Brevet FR2716271A1 — publié le 19950818

Dispositif de polarisation et de modulation électro-optique de lumière, utilisant un cristal de faibles dimensions et une très basse tension de commande La présente invention concerne un dispositif permettent la commande de la polarisation et la modulation de la lumière par effet electro-optique, c'est à dire le contrôle de la polarisation, de la phase ou de l'intensité d'un fisceau lumineux à l'aide d'un champ électrique (continu ou alternatif) très faible et en utilisant un cristal électrooptique de fiables almenslons. Les modulateurs électrooptiques sont caractérisés par une tension V:. Cette tension est la tension deminde à appliquer au cristal pour provoquer un déphasage de: radians, entre les deux composantes de la polarisation du faisceau lumineux, convenablement pdaris qui traverse le modulateur, ou le passage d'un minimllm à un maximum de l'intensité de la lumière transmise à travers un polariseur convenablement orienté. L'efficacité de modulation d'un faisceau laser ou de la commande d'un changement de l'intensite,' de la phase ou de l'orientation de la polarisation de ce faisceau, dépend donc fortement de cette tension V:. La tension V7d2 est en outre la tension continue qu'il faut appliquer au modulateurs pour obtenir son point de fonctionnement optimal. n est donc important que cette tension V# soit la plus faible possible. Cette tension demionde est le quotient d'une tension V:* caractéristique du matériau au rapport L/d des dimensions de celui-ci (L dimension selon le trajet du faisceau laser, d dimension selon la direction de la tension appliquée). Dans la plupart des dispositifS de modulation électrooptique actuellement disponibles sur le marché, les matériaux utilisés présentent une grande tension V* qui est de l'ordre du kilo volet. Afin de limiter la tension de commande à appliquer et à palier à cette difficulté, les modulateurs ont une très grande longueur L de matériau et une très petite épaisseur d, afin d'augmenter le rapport L/d. Une tension V# qui reste de quelques centaines de volts est alors obtenue dans ces conditions. Cette solution pose certains problèmes technologiques dans la fabrication, la mise en oeuvre et utilisation du dispositif de modulation fondé sur les principes décrits plus haut. Elle nécessite en effet, la préparation de matériaux sous forme de lames minces très longues, opération délicate lorsqu'il s'agit de fabriquer des monocristaux de bonne qualité optique. De plus, ce choix limite la bande passante du modulateur, en raison de sa grande capacité électrique. ll nécessite aussi l'utilisation d'une unité amplificatrice de la tension alternative appliquée, puisque les générateurs de tension aux fit usuelles usiles dutsation de ces modulateurs ne peuvent généralement pas fournir plus d'une vingtaine de volts. Ceci crée deux types de contraintes : un problème d'adaptation d'ii; entre le zen modulateur et l'amplificateur et un important encombrement du dispositif de commande électrique associé à la cellule de modulation. Un autre inconvénient est lié à la biréfriigence naturelle présentée par les cristaux les plus couramment utilisés. Cette biréfringence ou le déphasage correspondant doit être compensé par l'insertion dans le modulateur d'un second cristal de dimensions rigoureusement identiques au premier et d'orientation telle que sa biréfringence naturelle s'oppose exactement à celle du premier cristal. Une compensation exacte est d'autant plus nécessaire que la biréfringence des cristaux utilisés jusqu a présent dépend fortement de la température et que cette variation peut provoquer un déplacent du point de fonctionnement du modulateur ou nécessiter la mise en place du matériau dans une enceinte parfaitement thermostatée. La sensibilité thermique du modulateur crée donc des contraintes techniques, d'autant plus difficiles à résoudre que le cristal électrooptique est de grandes dimensions. Le fait d'utiliser des dispositifs de modulation commue décrit ci-dessus entralne encore deux inconvénients: la diminution de la transmission due à la longueur de matériau utilisée et la durée de vie réduite du dispositif due au fait d'employer de grandes tensions qui risquent d'endommager le cristal. Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients. En effet, il est conçu à partir d'un nouveau matériau électrooptique, le sélénate hydrogéné de rubidium (RbHSeO4), qui possède une tension demi-onde réduite V1t* beaucoup plus faible que celles des matériaux employés jusqu'à présent ( de l'ordre de la cinquantaine de volts). Par suite, la tension V: reste faible sans avoir recours à une grande longueur L. Le dispositif de commande électrique se trouve donc de dimension réduite et avec une bande passante plus élevée. D'autre part, la nouvelle cellule de modulation est très peu sensible aux variations de température (le nouveau matériau est de cinq à vingt fois moins sensible que la plupart des matériaux utilisés actuellement dans la construction de dïspositif de modulation de lumière). Enfin, il est à signaler que le dispositif selon l'invention permet son utilisation dans le visible aussi bien que dans le proche infra rouge. L'invention sera mieux comprise par la description plus détaillée qui suit maintenant du dispositif de commande de polarisation et de modulation utilisant un cristal de sélénate hydrogéné de rubidium. Cette description s'appuiera sur les figures jointes en annexe qui représentent: figure 1: schéma simplifié du dispositif selon l'invention. figure 2 : schéma simplifié d' une variante de ce dispositif Selon une première caractéristique le dispositif comprend un boîtier (2), servant de support, en forme de L laissant passer le faisceau lumineux. A l'intérieur de ce boîtier est placé le cristal de RbHSeO4 (1) taillé sous la forme d'un parallélépipède et orienté de sorte ce que ses axes cristallographiques c et b soient, respectivement, parallèles à raxe de propagation du faisceau lumineux et à l'axe d'application du champ électrique. Les forces perpendiculaires (5) à l'axe d'application du champ sont convenablement électrodées. Le boîtier comporte une fiche (4) qui permet d'amener le champ électrique dans le dispositif et un système d'électrodes courant sur un socle isolant (3) de cette fiche jusqu'aux swSces électrodées du cristal. Le cristal est fixé suer le socle et le boîtier à raide d'une cire. Selon les modes particuliers d'utilisation: - un cube polariseur (6), dont l'axe est à 45 des axe a et b du cristal (1), peut être placé en amont de celui ci (1), ceci afin d'utiliser le dispositif en tant que modulateur de phase ou rotateur de polarisation, - un deuxième cube polariseur (6V, dont l'axe est à 90 0 du premier polariseur, peut être place à la sortie du cristal (1), ceci afin d'utiliser le dispositif en tant que modulateur d'intensité, - une lame quartonde (7), dont les axes rapide et lent sont orientés à 450 des axes a et b du cristal (1), peut être insérée entre celui et le deuxième cube polariseur (6'), afin d'obtenir une réponse linéaire de la variation d'intensité en fonction du déphasage introduit par effet électro-optique, - quelque soit le mode d'utilisation choisi le cristal (1) peut être, par exemple, orienté de façon à ce que: - le rayon luminluux soit paraSèle à l'axe a et le champ électrique appliqué parallèlement à l'axe b, - le rayon lumineux soit parallèle à l'axe a et le champ électrique appliqué parallèlement à l'axe c, - le rayon Iuii soit parallèle à l'axe b et le champ électrique appliqué parallèlement à l'axe a, - le rayon lumineux soit parallèle à l'axe c et le champ électrique appliqué parallèlement à l'axe a, - le rayon hunine:x soit parallèle à raxe b et le champ électrique appliqué parallèlement à l'axe a, Ces dernières descriptions de différentes confations, du cristal par rapport au champ électrique appliqué et par rapport à la direction de propagation du faisceau lumineux, ne sont pas exhaustives; il est évident que l'on peut ensuite imaginer de nombreses vanantes de ces configurations, notamment les configurations dites longitudinales ( dans ce cas la direction de propagation du faisceau lurninux est identique à la direction d'application du champ électrique) ainsi que les configurations telles que les directions de propagation du faisceau lununeux et d'application du champ électrique ne soient pas parallèles aux axes cristallins du cristal. 11 est aussi évident que le dispositif selon Invention peut comporter plusieurs cristaux accolés en série selon la direction de propagation du fiu iuinin Par exemple, on peut envisager d'accoler deux cristaux orientés de façon à compenser leurs biréfringences naturelles. Le dispositif suivant l'invention est destiné à être utilisé dans des systèmes tels que: - changement de polarisation en particulier pour réaliser des lasers pulsés ou à modes bloqués, - modulation de phase utilisés, par exemple dans des dispositifs interférométnques, - modulation d'intensité de rayon lumineux, - hacheur, interrupteur optique. REVENDICATIONS 1. Un procédé de traitement d'un faisceau lumineux en ce qu'il est fondé sur un nouveau cristal électro-optique (1) ( sélénate hydrogéné de rubidium : RbHSeO4 ) dont les performances sont telles qu'elles permettent de modifier la polarisation, la phase ou l'intensité d'un faisceau lumineux à partir d'une tension de commande très faible. 2. Un modulateur de lumière caractérisé en ce qu'il résulte de l'asocation - d'un cristal (1), selon la revendication 1, orienté cristallographiquement avec son axe c parallèle à la direction de propagation du faisceau haineux et portant des électrodes (5) permettant l'application d'un champ électrique selon l'axe b; - d'un polariseur (6) situé en amont du matériau et dont l'axe est à 45 des axes a et b du cristal (1). 3. Modulateur de lumière selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un polariseur(6') placé à la sortie du cristal (1) et dontraxeest à9o de celui du polariseur d'entrée (6). 4. Modulateur de lumière selon les revendicatons 2 ou 3, caracterisé en ce qu'il comprend une lame quart d'onde (7) insérée entre le cristal(l)et le polariseur de sortie (6). 5 Modulateur de lumière selon l'une des revendications 2, 3 ou 4, dans lesquelles les axes a, b, c du cristal sont respectivement remplacés par b, c, a ou c, a, b. 6. Modulateur de lumière selon l'une des revendications 2, 3,4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend une lame quart d'onde (7) insérée entre le cristal (1) et le polariseur de sortie (6).