Brevet FR2921500A1 — publié le 20090327

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour le filtrage acousto-optique programmable de haute résolution dans le domaine infrarouge. Ce procédé s'applique notamment au filtrage acousto-optique programmable 15 pour le domaine du moyen infrarouge allant d'une longueur d'onde ?,, dans le vide de 5 à 20 �m. La fenêtre de transparence du TeO2, qui s'étend de 0,35 à 4,5 �m ne permet pas de développer un Filtre Acousto-optique Programmable (AOPDF) pour le 20 domaine du moyen infrarouge allant de 5 à 20 �m, tel que celui décrit dans l'article publié dans la revue J.Phys.France 12 (2002) Pr. 69/75 : "Theory and Performance of the Acousto-Optic Programmable Dispersive Filter used for Femtosecond Laser Pulse Shaping" . 25 D'une façon générale, on sait que les meilleurs matériaux pour une telle application sont les Composés au Mercure tel que : Hg2C12, Hg2Br2 et Hg,I2. Parmi ces matériaux, seul le Calomel (Hg2C12) est aujourd'hui susceptible d'exploitation industrielle. 30 Dans cette gamme de longueurs d'onde de 5 à 20 �m, le Calomel, qui est un cristal biréfringent uniaxe, n'est que peu dispersif. Son indice ordinaire no est 1 voisin de 1,898 et son indice extraordinaire ne sur l'axe [110] est voisin de 2,445. La vitesse de propagation des ondes acoustiques transversales est très lente sur l'axe [110] : V110 = 347 m/s et est beaucoup plus rapide sur l'axe [001] : Vool = 1084 m/s. L'invention a pour objet un procédé de filtrage acousto-optique programmable de haute résolution dans le domaine infrarouge d'une onde optique incidente ; elle propose, à cet effet, l'utilisation d'un cristal acousto-optique biréfringent dont la vitesse de propagation des ondes acoustiques est faible, tels que des composés au Mercure, lequel cristal acousto-optique comprend sur l'une de ses faces, un transducteur piézo-électrique destiné à générer une onde acoustique transversale dont l'énergie se propage suivant un même axe mais en direction inverse de l'énergie de l'onde optique incidente, sachant que l'onde optique résultant de l'interaction acousto-optique entre ladite onde optique incidente et ladite onde acoustique, est diffractée perpendiculairement ou quasi perpendiculairement à la direction de ladite onde optique incidente. D'une façon plus précise, l'interaction acousto-optique utilisée est telle que la direction des faisceaux optique ordinaire et acoustique, caractérisés par leurs directions de l'énergie définies par les vecteurs de Poynting, est identique. Les faisceaux sont co-linéaires en énergie afin de maximiser la longueur de l'interaction acousto-optique. Dans ces conditions, le coefficient acoustooptique efficace p pour le Calomel est donné par : p = -1/2 (pii P12) . sinOo.cos0a+p44.cos90 .sin9Q (relation 1) avec pour :pli = 0,551, p12 = 0,44, p44 à définir, et avec : tan9a= (Vuo/Vool)2 . tant% (relation 2) et le facteur de mérite M2, qui caractérise l'efficacité de diffraction par : M2 = no3. [nd(td)]3p2 / P •[V(ta)]3 (relation 3) 2921500 -3 Dans ces relations p est la masse spécifique du Calomel égale à 7,19 g/cm3, 00 est l'angle que fait le vecteur d'onde optique ordinaire incident avec l'axe [110], 0d l'angle que fait le vecteur d'onde optique extraordinaire diffracté avec l'axe [110], et 0a l'angle que fait le vecteur d'onde acoustique avec l'axe 5 [110]. Par ailleurs, nd (9d) et V(Oa) sont donnés par : nd (9d) = no. ne / [no2cos29d + ne2sin20d] 1/2 (relation 4) V(Oa) = [V2110 cos29a + Foot sin29a] 1~2 (relation 5) Dans le cas du Calomel, pour des longueurs d'onde optique comprises entre 5 et 20 �m, le facteur de mérite M2 passe par un maximum pour 0o = 52° , 9a = 7,47° et P44 = O. 15 Ainsi, des filtres de fréquence ou de longueur d'onde optique, à haute résolution spectrale, peuvent être construits par diffraction acoustique du faisceau optique ordinaire incident selon un faisceau optique extraordinaire diffracté. 20 Un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une représentation schématique des courbes de lenteur 25 optiques et acoustique définissant la composition des vecteurs d'onde acoustique selon deux solutions dites "basses fréquences" et "hautes fréquences" ; La figure 2 représente la variation du produit (f?) en fonction de 0o 30 dans le cas de la solution dite "basses fréquences", f étant la fréquence de l'onde acoustique ; 10 La figure 3 représente la variation du produit (f.X) en fonction de 00 dans le cas de la solution dite "hautes fréquences" ; La figure 4 représente les déviations angulaires (Od û Bo) en fonction de 00 respectivement dans le cas de la solution dite "basses fréquences" et dans le cas de la solution dite "hautes fréquences" ; La figure 5 représente la variation du facteur de mérite M2 en fonction de 0o pour des longueurs d'onde optique comprises entre 5 et 20 �m, pour les solutions dites "basses fréquences" et "hautes fréquences", et La figure 6 est une représentation schématique d'une structure de Filtre Acousto-Optique Programmable pour le domaine infrarouge. 15 Dans l'exemple représenté sur la figure 1, la représentation schématique des courbes de lenteurs optiques (cadrans supérieurs) et de la courbe de lenteur acoustique (cadrans inférieurs) montre, dans le système orthonormé défini par les axes [110] et [001] du cristal biréfringent, que deux solutions sont 20 possibles qui conduisent à des vecteurs d'onde acoustique K = 2it f / V(Oa) de longueurs très différentes et donc à des fréquences acoustiques f très différentes. Dans le domaine visible et proche infra rouge, où le matériau acousto-optique 25 de choix est le TeO2, seul le vecteur K de petite longueur est exploitable car le vecteur de grande longueur correspond à des fréquences acoustiques très élevées qui sont absorbées dans le matériau. Dans le domaine de l'infrarouge moyen, où le matériau de choix peut être le 30 Calomel dont la vitesse de propagation acoustique est très lente, les deux solutions pour le vecteur K sont exploitables. Ces solutions sont les suivantes : K1,2/ko= {f[cos(00-9a)+2(5sin0osin8a]+(1+2(5)1/2.[cos2(00-9a)+28sin20a] 1/2 }/[ 1+28sin29a] 5 (relation 6) Avec : ko=2nn0/2, 2(5 = (net -no2)/n 2, 10 sachant que 2(5 est environ égal à 0,6595 pour le Calomel et des longueurs d'onde comprises entre 5 et 20 �m. Les fréquences acoustiques sont alors données par : 15 f ,2 = [noV(Oa)/2]. {+[cos(00-9a)+28sin0osin9a]+(1+2(5)[cos2(8o-9a)+28sin29a] 1/2}/[ 1+28sin20a] (relation 7) Compte tenu de la relation d'alignement des énergies (relation 2) et de la 20 valeur des vitesses acoustiques et des indices optiques du Calomel, le produit (f X) est uniquement fonction de 00. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, la variation du produit (f k) en fonction de 00 dans le cas de la solution dite "basses fréquences", c'est-à-dire 25 pour le plus petit des vecteurs K, indique, au maximum d'efficacité de diffraction (00 = 52°), un produit (f X) de 103,22 m/s, soit des fréquences acoustiques comprises entre 5 et 20 MHz pour des longueurs d'onde optiques comprises entre 5 et 20 �m. 30 Dans l'exemple représenté sur la figure 3, la variation du produit (f X) en fonction de 00 dans le cas de la solution dite "hautes fréquences", c'est-à-dire -5 -6 pour le plus grand des vecteurs K, indique, au maximum d'efficacité de diffraction (00 = 52°), un produit (f k) de 1192,65 m/s, soit des fréquences acoustiques comprises entre 60 et 240 MHz pour des longueurs d'onde optiques comprises entre 5 et 2011m. D'autre part, le produit (/1) passe par un minimum proche de 1157,27 m/s pour 00 = 60,6°, valeur pour laquelle le facteur de mérite M2 ne décroît que de 6%. Par ailleurs, l'angle 0d que fait le vecteur d'onde optique extraordinaire 10 diffracté avec l'axe [110] est donné par : tan0d= [kosin0o + Ksin0a] / [kocos0o + Kcos0a] (relation 8) Dans l'exemple représenté sur la figure 4, les déviations angulaires (0d ù 00) en 15 fonction de 00 sont indiquées respectivement dans le cas de la solution dite "basses fréquences" (cadran inférieur) et dans le cas de la solution dite "hautes fréquences" (cadran supérieur), lorsque la condition d'alignement des énergies (relation 2) est appliquée. D'autre part, la courbe concernant la solution dite"hautes fréquences" montre 20 que la déviation angulaire (0d ù 00) est égale à 90° lorsque 00 = 60,46°, une valeur qui est très proche de la valeur 00 = 60,6°, qui correspond au minimum du produit (fX). Dans l'exemple représenté sur la figure 5, la variation du facteur de mérite M2 25 en fonction de 00 pour des longueurs d'onde optique comprises entre 5 et 20 �m atteint un maximum de 300 mm2/GW pour la solution dite � basses fréquences � et 440 mm2/GW pour la solution dite � hautes fréquences �, pour 00 = 52°, (0a = 7,47°) et P44 = O. Avantageusement, cette solution de déviation à 90° du faisceau optique extraordinaire diffracté permet la construction d'un filtre acousto-optique de très haute résolution dans le domaine de l'infrarouge. Dans l'exemple représenté sur la figure 6, une structure de Filtre Acousto-Optique Programmable pour le domaine infrarouge fait intervenir un cristal acousto-optique représenté de façon schématique par un trapèze rectangle TR, situé dans un plan P, et qui présente, sur le petit côté perpendiculaire à la base dudit trapèze rectangle TR, une face d'entrée Fe sur laquelle est appliqué en un point 01, perpendiculairement à ladite face d'entrée Fe, un faisceau optique incident O;, polarisé perpendiculairement au plan P contenant ledit trapèze rectangle TR ; le faisceau optique incident O; ainsi que le vecteur d'onde correspondant k° sont colinéaires avec un axe A, passant par le point 01 et par conséquent parallèles à la base dudit trapèze rectangle TR ; ledit axe A coupe le petit côté oblique à la base dudit trapèze rectangle au point 02. Un transducteur T, situé sur le petit côté oblique à la base dudit trapèze rectangle TR, génère un faisceau acoustique transverse, dont les vibrations sont perpendiculaires au plan P. Le vecteur d'onde correspondant K est par conséquent perpendiculaire au susdit petit côté oblique du trapèze rectangle TR. Le plan P, étant orthonormé respectivement suivant Oix et Oiy, l'axe Oly contenant le susdit axe A. L'orientation du cristal acousto-optique est définie par ses deux axes [110] et [001] ; en terme de représentation schématique, les susdits axes [110] et [001] passent par le susdit point 01. 30 Ainsi, compte tenu des éléments définis précédemment, l'axe 01y fait un angle 90 de 60,46° avec l'axe [110], et la droite normale Al au susdit petit côté25 oblique à la base du trapèze rectangle, passant par le point 02, fait un angle 8a de 10,25° avec l'axe [110] ; l'axe [001], passant par le point 01, est bien entendu perpendiculaire à l'axe [110]. En d'autres termes, le vecteur d'onde optique ordinaire incident ko fait un angle 8o de 60,46° avec l'axe [110], et le vecteur d'onde acoustique K fait un angle 8a de 10,25° avec le même axe [110]. Dans ces conditions, l'énergie acoustique de l'onde transversale générée se 10 propage dans le cristal, suivant la même direction que l'énergie de l'onde optique incidente, mais en sens opposé, selon le susdit axe A. Ainsi, pour un angle 8o de 60,46° et un angle 8a de 10,25°, la face du transducteur est donc inclinée de -79,75° par rapport à l'axe [110] et la face 15 d'entrée de l'onde optique incidente est donc inclinée de -29,54° par rapport à l'axe [110]. Le faisceau optique incident Oi sera diffracté suivant un faisceau optique extraordinaire Od dont le vecteur d'onde correspondant kd fait un angle proche 20 de 90° avec le susdit vecteur d'onde k° ; ledit faisceau optique extraordinaire Od sera ensuite réfléchi par une surface réfléchissante SR située sur la base du trapèze rectangle TR, perpendiculaire au plan P ; ainsi le faisceau optique extraordinaire Od revient sur lui-même et est re-diffracté selon un faisceau optique ordinaire de retour Or selon un direction confondue ou proche dudit 25 axe A, c'est-à-dire selon une direction confondue ou proche de la direction dudit faisceau optique incident Oi. Ainsi le susdit faisceau optique ordinaire de retour porte l'information de filtrage résultant de l'interaction acousto-optique effectuée dans le cristal 30 biréfringent. 2921500 -9 La résolution spectrale du filtre est telle que : 8) / = 8f / f. La résolution en fréquence acoustique bf dépend de la durée T de la fenêtre acoustique temporelle d'interaction dans le cristal. Pour un cristal de longueur L : T = L cos(9o-6Q) / V(6Q) et dans les conditions de la réflexion à 90° : 5 90 = 60,46° , 9a = 10,25° et V(Oa) = 392,2 m/s et donc T = 16,3 �m/s. Pour un fenêtre temporelle rectangulaire, la fonction de résolution spectrale après la première diffraction et autour d'une fréquence fo, est donnée par : sin[it.(f ù fo).T / [n.(fù fo).T ] (relation 9) Lors du retour inverse de la lumière, la fonction de résolution spectrale s'applique une seconde fois, de sorte que la fonction de résolution spectrale globale du filtre s'écrit : 15 sin2[it.(f ù fo).T / [it.(f ù fo).T ]2 (relation 10) Cette fonction présente une largeur à mi-hauteur voisine de : 8f = 0,88/T. La résolution spectrale en longueurs d'onde du filtre devient : 20 /À = 0,88 /f.T = 0,88 /N, N étant le nombre de longueurs d'onde acoustique contenues dans la longueur L du cristal, soit, en tenant compte de la valeur du produit (f.2) et de la valeur de V(Oa) : (,1/12=4,66.10'5/L, L étant exprimée en (cm) et d2 / .1 2 en (,um)"1. A titre d'exemple, pour une longueur de cristal de 2 ,5 cm et une longueur d'onde de 5 �m, la résolution 82, 30 est égale à 0,47 nm soit une résolution relative de l'ordre de 1/10000. 25 REVENDICATIONS 1. Procédé de filtrage acousto-optique programmable de haute résolution spectrale dans le domaine infrarouge d'une onde optique incidente (Oi) comprenant un cristal acousto-optique biréfringent (TR) dont la vitesse de propagation des ondes acoustiques est faible, tels que des composés au Mercure, lequel cristal acousto-optique comprend sur l'une de ses faces un transducteur piézo-électrique (T) destiné à générer une onde acoustique transversale de vecteur d'onde (K) dont l'énergie se propage suivant un même axe (A) mais en direction inverse de l'énergie de ladite onde optique incidente (Oi), caractérisé en ce que l'onde optique (Od), résultant de l'interaction acoustooptique entre ladite onde optique incidente (Oi) et ladite onde acoustique de vecteur d'onde (K), est diffractée perpendiculairement ou quasi perpendiculairement à la direction de ladite onde optique incidente(Oi). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la susdite onde optique diffractée (Od), est re-diffractée co-linéairement ou quasi co-linéairement à la direction de ladite onde optique 20 incidente (Oi) après réflexion sur une surface réfléchissante (SR). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le susdit cristal acousto-optique (TR) est du Calomel (Hg2Cl2), la direction de la susdite onde optique incidente (Oi) et de l'énergie 25 de la susdite onde acoustique de vecteur d'onde (K), faisant un angle proche de 60° avec l'axe [110] dudit cristal acousto-optique (TR). 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 destiné au filtrage acousto-optique programmable de haute résolution 30 spectrale,-11- caractérisé en ce que la susdite surface réfléchissante (SR) est un miroir solidaire dudit cristal acousto-optique biréfringent. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le susdit transducteur piézo-électrique (T) destiné à générer une onde acoustique transversale est un transducteur placé sur une face du cristal acousto-optique biréfringent (TR) opposée à la face d'entrée (Fe) de la susdite onde optique incidente (O;). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la normale (A1) au plan du susdit transducteur piézo-électrique (T) fait un angle proche de 10° avec l'axe [110] dudit cristal acousto-optique (TR).