Brevet FR2688074A1 — publié le 19930903

DISPOSITIF DE DEFLEXION ANGULAIRE ACOUSTO-OPTIQUE, ET ANALYSEUR DE SPECTRE UTILISANT UN TEL DISPOSITIF La présente invention se rapporte aux dispositifs qui permettent de défléchir angulairement un faisceau optique à l'aide d'un faisceau acoustique. Elle concerne également les analyseurs de spectre dans lesquels on utilise un tel dispositif pour analyser le spectre du signal électrique permettant d'obtenir les ultrasons qui interagissent avec le faisceau lumineux pour modifier la fréquence de celui-ci. On a représenté sur la figure 1 un tel dispositif, couramment appelé cellule de Bragg, de type connu, qui comporte un cristal présentant des pro- priétés élasto-optiques anisotropes découpé en forme de parallélépipède-rectangle 101. Sur la base de ce cristal, un transducteur électroacoustique 102 est excité par un signal électrique à la fréquence F O Le signal ultrasonore ainsi généré forme un faisceau qui se propage dans le cristal pour former un système d'ondes stationnaires 103, représenté schématiquement sur la figure par une série de traits Les propriétés optiques du cristal sont modifiées au niveau des ventres et des noeuds de ces ondes stationnaires, en raison des propriétés élasto-optiques du matériau utilisé. Un faisceau lumineux incident I, d'ouverture optique W, destiné à interagir avec les ondes acoustiques, arrive sur l'une des grandes faces de la pièce 101 sous un angle Gi Sous l'effet de la réfraction à l'entrée dans le bloc 101 il vient intercepter le faisceau acoustique 103 sous un angle G Bl connu sous le nom d'angle de Bragg Sous l'effet de l'interaction entre les ondes lumineuses et les ondes ultrasonores, le faisceau incident se divise en deux parties, l'une 1 a qui n'est pas affectée par cette interaction, et qui finalement traverse la5 cellule comme elle traverserait une lame à faces parallèles, et l'autre Il qui est affectée par l'interaction, et qui ressort du faisceau ultrasonore sous un angle S très faiblement incliné par rapport à la normale à ce faisceau et donc, dans cet art10 antérieur, par rapport aux faces d'entrée et de sortie de la cellule Ce faisceau Il ressort de la cellule avec un angle Gd' lui-même faible par rapport à la normale à ces faces de la cellule, du simple fait de l'application des lois de la réfraction.15 L'onde lumineuse du faisceau Il affecté par l'interaction acousto-optique présente une fré- quence différente de celle du faisceau incident I, alors que le faisceau I O présente la même fréquence que ce faisceau incident I Ce faisceau I O est donc20 inutile et correspond à une fraction parasite, que l'on essaye de minimiser mais qui ne peut jamais être annulée. Pour éviter que le faisceau I O en sortie de la zone d'interaction ne vienne se réfléchir, ou se diffracter, sur la face inférieure de la cellule en constituant alors une lumière parasite qui pourrait perturber les mesures effectuées sur le faisceau Il. on s'arrange pour que la limite inférieure du faisceau incident I frappe la cellule à une distance d de la30 face inférieure de celle-ci telle que la partie inférieure du faisceau I O ne frappe pas cette face inférieure, et que la totalité du faisceau I O sorte par la face de sortie de la cellule (celle d'o sort normalement Il) L'orientation du cristal dans lequel est taillé le bloc 101, ainsi que l'angle d'incidence 9 i sont choisis, de manière connue dans l'art, pour que cette cellule fonctionne selon un mode dit "Bragg tangentiel" pour lequel il existe deux fréquences foi l'une basse et l'autre haute, pour lesquelles la tolérance sur l'accord de phase du dispositif est maximale Ceci permet de faire fonctionner le dispositif sur une bande relativement large autour de ces fréquences f O Ceci correspond dans cet art connu à l'interaction acousto-optique de type anisotrope mettant à profit la biréfringence optique de certains cristaux, comme le Li Nb 03 à avec accord de phase de type dit "Bragg tangentiel" permettant deux choix possibles de fréquences pour une même direction acoustique. Le jeu de paramètres correspondant à ces conditions de fonctionnement est tel que justement l'angle de sortie ú, et donc Gdl est faible, comme vu plus haut. La largeur de bande ainsi disponible sur la fréquence fo permet d'utiliser un tel dispositif pour analyser le spectre d'un signal électrique présentant une largeur de bande relativement importante autour de f O Le schéma d'un tel analyseur est représenté sur la figure 2. Un émetteur 204 de lumière cohérente et parallèle, une diode laser par exemple, émet le faisceau I de largeur optique W qui est appliqué sur la cellule 101 Le signal électrique à analyser, de fréquence centrale fo, est appliqué au transducteur 102 de cette cellule et il en résulte, comme décrit plus haut, un faisceau de sortie I affecté par l'interaction acousto-optique. La fréquence de ce faisceau I 1 dépend de la fréquence f 0, mais ce n'est pas en fait ce phénomène qui est utilisé ici En effet, comme on l'a vu plus haut, l'angle de sortie Gd du faisceau i 1 est faible, mais il dépend aussi de la fréquence f O et c'est cet effet qui est utilisé, comme décrit ci-dessous. Ce faisceau I est appliqué à une lentille convergente 205 qui vient le focaliser sur un détecteur multiple 206 formé d'un réseau de cellules photoélectriques élémentaires, dont les sorties sont distinctes. Dans ces conditions, pour chaque fréquence distincte comprise dans le signal complexe appliqué au transducteur 102 on obtient une tache lumineuse distincte sur l'une des cellules du réseau 206 En outre cette tache lumineuse est d'une intensité sensiblement proportionnelle à l'intensité de la raie spectrale correspondant à la fréquence distincte Ainsi on obtient sur chacune des sorties électrique de l'analyseur 206 un signal électrique dont l'amplitude correspondant à la raie spectrale correspondante contenue dans le signal à analyser. Afin de se débarrasser du signal optique I O non affecté par l'interaction, on utilise un écran absorbant 207 qui vient intercepter ce signal, pour qu'il ne risque pas, en se réfléchissant n'importe o, de venir perturber les mesures. Toutefois la largeur optique W du faisceau incident I, sur laquelle on s'est basé pour tenter d'éviter les réflexions du faisceau I sur le bas de la cellule, n'est qu'une valeur théorique qui ne correspond nullement à une coupure brutale du faisceau. En effet, comme on le sait, une telle coupure brutale est impossible à obtenir, et on observe une atténuation progressive de l'intensité lumineuse au-delà des limites fixées par l'ouverture W Celle-ci est connue sous le nom de traînée Gaussienne. Il n'est pas possible, pour des raisons diverses d'encombrement et d'absorption des ultrasons, de venir appliquer le faisceau I sur la face d'entrée de la cellule 101 suffisamment haut pour que cette trainée Gaussienne soit réduite au point que sa réflexion sur la face inférieure de la cellule ne perturbe en rien les mesures Dans ces conditions, on observe effectivement une réflexion, ou tout au moins une diffusion, parasite sur cette face inférieure. Celle-ci donne naissance à un faisceau parasite IR' assez mal délimité, qui est repris par la lentille 205 pour venir répartir un signal diffus sur le capteur 206 Ce signal diffus perturbe bien entendu les mesures, ce qui correspond sensiblement à une augmentation du bruit de fond de l'ensemble. On a par ailleurs décrit dans le brevet français 2 635 879, déposé le 25 août 1989 au nom de la Société Litton Systems, un modulateur acoustique optique utilisant le même effet d'interaction entre l'onde lumineuse et l'onde ultrasonore Toutefois les différents paramètres, en particulier les angles d'entrée et de sortie de la cellule d'interaction, sont choisis pour que le faisceau de sortie soit colinéaire avec le faisceau d'entrée Dans ce dispositif c'est donc bien le changement de fréquence de l'onde émergeante qui est utilisé, et non pas ce changement de direction, lequel est étudié pour être sensiblement nul et invariable avec la fréquence En outre le choix de ces paramètres implique que le signal électrique servant à moduler le signal optique ne peut pas être à large bande. Pour pallier ces inconvénients, l'in- vention propose un dispositif de déflexion angulaire acousto-optique, du type comportant un bloc de matériau acousto-optique actif comprenant une face inférieure munie d'un transducteur électroacoustique destiné à émettre perpendiculairement à cette face inférieure un faisceau d'ondes ultrasonores dans le matériau, une face d'entrée destinée à recevoir un faisceau optique incident sous un angle tel qu'il subisse une interaction acousto-optique du type anisotrope à l'intérieur du bloc avec le faisceau ultrasonore dans les conditions de l'accord de phase dit "Bragg tangentiel" et une face de sortie destinée à laisser passer un premier faisceau optique transposé en fréquence sous l'action de l'interaction avec le faisceau ultrasonore en présentant un angle faible avec la normale à la direction de propagation du faisceau ultrasonore, cet angle dépendant de la variation de fréquence de ce faisceau optique, et un deuxième faisceau optique de mêmes caractéristiques que le faisceau incident et incliné par rapport au premier faisceau, principalement caractérisé en ce que la face d'entrée du bloc est inclinée par rapport à la direction de propagation du faisceau ultrasonore d'un angle a permettant d'utiliser un faisceau optique d'entrée perpendiculaire à la direction de propagation des ondes ultrasonores tout en respectant les conditions de Bragg tangentiel D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent: la figure 1, une cellule de Bragg de type connu; la figure 2, un analyseur de spectre de type connu; les figures 3 à 6, des cellules de Bragg selon 4 variantes de l'invention; et la figure 7, un analyseur de spectre selon l'invention. Le dispositif selon l'invention peut être réalisé sous quatre formes différentes Chacune de ces configurations présente un ensemble d'avantages légèrement différents de l'une à l'autre, mais toutes permettent une quasi suppression de la lumière réfléchie parasite et une possibilité d'agrandissement de l'ouverture optique W. Les cellules selon l'invention sont caractérisées par l'inclinaison des angles des faces d'entrée et de sortie du faisceau optique, qui sont déterminées pour faire fonctionner la cellule dans les conditions de Bragg tangentiel tout en utilisant un faisceau d'entrée sensiblement normal à la direction du faisceau d'ondes ultrasonores et en délivrant un faisceau de sortie utile (ayant subi les effets de l'interaction acousto-optique) légèrement incliné par rapport au faisceau d'entrée Dans la suite de ce texte, on mesurera les angles de ces faces par rapport à une direction parallèle à la direction du faisceau d'ondes ultrasonores, et donc perpendiculaire à la direction du faisceau optique incident, en prenant pour convention de sens une valeur positive pour le sens trigonométrique, c'est-à-dire inverse de celui des aiguilles d'une montre. Dans ces conditions, et selon le sens de ces deux angles, et on obtient les quatre possibilités suivantes: configuration 1: glissement inférieur et basse fréquence; configuration 2: glissement supérieur et haute fréquence; configuration 3: glissement inférieur et haute fréquence; configuration 4: glissement supérieur et basse fréquence. La basse fréquence se rapporte, comme vu plus haut, à la fréquence du signal électrique qui génère le faisceau d'ultrasons, et le glissement inférieur ou supérieur au changement de fréquence du faisceau optique. La réalisation préférée est celle du glissement inférieur et basse fréquence qui permet simultanément un maximum de suppression de la lumière parasite et un fonctionnement en basse fréquence. Celui-ci est favorable à l'augmentation de l'ouverture du faisceau optique, celle-ci étant essentiellement limitée par l'absorption des ondes acoustiques, laquelle détermine la longueur utile d'interaction entre ces ondes et les ondes lumineuses. Ce mode de réalisation préféré est représenté sur la figure 3 Le bloc de matériau actif 301 comporte un transducteur électro- acoustique 302 fixé sur sa face inférieure le plus près possible de l'arête entre cette face inférieure et la face d'entrée du faisceau incident optique I Cette face d'entrée est inclinée d'un angle a positif qui, compte tenu des règles élémentaires de la géométrie, est le même que l'inclinaison du faisceau incident par rapport à la normale à la face d'entrée, ce faisceau incident étant lui-même parallèle à la face inférieure comportant le transducteur 302, et donc perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau ultrasonore 303. Du fait de la réfraction, ce faisceau incident s'incline vers le haut à l'entrée dans le bloc 301, selon un angle G par rapport à la face inférieure du bloc Il ne risque donc pas de rencontrer cette face inférieure, même en ce qui concerne la trainée gaussienne s'étendant en dehors des limites théoriques de ce faisceau. Le faisceau ayant ainsi pénétré dans le bloc 301 est soumis à l'interaction avec les ultrasons 303 provenant du transducteur 302, et la partie non affectée par cette interaction traverse la face de sortie du bloc, qui est elle-même inclinée d'un angle B positif nettement plus petit que a Dans ces conditions, le faisceau émergeant non affecté I O ressort de cette face en s'éloignant nettement de la direction du faisceau incident I. La partie du faisceau ayant subi l'interaction ressort de la zone d'interaction en présentant, comme dans l'art antérieur puisque l'on s'est placé dans les conditions de Bragg tangentiel, un angle ú petit et positif par rapport au plan de la face inférieure du bloc et donc à la direction du faisceau incident I Ce faisceau affecté par l'interaction sort enfin du bloc sous la forme d'un faisceau Il parallèle au faisceau d'entrée I lorsque la fréquence appliquée au transducteur 302 est exactement celle correspondant aux conditions de Bragg tangentiel C'est la réfraction en sortie de cette face qui annule ú, compte tenu de B. Le paramétrage de ce dispositif s'effectue à partir de l'angle GB, qui est déterminé par des méthodes connues en partant des indices optiques et acousto-optiques du matériau constituant le bloc 301 pour correspondre aux conditions de Bragg tangentiel GB étant déterminé, ainsi que les fréquences utilisables, on en déduit, selon ces méthodes connues, l'angle B Dans ces conditions, n O et ne étant les indices ordinaires et extraordinaires optiques du matériau constituant le bloc 301, les angles a et 3 sont déterminés, selon l'invention, par les formules suivantes Pl sin OB a=arc tg ZOSOB O n sin ú S= arctg cos I -l Le deuxième mode de réalisation, représenté sur la figure 4, est du type à glissement supérieur et haute fréquence Pour cela l'angle a est négatif alors que l'angle B est positif Dans ces conditions on constate que le faisceau incident I, après réfraction sur la face d'entrée, tend à se diriger vers le bas du bloc 301, c'est-à-dire à se rapprocher de la face inférieure du bloc L'inclinaison est néanmoins inférieure à celle de l'art connu représenté dans la figure 1 mais, pour limiter les risques de réflexion sur cette face inférieure, on a placé le transducteur électro-acoustique 302 le plus près possible de la face de sortie du bloc, ce qui permet d'éloigner le plus possible le faisceau incident de cette face inférieure. Le troisième mode de réalisation, du type à glissement inférieur et haute fréquence, est représenté sur la figure 5 Le bloc 501 est très semblable extérieurement à celui du premier mode de réalisation de la figure 3, avec un angle a positif, mais l'angle B est cette fois-ci négatif La ressem- blance extérieure entre les deux modes de réalisation est due à ce que cet angle B est faible et se remarque peu. il Le quatrième mode de réalisation, du type à glissement supérieur et basse fréquence, est représenté sur la figure 6 Il est lui semblable extérieurement au deuxième mode de réalisation de la figure 4 avec un angle a négatif mais par contre un angle B négatif. Le mode de réalisation, ou configuration, no, c'est-à-dire glissement inférieur et basse fréquence, est particulièrement avantageux pour réaliser un analyseur de spectre Toutefois les autres modes de réalisation ont aussi leurs avantages et, à titre d'exemple de réalisation pratique, en utilisant comme matériau du Li Nb O 3 et des angles sensiblement égaux à 250 pour a et 5 pour 13, on a obtenu les résultats suivants: Configuration l (glissement inférieur et basse fréquence) Avantages: grands BT et grande dynamique Fons\): 2,2 G Hz Bande de fréquence: BT: Dynamique cellule: 1 G Hz > 70 d B M Hz Configuration 2 (glissement supérieur et haute fréquence) Avantages: grande bande passante FO(HF) Bande de fréquence: BT: Dynamique cellule: 2,8 G Hz 2 G Hz d B M Hz Configuration 3 (glissement inférieur et haute fréquence) Avantages: Grande bande passante et grande dynamique FO(HF) 2,7 G Hz Bande de fréquence 2 G Hz BT: 1000 Dynamique 70 d B Configuration 4 (glissement supérieur et basse fréquence) Avantage: grande dynamique F(BE) 2,2 G Hz Bande de fréquence 1 G Hz BT: 300 Rendement de diffraction acousto-optique: 40/WRF Dynamique cellule > 80 d B M Hz La configuration 1 qui présente un très grand produit BT et une très grande dynamique, ainsi qu'un absence complète de réflexion parasite, est particulièrement adaptée pour réaliser un analyseur de spectre tel que représenté sur la figure 7. Comme on le voit sur cette figure, le schéma de cette analyseur est très semblable à celui de la figure 2, mais avec une cellule 301 du type à glissement inférieur et basse fréquence Dans ces conditions, la source lumineuse 204 est placée pour émettre un faisceau incident I qui est parallèle à la face inférieure du bloc 301 comportant le transducteur ultrasonore 302 et presque parallèle au faisceau émergent utile IO' Celui-ci est là aussi repris par une lentille 205 qui vient le focaliser sur un réseau de photodétecteur 206 Le faisceau émergeant parasite I O est lui par contre dirigé vers le haut, ce qui montre bien qu'il ne peut pas y avoir de réflexion parasite sur la face inférieure du bloc 301 Ce5 faisceau Io est absorbé par un absorbeur 207. REVENDICATIONS 1 Dispositif de déflexion angulaire acousto-optique, du type comportant un bloc ( 301) de matériau acousto-optique actif conprenant une face inférieure munie d'un transducteur électro-acoustique ( 302) destiné à émettre perpendiculairement à cette face inférieure un faisceau d'ondes ultrasonores ( 303) dans le matériau, une face d'entrée destinée à recevoir un faisceau optique incident (I) sous un angle tel qu'il subisse une interaction acousto-optique du type anisotrope à l'intérieur du bloc avec le faisceau ultrasonore dans les conditions de l'accord de phase dit "Bragg tangentiel" et une face de sortie destinée à laisser passer un premier faisceau optique (Il) transposé en fréquence sous l'action de l'interaction avec le faisceau ultrasonore en présentant un angle faible avec la normale à la direction de propagation du faisceau ultrasonore, cet angle dépendant de la variation de fréquence de ce faisceau optique, et un deuxième faisceau optique (Iv) de mêmes caractéristiques que le faisceau incident et incliné par rapport au premier faisceau, caractérisé en ce que la face d'entrée du bloc ( 301) est inclinée par rapport à la direction de propagation du faisceau ultrasonore d'un angle a permettant d'utiliser un faisceau optique d'entrée (I) perpendiculaire à la direction de propagation des ondes ultrasonores ( 303) tout en respectant les conditions de Bragg tangentiel. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle a est donné par la formule lsin OB a = arc tg =ose 8 n dans laquelle N est l'indice optique ordinaire du matériau constituant le bloc ( 301) et OB est l'angle d'incidence à l'intérieur de ce bloc du faisceau destiné à subir l'interaction avec le faisceau d'ondes ultrasonores ( 303). 3 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la face de sortie est inclinée d'un angle B par rapport à la direction de propagation du faisceau d'onde ultrasonore ( 303) pour ramener la direction du faisceau émergeant ayant subi l'interaction (I), lorsque cette interaction s'effectue à la fréquence moyenne (fo) de ces ondes ultrasonores, dans une direction parallèle à celle du faisceau optique incident (I). 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'angle 1 est donné par la formule S In E * S= arc tg l ces J dans laquelle ne est l'indice optique extraordinaire et ú l'angle du faisceau ayant subi une interaction (il) à sa sortie de la zone d'interaction ( 303) dans le bloc ( 301). 5 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les angles a et B sont positifs pour obtenir une configuration à glissement de fréquence inférieur et basse fréquence. 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l'angle a est négatif et l'angle B positif pour obtenir une configuration à glissement de fréquence supérieur et haute fréquence. J 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l'angle a est positif et l'angle B négatif pour obtenir une configuration à glissement de fréquence inférieur et haute fréquence. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les angles a et B sont négatifs pour obtenir une configuration à glissement de fréquence supérieur et basse fréquence. 9 Analyseur de spectre du type comprenant des moyens ( 204) pour émettre un faisceau optique monochromatique parallèle (I), un dispositif de transposition de fréquence ( 301) pour recevoir ce faisceau incident et transposer sa fréquence en fonction d'un signal électrique destiné à exciter un faisceau d'ondes ultrasonores dans ce dispositif, et pour émettre un premier faisceau émergent (Ih) dont la fréquence est transposée et dont la direction varie en fonction de cette transposition et un deuxième faisceau émergent (IO) incliné par rapport au premier et dont la fréquence n'est pas transposée, une lentille ( 205) destinée à focaliser ce faisceau, et un réseau de photodétecteurs ( 206) destiné à recevoir le faisceau ainsi focalisé, caractérisé en ce que le dispositif de transposition de fréquence ( 301) est un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. Analyseur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens ( 207) pour absorber le deuxième faisceau optique émergent (IO).