Brevet FR3077891A1 — publié le 20190816

Oscillateur paramétrique phononique Le domaine de l'invention est celui des émetteurs d'impulsions acoustiques à très hautes fréquences, typiquement de plusieurs dizaines de gigahertz, voire de plusieurs centaines de gigahertz. Pour ces applications, la durée des impulsions acoustiques est typiquement de l'ordre de la picoseconde. De telles sources acoustiques à très haute fréquence ont différentes applications. On citera notamment la métrologie des couches minces, la microscopie acoustique ou encore la réalisation de sources ou de dispositifs phononiques, dans lesquels les phonons ont le même rôle que les électrons en électronique. La gamme de fréquences atteintes est au-delà de ce qui est techniquement possible de réaliser avec les techniques traditionnelles de l'acoustique physique comme, par exemple, la transduction piézo-électrique. Il existe cependant différentes techniques pour réaliser ces impulsions. A titre de premier exemple, la publication intitulée « A self- stabilized coherent phonon source driven by optical forces », D. Navarro- Urrios et al., scientific reports 5, n°15733, 2015 décrit la réalisation d'un « laser à phonons » mettant en oeuvre un cristal opto-mécanique combinant des propriétés optiques photoniques et acoustiques. Cependant, la gamme de fréquences atteintes reste limitée à 100 mégahertz. A titre de second exemple, la publication intitulée « A source of terahertz coherent phonons », Sergio S. Makler et al., Journal of Physics : Condensed Matter, vol 10, n°26 décrit la possibilité de réaliser un laser acoustique ou « SASER », acronyme de « Sound Amplification by Stimulated Emission of Radiation » avec une technologie proche de celle des lasers à cascades quantiques : l'émission d'un photon à chaque transition dans la structure est remplacée par l'émission d'un phonon optique qui se subdivise ensuite en un phonon optique et un phonon acoustique. Enfin, la technique couramment utilisée pour atteindre ces fréquences et ces durées d'impulsions est obtenue par la technique dite « acoustique picoseconde ». Les impulsions acoustiques sont générées par des impulsions laser focalisées sur un matériau ou une couche de matériau absorbant. Ces impulsions génèrent un échauffement brutal du matériau qui provoque sa dilatation et la génération d'une impulsion acoustique de faible 2 durée. Dans ce domaine, on citera, comme exemple d'application, le brevet US 7 624 640 de Maris et al. intitulé « Opto-acoustic methods and apparatus for performing high resolution acoustic imaging and other sample probing and modification operations ». Ce brevet décrit la réalisation d'un microscope 5 acoustique à très haute fréquence. Comme il a été dit, une des contraintes majeures de ce type d'émetteurs est d'obtenir des impulsions les plus brèves possibles. Une seconde contrainte est d'obtenir des impulsions acoustiques ayant une 10 certaine énergie sans augmenter de façon trop importante l'énergie des impulsions laser de façon que l'émetteur conserve un encombrement raisonnable. L'oscillateur paramétrique selon l'invention permet d'obtenir des impulsions acoustiques à la fois brèves et intenses sans augmenter la puissance laser nécessaire. Il consiste à créer une cavité acoustique dont les 15 paramètres acoustiques sont adaptés à la durée des impulsions laser. Plus précisément, l'invention a pour objet un oscillateur paramétrique phononique comportant un laser d'émission périodique d'impulsions optiques brèves, un ensemble de génération d'impulsions acoustiques et un milieu de couplage des impulsions acoustiques avec un objet, l'ensemble de génération zo d'impulsions acoustiques comportant une face d'entrée, une face de sortie, un milieu de conversion des impulsions optiques brèves en impulsions acoustiques et un milieu de propagation desdites impulsions acoustiques, les faces d'entrée et de sortie étant réfléchissantes aux impulsions acoustiques, le milieu de propagation ayant une épaisseur déterminée, la face de sortie 25 étant au contact avec le milieu de couplage, caractérisé en ce que le temps d'aller-retour d'une impulsion acoustique par réflexion sur les faces d'entrée et de sortie, est égal à la période d'émission du laser, de façon que l'impulsion acoustique réfléchie soit en phase avec l'impulsion acoustique suivante. 30 Avantageusement, l'ensemble de génération d'impulsions acoustiques comporte, dans cet ordre, la face d'entrée, le milieu de conversion, le milieu de propagation et la face de sortie. Avantageusement, l'ensemble de génération d'impulsions acoustiques comporte, dans cet ordre, la face d'entrée, le milieu de 35 propagation, le milieu de conversion et la face de sortie. Avantageusement, le milieu de conversion et le milieu de propagation sont réalisés sur un seul et même substrat, le milieu de conversion étant implanté sur une des faces du milieu de propagation. 3 Avantageusement, le milieu de conversion et le milieu de propagation sont réalisés sur un seul et même substrat, le milieu de conversion étant implanté à l'intérieur du milieu de propagation. Avantageusement, l'oscillateur comporte des moyens 5 d'ajustement de la période du laser d'émission. Avantageusement, l'oscillateur comporte des moyens électriques ou magnétiques ou thermiques d'ajustement de la vitesse de propagation des impulsions acoustiques dans le milieu de propagation. Avantageusement, l'épaisseur du milieu de propagation est 10 variable selon un axe perpendiculaire à la direction de propagation des impulsions acoustiques. Avantageusement, les coefficients de réflexion acoustique de la face d'entrée et de la face de sortie sont supérieurs ou égaux à 90%. Avantageusement, le laser d'émission est un laser dit 15 « femtoseconde » émettant dans une gamme spectrale comprise entre 680 nanomètres et 1070 nanomètres, sa période étant de 12.5 nanosecondes et la durée des impulsions optiques étant de 100 femtosecondes. Avantageusement, le laser d'émission est un laser dit « femtoseconde » émettant dans une gamme spectrale comprise entre 750 zo nanomètres et 900 nanomètres, sa période étant de 1 nanoseconde et la durée des impulsions optiques étant de 100 femtosecondes. Avantageusement, le milieu de conversion est un milieu absorbant des impulsions optiques. Avantageusement, le milieu de conversion est un milieu semi- 25 conducteur ou à boîtes quantiques. Avantageusement, le milieu de propagation est du silicium ou du diamant ou du carbure de silicium ou du saphir. Avantageusement, le milieu de couplage est un liquide. 30 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 représente un oscillateur paramétrique optique selon l'art antérieur ; 35 La figure 2 représente le synoptique général d'un oscillateur paramétrique phononique selon l'invention ; La figure 3 représente le principe de fonctionnement de la cavité acoustique selon l'invention ; 4 La figure 4 représente une première variante de réalisation d'un oscillateur paramétrique phononique selon l'invention ; La figure 5 représente une seconde variante de réalisation d'un oscillateur paramétrique phononique selon l'invention ; 5 La figure 6 représente une variante de réalisation du milieu de propagation de l'oscillateur paramétrique. L'oscillateur paramétrique phononique selon l'invention s'inspire du fonctionnement des oscillateurs paramétriques optiques qui sont mis en 10 oeuvre dans un tout autre domaine technique. Un oscillateur paramétrique optique est représenté sur la figure 1. Il comporte un laser 1 d'émission d'impulsions optiques ultra-courtes et périodiques, un cristal non-linéaire 2 et une cavité laser composée de deux miroirs 3 et 4. Les impulsions laser IL sont représentées en blanc sur la 15 figure 1, elles ont une durée de l'ordre de quelques centaines de femtosecondes, chaque impulsion est séparée de la suivante d'une période correspondant à la fréquence de répétition du laser à impulsions. Ces impulsions laser sont focalisées dans le cristal non linéaire où elles sont converties en deux impulsions optiques 10 de plus basse énergie. Ces 20 impulsions optiques sont représentées en gris sur la figure 1. Les miroirs de la cavité sont conçus pour réfléchir très efficacement l'une ou les deux impulsions optiques ainsi générées. La longueur L de la cavité est réglable de façon à être exactement accordée au taux de répétition du laser d'émission. Ainsi, une première 25 impulsion laser est convertie en deux nouvelles impulsions optiques lesquelles font un aller-retour dans la cavité pendant un temps égal au temps séparant cette première impulsion laser de la suivante. Quand l'impulsion suivante atteint le cristal non linéaire, les impulsions optiques y arrivent également et la nouvelle conversion s'additionne à la première. Ainsi, 30 s'établit un régime dans lequel chaque impulsion laser est convertie en une ou deux impulsions optiques d'énergie inférieure. La durée de l'impulsion est conservée de sorte que l'oscillateur paramétrique optique est équivalent à une source femtoseconde émettant dans une nouvelle gamme de longueurs d'onde. 35 L'oscillateur paramétrique phononique selon l'invention fonctionne selon des principes voisins mais appliqué au domaine de la phononique. De façon générale, il comporte un laser d'émission périodique d'impulsions optiques brèves, un ensemble de génération d'impulsions acoustiques et un 5 milieu de couplage des impulsions acoustiques avec un objet, l'ensemble de génération d'impulsions acoustiques comportant une face d'entrée, une face de sortie, un milieu de conversion des impulsions optiques brèves en impulsions acoustiques et un milieu de propagation desdites impulsions 5 acoustiques, les faces d'entrée et de sortie étant réfléchissantes aux impulsions acoustiques, le milieu de propagation ayant une épaisseur déterminée, la face de sortie étant au contact avec le milieu de couplage. Le temps d'aller-retour d'une impulsion acoustique par réflexion sur les faces d'entrée et de sortie, est égal à la période d'émission du laser, de façon que 10 l'impulsion acoustique réfléchie soit en phase avec l'impulsion acoustique suivante. La figure 2 représente un premier exemple de réalisation d'un oscillateur selon l'invention. Il comporte, dans cet ordre, un laser 10 d'émission périodique d'impulsions optiques IL brèves représentées par des 15 pics sur la figure 2, un milieu de conversion 11 desdites impulsions optiques IL en impulsions acoustiques IA représentées par des sinusoïdes sur la figure 2, un milieu de propagation 12 desdites impulsions acoustiques et un milieu de couplage 13 desdites impulsions acoustiques avec un objet 0 à étudier. Les impulsions laser IL ont une durée de l'ordre de quelques 20 dizaines de femtosecondes à quelques centaines de femtosecondes, chaque impulsion est séparée de la suivante d'une période t correspondant à la fréquence de répétition du laser à impulsions. A titre de premier exemple, le laser d'émission est un laser dit « femtoseconde » émettant dans une gamme spectrale comprise entre 680 25 nanomètres et 1070 nanomètres, sa période étant de 12.5 nanosecondes et la durée des impulsions optiques étant de 100 femtosecondes. A titre de second exemple, le laser d'émission est un laser femtoseconde émettant dans une gamme spectrale comprise entre 750 nanomètres et 900 nanomètres, sa période étant de 1 nanoseconde et la durée des impulsions 30 optiques étant de 100 femtosecondes. Le laser est focalisé à l'intérieur du milieu de conversion. Typiquement, le diamètre de la tache de focalisation est de l'ordre de 10 jim ou de quelques dizaines de 10 jim. A titre d'exemple, la puissance du laser de pompe du laser impulsionnel est de l'ordre de 100 mW. 35 Le milieu de conversion peut agir par absorption optique puis expansion thermique. On peut utiliser à cette fin une couche métallique. Ce milieu peut également être une structure semi-conductrice à puits quantiques ou boîtes quantiques. Dans cet exemple, la face d'entrée 14 correspond à la 6 face d'entrée du milieu de conversion et est parfaitement réfléchissante aux impulsions acoustiques. Le milieu de propagation comporte une épaisseur d et une face de sortie 15. La face de sortie est au contact avec le milieu de couplage, la face 5 de sortie étant réfléchissante aux impulsions acoustiques. Il existe une façon simple d'obtenir une face d'entrée ou de sortie parfaitement réfléchissante. Il suffit que cette face corresponde à une interface matière/air ou air/matière. A titre d'exemples non limitatifs, le milieu de propagation est du 10 silicium ou du diamant ou du carbure de silicium ou du saphir. Le fonctionnement de cet oscillateur paramétrique phononique est représenté sur la figure 3 qui décrit les étapes importantes du fonctionnement. A un instant TO, une impulsion laser est convertie en impulsion acoustique IA par le milieu de conversion. Une fois l'impulsion 15 acoustique générée, elle se propage dans le milieu de propagation comme représentée sur l'étape 2 de la figure 3. A un instant T égal à TOI-T/2, l'impulsion est réfléchie en partie par la face de sortie 15 et revient sur elle-même, traverse une seconde fois le milieu de propagation et atteint le milieu de conversion à l'instant TO-FT. La partie transmise de l'impulsion acoustique 20 traverse le milieu de couplage et atteint l'objet. Ce milieu de couplage est, par exemple, un liquide. Le temps d'aller-retour, dans le milieu de propagation par réflexion sur la face de sortie, de cette impulsion acoustique est égal à la période d'émission du laser, de façon que l'impulsion acoustique réfléchie soit en 25 phase avec l'impulsion acoustique générée suivante IA' comme représentée sur l'étape 4 de la figure 3. Cette seconde impulsion acoustique est représentée en pointillés sur la figure 3. La face d'entrée 14 étant parfaitement réfléchissante, la première impulsion retraverse le milieu de propagation et de nouveau une partie de cette impulsion est transmise. 30 Il est clair également qu'après un aller-retour, les impulsions doivent être orientées dans le même sens de façon que leurs amplitudes s'ajoutent. Après une réflexion sur une face, il peut y avoir un changement de signe de l'amplitude de l'impulsion. Il est compensé par le même changement de signe par réflexion sur l'autre face. 35 Ainsi, la réflexion sur la surface 15 peut avoir un coefficient de réflexion négatif. Cette condition est remplie dans la majorité des applications, en particulier, lorsque le couplage est réalisé par un liquide qui possède une impédance inférieure à celle d'un solide. Le point important est 7 que la phase de l'onde acoustique soit identique à l'initiale après deux réflexions. Ainsi, l'intensité des impulsions acoustiques transmises au milieu de couplage correspond à la somme des intensités des impulsions en phase 5 ayant fait au moins un aller-retour dans le milieu de propagation. Le gain apporté par l'oscillateur selon l'invention par rapport à un oscillateur où les impulsions acoustiques sont directement émises est important. Son calcul est le suivant. On appelle r l'amplitude du coefficient de réflexion de la face de sortie de la zone de propagation, d la longueur du 10 milieu de propagation et a le coefficient d'atténuation acoustique par unité de longueur dans le milieu de propagation, ce coefficient a augmente avec le carré de la fréquence acoustique. Comme on l'a vu, le coefficient de réflexion r peut être négatif selon le type de réflexion. Ce coefficient décroît avec la température et il est préférable de 15 travailler à basse température, c'est-à-dire pour des températures comprises entre quelques kelvins et quelques dizaines de kelvins. L'atténuation A d'une impulsion acoustique ayant effectuée un aller retour vaut donc : A = r.exp(-2ad) 20 Le G gain apporté par l'oscillateur est égal à la somme des atténuations des impulsions acoustiques ayant fait n allers-retours, n étant un nombre entier ; On peut écrire : G = 1 ± A ± A2 ± A3 ± A4 ± Pour un grand nombre de termes, ce gain vaut classiquement : 25 G = 11(1-A) Ce gain atteint des valeurs élevées si le coefficient de réflexion de la face de sortie est important et si le coefficient d'atténuation acoustique par unité de longueur dans le milieu de propagation est faible ou si l'épaisseur traversée est faible. 30 Le coefficient a augmentant avec le carré de la fréquence acoustique, il est plus facile d'obtenir des gains importants à basse fréquence qu'a haute fréquence. A titre d'exemple, si l'atténuation A est supérieure à 90 %, le gain G dépasse 10. 35 Les deux tableaux ci-dessous donnent des ordres de grandeur des gains obtenus pour quatre types de matériaux, deux fréquences de répétition, deux fréquences acoustiques différentes, différentes épaisseurs et un coefficient de réflexion de 99%. 8 TABLEAU I Fréquence de répétition : 80 MHz Fréquence acoustique : 10 GHz TABLEAU II Fréquence de répétition : 1 GHz Fréquence acoustique : 100 GHz 10 La figure 4 représente un second exemple de réalisation d'un oscillateur selon l'invention. Dans cette réalisation, le milieu de conversion 11 et le milieu de propagation 12 sont réalisés sur un seul et même substrat qui est dopé différemment selon la fonction assurée. Dans cette configuration, 15 comme on le voit sur la figure 4, le milieu de conversion 11 n'est pas nécessairement situé au voisinage d'une des faces du milieu de propagation, mais peut se situer à l'intérieur, au voisinage du centre, par exemple. Ainsi, les impulsions laser traversent tout ou partie du milieu de propagation avant de rencontrer le milieu de conversion. Il suffit que le milieu de propagation 20 soit transparent aux impulsions optiques, ce qui est généralement le cas. Il n'y a pas d'interaction parasite entre les impulsions optiques et les impulsions acoustiques à l'intérieur du milieu de propagation. La figure 5 représente un troisième exemple de réalisation d'un oscillateur selon l'invention. Dans cette réalisation, l'oscillateur comporte, 25 dans cet ordre, un laser 10 d'émission périodique d'impulsions optiques, un milieu de propagation 12, un milieu de conversion 11 des impulsions optiques en impulsions acoustiques et, enfin, le milieu de couplage 13. Là 5 Gain Matériau Epaisseur en gm Silicium 66 52.5 Diamant 82 112.5 87 75 Saphir 78.1 Carbure de silicium 76 Gain Matériau Epaisseur en lm Silicium 20 4.2 Diamant 9 36 6 30 Saphir 6.1 Carbure de silicium 35 9 encore, il suffit que le milieu de propagation soit transparent aux impulsions optiques, ce qui est généralement le cas. Pour obtenir un gain important, il est impératif que l'ensemble des 5 intensités acoustiques qui contribuent à ce gain et qui sont issues de multiples allers retours soient toutes parfaitement en phase. L'épaisseur acoustique de la cavité doit donc être parfaitement ajustée à la fréquence de répétition du laser d'émission. On estime généralement que cet ajustement doit être fait à moins de 1 °A et si possible, à moins de 0.1%. On peut, en 10 prenant des tolérances de construction adéquates, réaliser cet ajustement sans réglages. Mais, les épaisseurs du milieu de propagation étant généralement faibles, il peut se révéler plus intéressant que l'oscillateur comporte des moyens d'ajustement intrinsèques. Plusieurs solutions techniques sont possibles. L'oscillateur peut 15 comporter des moyens d'ajustement de la période du laser d'émission. On peut y parvenir en modifiant légèrement la longueur d'onde d'émission. L'oscillateur peut comporter des moyens électriques ou magnétiques ou thermiques d'ajustement de la vitesse de propagation des impulsions acoustiques dans le milieu de propagation, ces moyens 20 dépendant du type de milieu utilisé. On sait que la vitesse du son est notamment sensible à la température. On peut également mettre en place un milieu de propagation dont l'épaisseur est variable selon un axe perpendiculaire à la direction de propagation des impulsions acoustiques comme représenté en figure 6 où 25 l'épaisseur du milieu de propagation 12 varie entre d et cl-F8d selon l'axe z perpendiculaire à l'axe de propagation x des ondes acoustiques. Il suffit alors pour ajuster le temps d'aller-retour de déplacer le milieu de propagation selon cet axe z jusqu'à obtenir l'accord entre la période des impulsions optiques et le temps d'aller-retour REVENDICATIONS1. Oscillateur paramétrique phononique comportant un laser (10) d'émission périodique d'impulsions optiques (IL) brèves, un ensemble de génération (11, 12) d'impulsions acoustiques (IA) et un milieu de couplage (13) des impulsions acoustiques avec un objet (0), l'ensemble de génération d'impulsions acoustiques comportant une face d'entrée (14), une face de sortie (15), un milieu de conversion (11) des impulsions optiques brèves en impulsions acoustiques et un milieu de propagation (12) desdites impulsions acoustiques, les faces d'entrée et de sortie étant réfléchissantes aux impulsions acoustiques, le milieu de propagation ayant une épaisseur déterminée, la face de sortie étant au contact avec le milieu de couplage, caractérisé en ce que le temps d'aller-retour d'une impulsion acoustique par réflexion sur les faces d'entrée et de sortie, est égal à la période (t) d'émission du laser, de façon que l'impulsion acoustique réfléchie soit en phase avec l'impulsion acoustique suivante. 2. Oscillateur paramétrique phononique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de génération d'impulsions acoustiques comporte, dans cet ordre, la face d'entrée, le milieu de conversion, le milieu de propagation et la face de sortie. 3. Oscillateur paramétrique phononique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de génération d'impulsions acoustiques comporte, dans cet ordre, la face d'entrée, le milieu de propagation, le milieu de conversion et la face de sortie. 4. Oscillateur paramétrique phononique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu de conversion et le milieu de propagation sont réalisés sur un seul et même substrat, le milieu de conversion étant implanté sur une des faces du milieu de propagation. 5. Oscillateur paramétrique phononique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu de conversion et le milieu de propagation sont réalisés sur un seul et même substrat, le milieu de conversion étant implanté à l'intérieur du milieu de propagation. 11 6. Oscillateur paramétrique phononique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'oscillateur comporte des moyens d'ajustement de la période du laser d'émission. 5 7. Oscillateur paramétrique phononique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'oscillateur comporte des moyens électriques ou magnétiques ou thermiques d'ajustement de la vitesse de propagation des impulsions acoustiques dans le milieu de 10 propagation. 8. Oscillateur paramétrique phononique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur du milieu de propagation est variable selon un axe perpendiculaire à la direction de 15 propagation des impulsions acoustiques. 9. Oscillateur paramétrique phononique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les coefficients de réflexion acoustique de la face d'entrée et de la face de sortie sont 20 supérieurs ou égaux à 90%. 10. Oscillateur paramétrique phononique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le laser d'émission est un laser dit « femtoseconde » émettant dans une gamme spectrale comprise 25 entre 680 nanomètres et 1070 nanomètres, sa période étant de 12.5 nanosecondes et la durée des impulsions optiques étant de 100 femtosecondes. 11. Oscillateur paramétrique phononique selon l'une des 30 revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le laser d'émission est un laser dit « femtoseconde » émettant dans une gamme spectrale comprise entre 750 nanomètres et 900 nanomètres, sa période étant de 1 nanoseconde et la durée des impulsions optiques étant de 100 femtosecondes. 35 12. Oscillateur paramétrique phononique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu de conversion est un milieu absorbant des impulsions optiques. 12 13. Oscillateur paramétrique phononique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le milieu de conversion est un milieu semi-conducteur ou à boîtes quantiques. 5 14. Oscillateur paramétrique phononique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu de propagation est du silicium ou du diamant ou du carbure de silicium ou du saphir. 15. Oscillateur paramétrique phononique selon l'une des 10 revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu de couplage est un liquide.