Brevet FR2892834A1 — publié le 20070504

La présente invention concerne un dispositif de dispersion d'impulsions lumineuses programmable en amplitude spectrale. D'une façon générale, on sait que de nombreux dispositifs de dispersion d'impulsions lumineuses brèves existent. L'un d'entre eux, proposé pour la 15 première fois par R.L. Fork et al "Negative dispersion using pairs of prisms" publié dans Optics Letters, mai 1984, consiste à utiliser un train de deux prismes identiques inversés (la face d'entrée du premier prisme est parallèle à la face de sortie du second prisme). Dans l'exemple représenté sur la figure 1, décrivant l'état de l'art concernant 20 notamment le dispositif cité précédemment, deux prismes P,, P2, de même angle au sommet a, sont disposés tête-bêche, la face d'entrée dudit prisme P, est parallèle à la face de sortie dudit prisme P2, la distance les séparant étant L ; la face de sortie dudit premier prisme P, est par conséquent parallèle à la face d'entrée dudit prisme P2, la distance les séparant étant d ; la projection du 25 sommet dudit prisme P2 sur la face d'entrée dudit prisme P, est distante de H du sommet dudit prisme P,. La modification de la caractéristique de dispersion reliant le temps de retard à la longueur d'onde optique, est effectuée en modifiant la distance L qui sépare les faces d'entrée et de sortie des prismes P,, P2 ; la modification de la 30 caractéristique de dispersion peut également être effectuée en modifiant la distance H qui sépare les sommets des deux prismes P,, P2. 1 Il s'avère que tous ces dispositifs de dispersion d'impulsions lumineuses brèves ne permettent pas de modifier au cours du temps l'amplitude relative des diverses longueurs d'onde desdites impulsions lumineuses. L'invention a donc plus particulièrement pour but de supprimer cet inconvénient. Elle propose un dispositif de dispersion d'impulsions lumineuses d'un faisceau optique constitué de deux prismes dispersifs, de même angle au sommet, montés tête-bêche, la face d'entrée optique du premier prisme étant parallèle à la face de sortie optique du second prisme, la distance séparant la susdite face d'entrée optique du premier prisme et la susdite face de sortie optique du second prisme étant réglable, sachant que le matériau constituant au moins l'un desdits premier et second prismes est un matériau acousto-optique permettant une interaction acousto-optique entre le susdit faisceau optique et un faisceau acoustique, l'onde acoustique dudit faisceau acoustique générant dans au moins l'un desdits premier et second prismes, une cellule de Bragg déflectrice intégrée. Dans un tel dispositif, les diverses longueurs d'onde optique ont été séparées 20 spatialement les unes des autres, d'une manière transversale, par la dispersion des prismes. La cellule acousto-optique de Bragg, dont l'axe est quasi-perpendiculaire aux rayons lumineux, diffracte, sélectivement en amplitude, les diverses longueurs d'onde optique en fonction des signaux appliqués au transducteur de ladite 25 cellule de Bragg. Les ondes diffractées sont éliminées du dispositif selon l'invention ; seules les ondes non diffractées, dont l'amplitude en fonction de la longueur d'onde optique a été rendue programmable par l'interaction acousto-optique, participent au dispositif de dispersion. 30 Avantageusement, le faisceau optique incident est perpendiculaire ou quasi-perpendiculaire aux faces respectivement d'entrée et de sortie desdits premier et second prismes, et est polarisé perpendiculairement aux arêtes des prismes. Par ailleurs, l'angle au sommet desdits premier et second prismes est tel que le rayon lumineux dudit faisceau optique correspondant à une longueur d'onde au centre du spectre soit sous l'incidence de Brewster relativement aux faces respectivement de sortie et d'entrée desdits premier et second prismes. Avantageusement, le matériau constituant au moins l'un desdits premier et second prismes est un matériau acousto-optique de type cristal de dioxyde de tellure (TeO2) dont la face associée à un transducteur piézoélectrique Ta fait un angle inférieur à 15 degrés avec l'axe optique [001] dudit cristal de dioxyde de tellure (TeO2). Par ailleurs, ledit transducteur piézoélectrique Ta génère une onde acoustique dont l'amplitude et/ou la fréquence sont programmées en fonction du temps ; les signaux appliqués audit transducteur piézoélectrique Ta sont fournis par un générateur, associé à un calculateur qui affiche les paramètres d'amplitude et de fréquence souhaités en fonction du temps. Un mode de mise en oeuvre du dispositif selon l'invention est décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif selon l'art antérieur, La figure 2 est une représentation schématique du dispositif selon l'invention, La figure 3 est une représentation des courbes d'indice ordinaire et 30 extraordinaire du cristal de dioxyde de tellure (TeO2) dans le plan contenant les axes optiques [110] et [001], 2892834 -4- La figure 4 est une représentation des caractéristiques de variation relative du temps de retard de groupe en fonction de la longueur d'onde optique, La figure 5 est une représentation des caractéristiques de variation 5 relative de la hauteur de la colonne acoustique en fonction de la longueur d'onde optique, et La figure 6 est une représentation de la caractéristique de la fréquence acoustique à appliquer en fonction de la longueur d'onde optique. 10 Dans l'exemple représenté sur la figure 1, deux prismes P1, P2, de même angle au sommet a, sont disposés tête-bêche, la face d'entrée dudit prisme P1 est parallèle à la face de sortie dudit prisme P2, la distance les séparant étant L ; la face de sortie dudit premier prisme P1 est par conséquent parallèle à la face d'entrée dudit prisme P2, la distance les séparant étant d ; la projection du 15 sommet dudit prisme P2 sur la face d'entrée dudit prisme P1 est distante de H du sommet dudit prisme P1. Un faisceau optique Fi incident est diffracté par le prisme P1, laquelle diffraction résultante est représentée par trois trajets optiques de longueur d'onde X1, X2, de part et d'autre d'une longueur d'onde centrale X0, lesquels 20 trajets sont diffractés à nouveau dans le second prisme P2 ; en sortie du second prisme P2 les trois trajets optiques de longueur d'onde Xo, %1, X2, sont spatialement séparés les uns des autres et parallèles au faisceau incident Fi, la dispersion reliant le temps de retard à la longueur d'onde optique étant fonction de la distance L et/ou de la distance H. 25 A noter que la variation du temps de retard peut être positive ou négative selon les caractéristiques géométriques du dispositif. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, deux prismes tronqués P1, P2, de même angle au sommet a, sont disposés tête-bêche, la face d'entrée dudit prisme P1 est parallèle à la face de sortie dudit prisme P2, la distance les séparant étant L ; la face de sortie dudit premier prisme P1 est par conséquent parallèle à la face d'entrée dudit prisme P2, la distance les séparant étant d ; la distance entre les sommets des prismes P1, P2, définie perpendiculairement à la distance L est égale à H. Un faisceau optique incident Fi est perpendiculaire aux faces d'entrée et de sortie respectivement desdits prismes P1, P2 ; la polarisation de la lumière est perpendiculaire aux arêtes des prismes ; le matériau constituant lesdits prismes P1, P2, est un cristal acousto-optique biréfringent de dioxyde de tellure TeO2 ; l'angle au sommet desdits prismes P1, P2, est tel que la longueur d'onde centrale de la bande passante des impulsions lumineuses, ressorte de la face de sortie du prisme P1 et entre dans la face d'entrée du prisme P2, sous l'angle de Brewster. Ainsi, au voisinage de la face de sortie du premier prisme P1, les longueurs d'onde, représentées par les trajets optiques k o, k i, X2, sont spatialement séparés les uns des autres, pour aboutir sur la face d'entrée du second prisme P2, lesquels, après réfraction dans le second prisme P2, sont parallèles entre eux et normaux à la face de sortie du second prisme P2. Si : - L est la distance séparant les faces d'entrée et de sortie respectivement 20 des prismes P1, P2, H est la distance entre les sommets desdits prismes P1, P2, définie perpendiculairement à la distance L, a est l'angle au sommet des prismes P1, P2, 0 est l'angle de diffraction entre les prismes P1, P2, fonction de la 25 longueur d'onde, défini par rapport à la normale aux faces de sortie et d'entrée respectivement des prismes P1, P2, c est la vitesse de la lumière, n est l'indice extraordinaire du cristal de dioxyde de tellure, et N (N = n ûX.dn/dX), est l'indice de groupe extraordinaire du cristal de dioxyde de 30 tellure, dans la direction des rayons lumineux incidents, le temps de retard de groupe tR de la lumière entre les faces d'entrée et de sortie respectivement des prismes PI, P2, est défini par la relation suivante : CtR 1 L G 1 cos +N.(Gûcosa ûsin a. tan 0) 8 sin 9 = n. sin a avec : a+Bo =j/2 - 0 étant l'angle de diffraction, pour la longueur d'onde centrale X0, qui obéit à la condition de Brewster, soit : tan 00 = n (X0), et - G étant un paramètre géométrique égal au rapport de la susdite distance L à la susdite distance d, défini par la relation suivante : L " H G=ù= cosa--.sina d L Dans l'exemple représenté sur la figure 2, un transducteur piézoélectrique Ta, constituant la cellule de Bragg, est solidaire de la surface de base du prisme P2, laquelle surface de base fait un angle 0A de quelques degrés avec l'axe optique [001] du cristal de dioxyde de tellure, soit 5 degrés à titre d'exemple. La hauteur acoustique Ah est définie comme étant la distance qui séparent les trajets optiques de longueur d'onde XI, X2, de part et d'autre de la longueur d'onde centrale X0, dans le second prisme P2, Ainsi : 0A est l'angle de la base du prisme P2 par rapport à l'axe optique [001] du cristal 0A est également l'angle du vecteur d'onde acoustique avec 25 l'axe optique [110] du cristal, 0; est l'angle du faisceau incident Fi par rapport à l'axe optique [110] du cristal, 2892834 -7- Oo est l'angle du trajet optique de longueur d'onde ko par rapport à la normale à la face de sortie du premier prisme Pi, et Oa est l'angle d'inclinaison du faisceau d'énergie acoustique par rapport à la base du second prisme P2. 5 Dans l'exemple représenté sur la figure 3 : l'axe des abscisses est représenté par l'axe optique [110] du cristal de dioxyde de tellure, l'axe des ordonnées est représenté par l'axe optique [001] du cristal de 10 dioxyde de tellure, la courbe d'indice ordinaire no est représentée par le cercle Co de centre O, la courbe d'indice extraordinaire n est représentée par l'ellipse Ci dont le petit axe, selon [001], correspond au rayon no dudit cercle Co, et le 15 grand axe, selon [110] a la valeur ne. La déflexion se fait des rayons incidents extraordinaires vers des rayons diffractés ordinaires dans le plan contenant les axes optiques [001] et [110] du cristal de dioxyde de tellure ; pour la longueur d'onde centrale, le vecteur 20 d'onde acoustique est approximativement tangent à la courbe d'indice ordinaire de manière à assurer la plus grande bande spectrale possible à la diffraction des rayons extraordinaires incidents vers les rayons ordinaires, ainsi : le vecteur d'onde optique incident ki est représenté par le vecteur OB, le vecteur d'onde optique diffracté kd est représenté par le vecteur OA, le vecteur d'onde acoustique K est représenté par le vecteur AB, Oi est l'angle du vecteur d'onde optique incident ki par rapport à l'axe optique [110], Od est l'angle du vecteur d'onde optique diffracté kd par rapport à l'axe 30 optique [110], -8- OA est l'angle du vecteur d'onde acoustique K par rapport à l'axe optique [110]. Dans ces conditions, l'angle 0; du vecteur d'onde optique incident k; par rapport à l'axe optique [110], est relié à l'angle OA de la base du prisme P2 par rapport à l'axe optique [001], par la relation suivante : sin(O,+0A)=no(Âo)/n(Â.o) n est relié aux indices ordinaire no et extraordinaire ne sur l'axe optique [110], par la relation suivante : none /n' cos' 0, + 11,2 sin' 0, et no et ne sont donnés en fonction de la longueur d'onde par les relations de Sellmeier, à savoir : n ù 1 + 2.583822 + 1.156622 et n = 1 + 2.822822 + 1.541622 22 ù 0.01801 22 -0.06959 e 22 ù 0.01801 22 -0.06922 A titre d'exemple, si Xo est égal à 0,8 gm : no = 2,226, 20 ne = 2,373, et si OA est égal à 5 : 0; = 82,36 , n = 2,229, 00 = 65,83 , 25 a = 24,16 , - 0a = 49,43 . n=15 Dans l'exemple représenté sur la figure 4, les caractéristiques de variation relative du temps de retard de groupe en fonction de la longueur d'onde optique sont représentées. Si tRO est le temps de retard de groupe pour la longueur d'onde centrale ? 5 égale à 0, 8 m, la variation : C.(tR - tR0) / L est représentée en fonction de la longueur optique pour deux valeurs de H/L, L étant la distance séparant les faces d'entrée et de sortie respectivement des prismes P1, P2, H étant la distance entre les sommets desdits prismes P1, P2, 10 définie perpendiculairement à la distance L, à savoir : les courbes C1, C2, respectivement pour H/L = 1,01 et pour H/L = 1,13. La hauteur Ah de la colonne acoustique dans le second prisme P2, comme 15 indiqué précédemment, est donnée autour de la longueur d'onde centrale X0. L'écart h ù h0 est défini par la relation suivante : hùh0 H sin(9ùa) sin(90 ùa) =(cos a--sin a) L L cos O cos 90 sachant que : a est l'angle au sommet des prismes P1, P2, 20 0O est l'angle du trajet optique de longueur d'onde XO par rapport à la normale à la face de sortie du premier prisme P1, et 0 est l'angle du trajet optique de longueur d'onde X par rapport à la normale à la face de sortie du premier prisme P1. 25 Dans l'exemple représenté sur la figure 5, les caractéristiques de variation relative de la hauteur de la colonne acoustique en fonction de la longueur d'onde optique sont représentées. La variation : (h ù h0) / L 2892834 - 10 - est représentée en fonction de la longueur d'onde optique pour deux valeurs de H/L, L étant la distance séparant les faces d'entrée et de sortie respectivement des prismes P1, P2, H étant la distance entre les sommets desdits prismes P1, P2, définie perpendiculairement à la distance L, à savoir : les courbes C1, C2, respectivement pour H/L = 1,01 et pour H/L = 1,13. La longueur totale 1 du cristal de dioxyde de tellure traversée par la lumière à la longueur d'onde centrale X0 est donnée par la relation suivante : L = (L sin 2a û cos 2a) Les fréquences à appliquer au transducteur piézoélectrique Ta sont données par la relation suivante : f = j(6152 cos2 BA + 21002 sin2 0A).\/(n2 ûn2 ) /2 Dans l'exemple représenté sur la figure 6, la caractéristique de la fréquence acoustique fA à appliquer en fonction de la longueur d'onde optique X est 20 définie pour 0A est égal à 5 degrés (courbe C). A titre d'exemple, pour une bande passante optique de 100 nm, une longueur L de 56 cm, une hauteur H de 56 cm, la variation du temps de retard de groupe est de 4,5 picosecondes, 25 la longueur totale 1 de cristal traversé par la lumière est de 50 mm, la zone de la hauteur Oh de la colonne acoustique sur laquelle sont réparties les longueurs d'onde du faisceau incident Fi est de 20 mm, et le domaine des fréquences à appliquer sur le transducteur acoustique se situe entre 75 et 90 MHz. 15 30 2892834 -11- Ainsi, le nombre de points de programmation de l'amplitude spectrale du dispositif selon l'invention, défini comme étant le rapport de la zone de la hauteur Ah de la colonne acoustique sur laquelle sont réparties les longueurs d'onde, au diamètre du faisceau incident Fi est, dans le cas présent, de 20 5 points pour un diamètre de faisceau incident Fi de 1 mm. Avantageusement, l'amplitude et/ou la fréquence de l'onde acoustique générée par ledit transducteur piézoélectrique Ta sont programmées en fonction du temps ; les signaux appliqués audit transducteur piézoélectrique Ta sont 10 fournis par un générateur, associé à un calculateur qui affiche les paramètres d'amplitude et de fréquence souhaités en fonction du temps. Revendications 1. Dispositif de dispersion d'impulsions lumineuses d'un faisceau optique (Fi) constitué de deux prismes dispersifs (P1, P2), de même angle au sommet (a), montés tête-bêche, la face d'entrée optique du premier prisme (P1) étant parallèle à la face de sortie optique du second prisme (P2), la distance (L) séparant la susdite face d'entrée optique du premier prisme (P1) et la susdite face de sortie optique du second prisme (P2) étant réglable, caractérisé en ce que le matériau constituant au moins l'un desdits premier et second prismes (P1, P2) est un matériau acousto-optique permettant une interaction acousto-optique entre le susdit faisceau optique et un faisceau acoustique, l'onde acoustique dudit faisceau acoustique générant dans au moins l'un desdits premier et second prismes (P1, P2), une cellule de Bragg déflectrice intégrée, la susdite cellule de Bragg, dont l'axe est quasi- perpendiculaire au susdit faisceau optique, diffracte, sélectivement en amplitude, les diverses longueurs d'onde du susdit faisceau optique en fonction des caractéristiques du susdit faisceau acoustique, générant ainsi des ondes optiques non diffractées et des ondes optiques diffractées, les susdites ondes diffractées étant éliminées, l'amplitude des susdites ondes non diffractées, est programmable en fonction de la longueur d'onde optique par la susdite interaction acousto-optique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau optique incident (Fi) est perpendiculaire ou quasi-perpendiculaire aux faces respectivement d'entrée et de sortie desdits premier et second prismes (P1, P2), et est polarisé perpendiculairement aux arêtes desdits prismes (P1, P2). 3. Dispositif selon la revendication 1, 30 caractérisé en ce que, l'angle au sommet (a) desdits premier et second prismes (P1, P2), est tel que le rayon lumineux (X0) dudit faisceau optique (Fi) 2892834 - 13 -correspondant à une longueur d'onde au centre du spectre soit sous l'incidence de Brewster relativement aux faces respectivement de sortie et d'entrée desdits premier et second prismes (P1, P2). 5 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau constituant au moins l'un desdits premier et second prismes (P1, P2), est un matériau acousto-optique de type cristal de dioxyde de tellure (TeO2) dont la face associée à un transducteur piézoélectrique (Ta) fait un angle inférieur à 15 degrés avec l'axe optique 10 [001] dudit cristal de dioxyde de tellure (TeO2). 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit transducteur piézoélectrique (Ta) génère une onde acoustique dont l'amplitude et/ou la fréquence sont programmées en fonction 15 du temps ; les signaux appliqués audit transducteur piézoélectrique (Ta) sont fournis par un générateur, associé à un calculateur qui affiche les paramètres d'amplitude et de fréquence souhaités en fonction du temps.