Brevet FR2943433A1 — publié le 20100924

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour le filtrage acousto-optique de grande longueur d'interaction optique et acoustique. Ce procédé s'applique notamment aux dispositifs dont la configuration est telle que la direction de propagation de l'énergie du faisceau optique (dite 15 direction du faisceau optique et caractérisée par le vecteur de Poynting) est confondue avec la direction de propagation de l'énergie du faisceau acoustique (dite direction du faisceau acoustique). Cette condition assure la plus grande longueur d'interaction possible entre les ondes optiques et acoustiques, ce qui est favorable pour l'efficacité d'interaction. Par ailleurs, lorsque ces dispositifs 20 sont utilisés pour une fonction de filtrage spectrale de l'onde optique, cette condition favorise l'obtention d'une résolution spectrale élevée. D'une façon générale, on sait que les conditions conduisant à l'interaction colinéaire dans un matériau biréfringent ont été discutées par V.B. Voloshinov 25 dans : � Close to collinear acousto-optique interaction in Paratellurite �, Optical Engineering, 31 (1992), p. 2089. Il est bien connu que lorsque le cristal utilisé est fortement anisotrope et biréfringent, la colinéarité des faisceaux acoustiques et optiques n'implique pas la colinéarité des vecteurs d'ondes acoustiques et optiques. Le brevet français FR 9610717 de P. 30 Tournois � Dispositif de contrôle d'impulsions lumineuses par un dispositif programmable acousto-optique � et la publication de D. Kaplan et de P. Tournois � Theory and performance of the acousto-optic programmable dispersive filter used for femtosecond laser pulse shaping �, J. Phys. IV, 12 (2002), Pr5-69/75, décrivent l'utilisation d'une configuration colinéaire pour réaliser un filtrage spectrale programmable en amplitude et en phase d'impulsions laser. Le dioxyde de tellure ou Paratellurite, matériau fortement anisotrope, est le plus utilisé pour cette application. L'allongement de la longueur du dispositif pour augmenter la longueur d'interaction est limité technologiquement par les capacités existantes à ce jour de croissance cristalline. Concernant le dioxyde de Tellure, par exemple, les dispositifs disponibles sont limités à quelques centimètres de longueur. Une solution consiste à replier les faisceaux par des réflexions optiques et acoustiques sur les faces cristallines qui maintiennent la colinéarité optique et acoustique. Néanmoins, le caractère anisotrope du cristal et la très grande différence des directions de vecteur d'onde et de faisceau auront, en général, pour effet que des faisceaux colinéaires avant réflexion ne seront plus colinéaires après réflexion. Les seules classes cristallines permettant de répondre à ces exigences sont celles pour lesquelles les axes de symétrie optiques et acoustique sont confondus, telles que, par exemple, les classes cristallines tétragonales 422, 4/mmm et 4/2m. Les matériaux combinant cette condition et les performances adéquates pour une telle application sont : le dioxyde de Tellure (TeO2), les halogénures de Mercure (Hg2Cl2, Hg2Br2, Hg2I2), et le KDP ; parmi ces matériaux, seuls le dioxyde de Tellure (TeO2), le Calomel (Hg2Cl2), et le KDP sont aujourd'hui susceptibles d'exploitation industrielle. L'invention a donc pour objet un procédé et un dispositif pour le filtrage acousto-optique de grande longueur d'interaction optique et acoustique; elle propose, à cet effet, l'utilisation un cristal acousto-optique biréfringent dont la vitesse de propagation des ondes acoustiques est la plus faible possible, 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 de manière colinéaire à l'énergie d'une onde optique incidente, tout au long du trajet de ladite onde optique incidente, dans le susdit cristal acousto-optique biréfringent, sachant que l'onde acoustique transversale et l'onde optique incidente parcourent un trajet comportant des réflexions multiples sur l'une ou l'autre des faces réfléchissantes du cristal acousto-optique biréfringent perpendiculaires aux axes de symétrie communs à la courbe des lenteurs acoustiques et aux courbes des indices optiques ordinaire et extraordinaire dudit cristal acousto-optique. 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 pour un cristal anisotrope de la courbe des lenteurs acoustiques et des courbes des indices optiques ordinaire et extraordinaire définissant la composition des vecteurs d'onde acoustique et optiques, caractéristiques de l'interaction acousto-optique ; La figure 2 est une représentation schématique d'un premier exemple de réflexion des faisceaux acoustique et optique sur un plan oblique, parallèle à l'axe Oy du cristal biréfringent; La figure 3 est une représentation schématique d'un deuxième exemple 30 de réflexion des faisceaux acoustique et optique sur un plan parallèle aux axes Oy et Ox du cristal biréfringent; La figure 4 représente un premier exemple d'une représentation schématique d'une structure de filtre acousto-optique de grande longueur d'interaction optique et acoustique dans le dioxyde de Tellure; La figure 5 représente un deuxième exemple d'une représentation schématique d'une structure de filtre acousto-optique de grande longueur d'interaction optique et acoustique dans le Calomel, et 10 La figure 6 représente un troisième exemple d'une représentation schématique d'une structure de filtre acousto-optique de grande longueur d'interaction optique et acoustique dans le KDP. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, la représentation schématique des 15 courbes de indices optiques ordinaire et extraordinaire (cadrans supérieurs) et de la courbe des lenteurs acoustiques (cadrans inférieurs) montre, dans le système orthonormé défini par les axes Ox et Oz du cristal biréfringent, les vecteurs d'onde acoustique et d'onde optique incidente, respectivement ka et ko ; le vecteur d'onde acoustique ka fait un angle 0a avec l'axe Ox ; le vecteur 20 d'onde optique incidente ko fait un angle 0 avec l'axe Ox. Le vecteur de Poynting optique Ko est colinéaire avec le vecteur d'onde optique incidente ko ; le vecteur de Poynting acoustique Ka est parallèle avec le vecteur optique Ko et fait par conséquent un angle 0 avec l'axe Ox. 25 Dans l'exemple représenté sur la figure 2, la représentation schématique d'un premier exemple de réflexion des faisceaux acoustique et optique sur un plan plan oblique, parallèle à l'axe Oy d'un cristal biréfringent de dioxyde de Tellure (TeO2), montre, dans le système orthonormé défini par les axes Ox et Oz du cristal biréfringent, les directions des énergies optique et acoustique 30 incidentes et les directions des énergies optique et acoustique après réflexion sur un plan P oblique. 2943433 -5- Dans le cas présent, le plan P est parallèle à l'axe Oy et fait un angle de 45° par rapport à l'axe Ox ; les énergies optique et acoustique incidentes Eoi, Eai, font un angle de 60° par rapport à l'axe Ox ; la réflexion des énergies optique Eor et acoustique Ear ne se fait pas selon les mêmes directions. 5 Dans l'exemple représenté sur la figure 3, la représentation schématique d'un deuxième exemple de réflexion des faisceaux acoustique et optique sur un plan parallèle aux axes Oy et Ox du cristal biréfringent de dioxyde de Tellure (TeO2), montre, dans le système orthonormé défini par les axes Ox et Oz du cristal biréfringent, les directions des énergies optique et acoustique incidentes et les directions des énergies optique et acoustique après réflexion sur un plan P. Dans le cas présent, le plan P est parallèle à l'axe Oy et à l'axe Ox ; les énergies optique et acoustique incidentes Eoi, Eai, font un angle de 60° par rapport à l'axe Ox ; la réflexion des énergies optique et acoustique Eor, Ear, se fait selon la même direction. Dans l'exemple représenté sur la figure 4, une structure de filtre acoustooptique de grande longueur d'interaction optique et acoustique fait intervenir un cristal acousto-optique de dioxyde de Tellure (TeO2), représenté de façon schématique par sa section polygonale PO1 par un plan perpendiculaire à l'axe Oy et appelé plan de propagation P. L'orientation du cristal acousto-optique est définie par ses deux axes [110] et 25 [001]. Le plan de propagation P étant orthonormé respectivement suivant Ox et Oz, l'axe Ox est parallèle à l'axe [110], et l'axe Oz est parallèle à l'axe [001]. L'angle de propagation optique 0 par rapport à la direction Ox est choisi selon 30 un critère fonctionnel. Dans l'exemple de la figure 4, il est choisi pour 2943433 -6- maximiser le facteur de mérite de l'efficacité de diffraction M2 donné approximativement par la formule : M2 = no3 ne3 p2 / p V3, dans laquelle : no, ne, p, p et V sont respectivement l'indice ordinaire, l'indice 5 extraordinaire, le coefficient élasto-optique efficace, la densité du cristal et la vitesse de phase des ondes acoustiques transversales dans la direction Oa qui correspond à la direction 9 de propagation de l'énergie acoustique. La vitesse de phase des ondes acoustiques transversales V est donnée par : 10 V = [Vx2 cos' 9Q + VZ2 sine 0 .]I /2, avec : tape, = (VX/V)2 . tan9, qui est la condition d'alignement des énergies optique et acoustique, VX étant la vitesse acoustique selon Ox, et VZ étant la vitesse acoustique selon Oz. 15 Pour les cristaux de TeO2, Hg2C12 et KDP, les angles 9 sont respectivement proches de 60°, 50° et 45°. Les cristaux considérés ont une forme prismatique, définie par leur section droite polygonale par un plan parallèle au plan de propagation P et par la 20 direction commune à leurs arêtes perpendiculaires au plan de propagation. Les faces d'intérêt de ces cristaux sont celles parallèles aux arêtes et contenant un segment donné de la section droite. Dans la suite, on désignera les cristaux considérés par leur section droite et les faces cristallines par le segment correspondant de section droite. Dans le premier exemple de la figure 4, le cristal PO1 de TeO2, défini par le polygone PO1 de sommets ABCDEF, comprend une première face AB contenant le segment AB, A selon l'axe Oz proche du point O et B selon l'axe Ox proche du point 0, une seconde face BC selon l'axe Ox, puis une troisième face CD perpendiculaire à l'axe Ox, puis une quatrième face DE perpendiculaire à l'axe Oz, puis une cinquième face EF faisant un angle 01 avec la normale à l'axe Oz, puis une sixième face FA fermant la section polygonale PO1. La face AB du cristal PO1 constitue une face d'entrée Fei sur laquelle est appliqué en un point MO, perpendiculairement à ladite face d'entrée Fei, un faisceau optique incident O;i, polarisé perpendiculairement au plan de propagation P contenant ladite section polygonale PO1 ; le faisceau optique incident Ou ainsi que le vecteur d'onde correspondant koi sont colinéaires avec la normale à la face AB. Un transducteur Ti, situé sur la face FA, génère un faisceau acoustique transverse, dont les vibrations sont perpendiculaires au plan de propagation P ; ce faisceau acoustique aboutit au point MO de ladite face d'entrée Fei, puis est réfléchi de manière à ce que le vecteur de Poynting acoustique correspondant soit perpendiculaire à la susdite face AB. Ainsi, le faisceau acoustique réfléchi et le susdit faisceau optique incident OH parcourent une première zone d'interaction colinéaire Z1 entre le point MO de la face AB et un point de réflexion M1 sur la face DE, puis parcourent une deuxième zone d'interaction colinéaire Z2 entre le point M1 sur la face DE et un point de réflexion M2 sur la face CD, puis parcourent une troisième zone d'interaction colinéaire Z3 entre le point M2 sur la face CD et un point de réflexion M3 sur la face BC, puis parcourent une quatrième zone d'interaction colinéaire Z4 entre le point M3 sur la face BC et un point M4 sur la face EF, laquelle constitue la face de sortie Fsi du faisceau optique réfléchi OS1. Dans chacune des zones d'interaction, la direction de propagation colinéaire est de O ou de -6 ; compte tenu des éléments définis précédemment, le vecteur d'onde optique ordinaire incident ko1 fait un angle 9 proche de 60° avec l'axe [110]. 2943433 -8- La longueur d'interaction des ondes optique et acoustique a été multipliée par un facteur proche de 3 par rapport à la longueur du cristal dont la hauteur est définie par la distance entre les susdites faces BC et DE. 5 Dans l'exemple représenté sur la figure 5, une structure de filtre acoustooptique de grande longueur d'interaction optique et acoustique fait intervenir un cristal acousto-optique de Calomel (Hg2C12) représenté de façon schématique par sa section polygonale PO2, située dans le plan de propagation P. L'orientation du cristal acousto-optique est définie par ses deux axes [110] et [001]. Le plan de propagation P étant orthonormé respectivement suivant Ox et Oz, l'axe Ox est parallèle à l'axe [110], et l'axe Oz est parallèle à l'axe [001]. 15 Le cristal PO2 comprend une première face AB, A selon l'axe Oz proche du point O et B selon l'axe Ox proche du point 0, une seconde face BC selon l'axe Ox, puis une troisième face CD perpendiculaire à l'axe Ox, puis une quatrième face DE perpendiculaire à l'axe Oz, puis une cinquième face EF 20 faisant un angle 02 avec la normale à l'axe Oz, puis une sixième face FA fermant la section polygonale PO2, de sommets ABCDEF. La face AB du cristal PO2 constitue une face d'entrée Fe2 sur laquelle est appliqué en un point MO, perpendiculairement à ladite face d'entrée Fe2, un 25 faisceau optique incident Oi2, polarisé perpendiculairement au plan de propagation P contenant ladite section polygonale PO2 ; le faisceau optique incident Oie ainsi que le vecteur d'onde correspondant ko2 sont colinéaires avec la normale à la face AB. 30 Un transducteur T2, situé sur la face FA, génère un faisceau acoustique transverse, dont les vibrations sont perpendiculaires au plan de propagation P ; 10 2943433 -9- ce faisceau acoustique aboutit au point MO de ladite face d'entrée Fez, puis est réfléchi de manière à ce que le vecteur de Poynting acoustique correspondant soit perpendiculaire à la susdite face AB. 5 Ainsi, le faisceau acoustique réfléchi et le susdit faisceau optique incident 012 parcourent une première zone d'interaction colinéaire Z1 entre le point MO de la face AB et un point de réflexion M1 sur la face DE, puis parcourent une deuxième zone d'interaction colinéaire Z2 entre le point M1 sur la face DE et un point de réflexion M2 sur la face CD, puis parcourent une troisième zone 10 d'interaction colinéaire Z3 entre le point M2 sur la face CD et un point de réflexion M3 sur la face BC, puis parcourent une quatrième zone d'interaction colinéaire Z4 entre le point M3 sur la face BC et un point M4 sur la face EF, laquelle constitue la face de sortie Fs2 du faisceau optique réfléchi Os2• 15 Dans chacune des zones d'interaction, la direction de propagation colinéaire est de 8 ou de -8 ; compte tenu des éléments définis précédemment, le vecteur d'onde optique ordinaire incident ko1 fait un angle 8 proche de 50° avec l'axe [110]. 20 La longueur d'interaction des ondes optique et acoustique a été multipliée par un facteur proche de 3 par rapport à la longueur du cristal dont la hauteur est définie par la distance entre les susdites faces BC et DE. Dans l'exemple représenté sur la figure 6, une structure de filtre acousto- 25 optique de grande longueur d'interaction optique et acoustique fait intervenir un cristal acousto-optique de KDP, représenté de façon schématique par sa section polygonale PO3, située dans le plan de propagation P; la structure proposée est différente de celles décrites précédemment, compte tenu des caractéristiques d'anisotropie et de biréfringence de ce matériau. 30 2943433 -10- L'orientation du cristal acousto-optique est définie par ses deux axes [100] et [001]. Le plan de propagation P étant orthonormé respectivement suivant Ox et Oz, l'axe Ox est parallèle à l'axe [100], et l'axe Oz est parallèle à l'axe [001]. 5 Le cristal P03 comprend une première face AB, A selon l'axe Oz et B selon l'axe Ox, une seconde face BC perpendiculaire à l'axe Ox, puis une troisième face CD oblique faisant un angle 03 avec la normale à l'axe Oz, puis une quatrième face DE perpendiculaire à l'axe Oz, puis une cinquième face EA 10 fermant la section polygonale P03, de sommets ABCDE. La face AB du cristal P03 constitue une face d'entrée Fe3 sur laquelle est appliqué en un point MO, perpendiculairement à ladite face d'entrée Fe3, un faisceau optique incident Oi3, polarisé perpendiculairement au plan de 15 propagation P contenant ladite section polygonale P03 ; le faisceau optique incident Oi3 ainsi que le vecteur d'onde correspondant ko3 sont colinéaires avec la normale à la face AB. Un transducteur T3, situé sur la face CD, génère un faisceau acoustique 20 transverse, dont les vibrations sont perpendiculaires au plan de propagation P ; ce faisceau acoustique aboutit au point MO de ladite face d'entrée Fe3, puis est réfléchi de manière à ce que le vecteur de Poynting acoustique correspondant soit perpendiculaire à la susdite face AB. 25 Ainsi, le faisceau acoustique réfléchi et le susdit faisceau optique incident Oi3 parcourent une première zone d'interaction colinéaire Z1 entre le point MO de la face AB et un point de réflexion M1 sur la face BC, puis parcourent une deuxième zone d'interaction colinéaire Z2 entre le point M1 sur la face BC et un point de réflexion M2 sur la face DE, puis parcourent une troisième zone 30 d'interaction colinéaire Z3 entre le point M2 sur la face DE et un point de réflexion M3 sur la face EA, puis parcourent une quatrième zone d'interaction 2943433 -11- colinéaire Z4 entre le point M3 sur la face EA et un point M4 sur la face BC, puis parcourent une cinquième zone d'interaction colinéaire Z5 entre le point M4 sur la face BC et un point M5 sur la face AB, laquelle constitue la face de sortie Fs3 du faisceau optique réfléchi 0s2, ladite face de sortie Fs3 étant 5 confondue avec ladite face d'entrée Fei. Dans chacune des zones d'interaction, la direction de propagation colinéaire est de 8 ou de -0 ; compte tenu des éléments définis précédemment, le vecteur d'onde optique ordinaire incident kol fait un angle 0 proche de 45° avec l'axe 10 [100]. La longueur d'interaction des ondes optique et acoustique a été multipliée par un facteur proche de 5 par rapport à la longueur du cristal dont la hauteur est définie par la distance entre les susdites faces BC et EA. 15 Selon les trois exemples, cités précédemment, la solution consistant à replier les faisceaux par des réflexions optique et acoustique sur les faces cristallines du cristal acousto-optique biréfringent, permet de multiplier par un facteur proche, voire supérieur à 3, par rapport à la longueur dudit cristal; ce procédé 20 autorise ainsi l'augmentation significative de la longueur d'interaction optique et acoustique tout en respectant les contraintes économiques liées à la réalisation de tels cristaux. Avantageusement, les susdites faces réfléchissantes (AB, BC, CD, DE, EA) 25 pourront comprendre, ou non, des couches minces diélectriques ou des films minces métalliques. Avantageusement le susdit transducteur piézo-électrique (T1, T2, T3) destiné à générer une onde acoustique transversale sera un transducteur soudé sur une 30 face (FA, CD) du cristal acousto-optique biréfringent (PO1, PO2, PO3). 2943433 - 12- Une première application de ce filtre acousto-optique de grande longueur d'interaction acousto-optique, selon l'invention, concerne les extenseurs des lasers à dérive de fréquence tels que ceux décrits dans l'article de D. Strickland et G. Mourou : � Compression of amplified chirped optical 5 pulses �, Optics Communications, 56 (1985), p.219, qui permettent de générer des impulsions lumineuses brèves de très grande puissance. Dans ce type de laser, un extenseur programmable en amplitude et en phase de grande durée d'extension est souhaitable pour compenser des défauts d'amplitude et de phase des compresseurs. 10 Une deuxième application de ce filtre acousto-optique de grande longueur d'interaction acousto-optique, selon l'invention, concerne les analyseurs de spectres qui utilisent des filtres acousto-optiques AOTF (Acousto-Optic Tunable Filters) rapides et compacts. Dans ce type de filtre, une grande 15 longueur d'interaction acousto-optique permet d'augmenter notablement la résolution spectrale de ces filtres. Une troisième application de ce filtre acousto-optique de grande longueur d'interaction acousto-optique, selon l'invention, concerne la génération 20 d'impulsions lumineuses brèves multiples, d'espacements temporels réglables sur une très grande durée, obtenues par la programmation simultanée de plusieurs signaux acoustiques dans le filtre acousto-optique. 25 30 REVENDICATIONS1. Procédé et un dispositif pour le filtrage acousto-optique de grande longueur d'interaction optique et acoustique comprenant un cristal acoustooptique biréfringent (PO1, P02, P03) dont la vitesse de propagation des ondes acoustiques est la plus faible possible, lequel cristal acousto-optique (PO1, P02, P03) comprend sur l'une de ses faces (FA, CD), un transducteur piézo-électrique (T1, T2, T3) destiné à générer une onde acoustique transversale dont l'énergie se propage de manière colinéaire à l'énergie d'une onde optique incidente (Oil, °i2, Oi3), tout au long du trajet de ladite onde optique incidente (Oil, Oie, 0i3), dans le susdit cristal acousto-optique biréfringent (PO1, P02, P03), caractérisé en ce que l'onde acoustique transversale et l'onde optique incidente (On, Oie, Oi3) parcourent un trajet comportant des réflexions multiples sur l'une ou l'autre des faces réfléchissantes (AB, BC, CD, DE, EA) du cristal acousto-optique biréfringent (PO1, P02, P03) perpendiculaires aux axes de symétrie communs à la courbe des lenteurs acoustiques et aux courbes des indices optiques ordinaire et extraordinaire dudit cristal acousto-optique (PO1, P02, P03). 2. Procédé selon la revendication 1, 25 caractérisé en ce que le susdit cristal acousto-optique (PO1, P02, P03) fait partie des classes cristallines tétragonales 422, 4/mmm, et 4/2m. 3. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le susdit cristal acousto-optique (PO1) est du dioxyde de 30 Tellure (TeO2). 2943433 - 14 - 4. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le susdit cristal acousto-optique (PO2) est du Calomel (Hg2C12). 5 5. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le susdit cristal acousto-optique (PO3) est du KDP. 6. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes à la réalisation d'extenseurs des lasers à dérive de fréquence. 7. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes à la réalisation d'analyseurs de spectre à filtres acousto-optiques AOTF. 15 8. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes à la réalisation de générateurs d'impulsions lumineuses brèves multiples d'espacements temporels réglables. 9. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 20 destiné au filtrage acousto-optique de grande longueur d'interaction optique et acoustique, caractérisé en ce que les susdites faces réfléchissantes (AB, BC, CD, DE, EA) comprennent des couches minces diélectriques ou des films minces métalliques. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le susdit transducteur piézo-électrique (T1, T2, T3) destiné à générer une onde acoustique transversale est un transducteur soudé sur une face (FA, CD) du cristal acousto-optique biréfringent (PO1, PO2, PO3). 10