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Auteur(s)
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Jacques SAPRIEL : Docteur ès Sciences - Ingénieur en Chef à France Télécom - Centre National d’Études des Télécommunications de Bagneux
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Lire l’articleINTRODUCTION
L’étude du phénomène d’interaction de la lumière avec les ondes acoustiques, ainsi que son implication dans des dispositifs variés (tels que les modulateurs et déflecteurs de lumière, filtres accordables et analyseurs de spectres, dispositifs divers de traitement du signal), a donné naissance à une science nouvelle : l’acousto-optique. Cette dernière a bénéficié, d’une part, des progrès constants des techniques de production des ultrasons à l’aide de transducteurs piézoélectriques de fréquences de plus en plus élevées, à larges bandes et à faibles pertes de conversion électromécanique, et, d’autre part, de l’évolution des techniques de croissance de cristaux ayant des propriétés acousto-optiques intéressantes (facteurs de mérite acousto-optique élevés et atténuation acoustique raisonnable). L’acousto-optique aura surtout connu un développement spectaculaire lors de l’avènement du laser dans les années soixante. Elle constitue, en effet, une méthode souple et élégante pour caractériser le champ ultrasonore point par point, ainsi que pour manipuler les faisceaux lasers, dont les sources se sont multipliées depuis quelques années.
Le phénomène d’interaction de la lumière avec les ondes acoustiques a été prévu par le physicien français Léon Brillouin en 1922. C’est seulement dix ans après qu’apparaissent les premières expériences traitant du couplage de la lumière et des ultrasons, simultanément aux États-Unis (Debye et Sears) et en France (Lucas et Biquard). Le traitement le plus général du phénomène d’interaction de la lumière avec les ondes acoustiques est assez ardu et nécessite de nombreux développements mathématiques qui peuvent paraître fastidieux au néophyte. Heureusement, sous certaines conditions, propres aux situations expérimentales les plus usuelles, les résultats peuvent s’exprimer sous forme d’expressions analytiques simples, auxquelles nous ferons exclusivement appel par la suite.
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- Version courante de oct. 2020 par Jean-Claude KASTELIK, Vincent LAUDE
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Applications de l’acousto-optique1. Interaction de la lumière avec un faisceau d’ultrasons
Considérons une onde lumineuse se propageant dans un matériau transparent pour les photons. Envoyons dans ce même matériau un faisceau d’ultrasons. Celui-ci va modifier les propriétés optiques du milieu lors de son passage. Cette modification, due aux déformations mécaniques induites par l’onde acoustique, est une conséquence de l’effet photoélastique. Plus précisément, on obtiendra une variation périodique de l’indice n de réfraction du matériau, de même période que celle de l’onde acoustique, qui se comportera comme un réseau par rapport à l’onde lumineuse. Sous certaines conditions, que nous définirons par la suite, celui‐ci pourra diffracter efficacement la lumière dans une (ou plusieurs) direction(s).
L’onde acoustique peut être une onde de vibration, due à l’agitation thermique. Dans ce cas, on a affaire aux phonons, particules élémentaires (bosons) du matériau, qui se propagent dans toutes les directions et à toutes les fréquences. L’interaction de la lumière avec les phonons thermiques donne lieu à la diffusion Brillouin, qui est surtout une méthode spectroscopique d’investigation des matériaux. La diffusion Brillouin est un phénomène de faible intensité, de dix ordres de grandeur inférieure à celle produite par l’interaction de la lumière avec les ultrasons. Son traitement n’entre pas dans le cadre de cet exposé.
Les ultrasons, par contre, sont des ondes acoustiques, comparativement de forte amplitude, créées artificiellement par des transducteurs, le plus souvent piézoélectriques, excités électriquement et dont la fréquence dépasse exceptionnellement quelques gigahertz. Pour une introduction concernant la production et la propagation des ultrasons, le lecteur pourra se reporter à l’article Ultrasons [E 1 910] du présent traité.
1.1 Concepts de base du phénomène d’interaction
Dans tout ce qui va suivre, lumière et ultrasons seront définis dans le milieu d’interaction par des ondes planes et sinusoïdales, de longueur d’ondes λ /n et λa respectivement ; n est l’indice de réfraction ; λa = v /f pour l’onde acoustique de fréquence...
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Interaction de la lumière avec un faisceau d’ultrasons
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SAPRIEL (J.) - L’acousto-optique. - Monographie de physique. Masson (1976). Présente de manière succincte les différents aspects du sujet : physique fondamentale, matériaux et applications. Pour une introduction dans le domaine. Paru également en langue anglaise chez Wiley 1979 sous le titre « Acousto-optics ».
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(2) - ROSENBAUM (J.F.) - Bulk acoustic wave theory and devices. - Artech House (1988). Traite de l’acoustique et de l’acousto-optique de volume uniquement.
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(3) - KORPEL (A.) - Acousto-optics. - Marcel Dekker (1988). Surtout centré sur l’aspect fondamental. Contient également une partie historique bien documentée sur le sujet.
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(4) - GOUTZOULIS (A.P.), PAPE (D.R.) - Design and fabrication of acousto-optic devices. - Marcel Dekker (1994). Complète KORPEL (A.) - Acousto-optics.. Ne contient cependant aucune mention à l’acousto-optique intégrée.
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(5) - TSAI (C.S.) - Guided-wave acousto-optics. - Springer-Verlag (1990) Ouvrage spécialisé sur l’intégration...
SELB (J.) - Source virtuelle acousto-optique pour l’imagerie des milieux diffusants. - Paris Sud 2002.
SAKKOUR (A.) - Conception et réalisation d’un séparateur acousto-optique de polarisation. - Valenciennes et Hainaut-Cambrésis 2002.
SAINTE-ROSE (F.) - Modulateur acousto-optique à puits quantiques : étude théorique et expérimentale. - Valenciennes et Hainaut-Cambrésis 2001.
MÉVEL (Y.) - Étude d’une cellule acousto-optique à multi-transducteurs : application à un dispositif de commutation de paquets optiques. - Valenciennes et Hainaut-Cambrésis 2001.
HAUT DE PAGE2 Écoles spécialisées en acoustique et en acousto-optique
Tous les 3 ans a lieu à Erice (Sicile) un cours pour chercheurs spécialisés et étudiants avancés à l’occasion de « International School on Physical Acoustics ». Le 4e cours (3-10 octobre 1991) de cette école, intitulé Acoustic Sensing and Probing, a été publié par World Scientific (Éditeur Alippi) et traite également d’acousto-optique.
Tous les 3 ans a lieu en Pologne sous l’impulsion de l’université de Gdansk (Prof. A. Sliwinski) une école de printemps d’une durée d’une semaine sur l’acousto-optique et ses applications. Les communications présentées lors de la 5e et dernière session (mai 1992) ont été publiées dans la revue SPIE (Proceedings Series...
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