux électriques nécessaires à la création simultanée des ondes progressives comporte : - un oscillateur (30) délivrant simultanément sur deux sorties Sol et So2 un signal électrique S identique, - un premier amplificateur (32) relié par une entrée Eaî à la sortie Sol de l'oscillateur (30) et délivrant sur une sortie Sal le signal électrique S amplifié, - un second amplificateur (34) relie par une entrée Ea2 à la sortie So2 de l'oscillateur (30) et délivrant sur une sortie Sa2 le signal électrique S amplifié, - un premier adaptateur d'impédance (36) relié par une entrée Eiî à la sortie Sal du premier amplificateur (32), ce premier adaptateur d'impédance (36) est relié à un des deux transducteurs (18) par l'intérmédiaire de deux électrodes (24, 26) branchées à une sortie Sil dudit adaptateur d'impédance (36), - un second adaptateur d'impédance (38)relié par une entrée Ei2 à la sortie Sa2 du second amplificateur (34), ce second adaptateur d'impédance (38) est relié à l'autre des transducteurs (16) par l'intermédiaire de deux électrodes (20, 22) branchées à une sortie 5i2 dudit adaptateur d'impédance.