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RÉSUMÉ
L’acousto-optique exploite le phénomène de diffraction de la lumière par les ondes acoustiques. Les composants acousto-optiques sont généralement construits autour d’un milieu solide transparent qui supporte la propagation d’ondes élastiques pour des fréquences de quelques dizaines de mégahertz à quelques gigahertz. Les ondes élastiques sont générées par un transducteur alimenté par une source électronique délivrant une puissance RF de l’ordre de quelques watts. La fréquence et la direction de la lumière sont modifiées à travers l’effet photoélastique. Cet article introduit les bases théoriques et pratiques de l’acousto-optique, les propriétés des matériaux utilisés et les dispositifs qui en résultent.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Jean-Claude KASTELIK : Professeur des universités, Ingénieur ISEN - IEMN, Université Polytechnique Hauts-de-France et CNRS, Valenciennes, France
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Vincent LAUDE : Directeur de recherche CNRS, Ingénieur École Supérieure d’Optique - Institut FEMTO-ST, - Université de Bourgogne Franche-Comté et CNRS, Besançon, France
INTRODUCTION
L’acousto-optique désigne la science et les techniques par lesquelles une onde acoustique peut être utilisée pour altérer la propagation d’une onde optique. Les composants acousto-optiques de volume décrits dans cet article reçoivent en entrée un signal électrique radio-fréquence qui, par l’intermédiaire d’un transducteur piézoélectrique, permet la génération d’une onde acoustique. Une onde optique incidente, souvent issue d’une source laser, est diffractée par le réseau d’indice accompagnant l’onde acoustique en raison de l’effet photo-élastique. Le rendement de diffraction, qui peut atteindre 100 % sous des conditions optimales, est accompagné d’un décalage de fréquence optique égal à la fréquence acoustique. Les composants acousto-optiques sont couramment utilisés pour réaliser des modulateurs d’intensité ou de phase, des décaleurs de fréquence, des déflecteurs programmables, ou encore des filtres accordables. Le domaine optique couvert va de l’ultra-violet à l’infrarouge moyen, tandis que les fréquences acoustiques sont de l’ordre de quelques dizaines de MHz à quelques GHz, sans autre limite théorique que les pertes de propagation optiques et acoustiques. Cet article présente dans un premier temps les fondamentaux de la modélisation de l’interaction acousto-optique, en se limitant au cas le plus simple de l’interaction d’ondes planes de volume, mais en considérant les effets de l’anisotropie optique et acoustique dans les cristaux communément considérés, notamment la paratellurite. Dans un second temps, une description technique de chacune des grandes classes de dispositifs est présentée : modulateurs, déflecteurs et filtres accordables. Pour chacune de ces applications, les règles de conception essentielles sont explicitées, et les caractéristiques et les limitations sont illustrées par des exemples.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire, ainsi qu’un tableau des symboles utilisés.
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- Version archivée 1 de sept. 1995 par Jacques SAPRIEL
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Composants acousto-optiques
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1. Bases théoriques
1.1 Fondements de l’interaction acousto-optique
La propagation d’une onde élastique ou acoustique dans un milieu transparent, par exemple la succession des contractions et des dilatations mécaniques accompagnant une onde longitudinale, est associée à une variation locale de l’indice de réfraction du matériau. Il en résulte une modulation spatio-temporelle de l’indice et la zone parcourue par l’onde élastique se comporte alors comme un réseau mobile de phase ; c’est l’effet photo-élastique. L’étude mathématique peut être menée suivant deux points de vue complémentaires. Le point de vue classique des ondes conduit à des résultats similaires à celui des réseaux optiques, notamment en ce qui concerne la diffraction des ondes lumineuses. Contrairement aux réseaux fixes, cependant, le réseau mobile se propage à la vitesse de l’onde élastique et induit un décalage de fréquence optique que l’on peut assimiler à l’effet Doppler. Le point de vue quantique consiste à considérer qu’un corpuscule de lumière, le photon, qui interagit avec un corpuscule vibratoire, le phonon acoustique, est diffusé inélastiquement pour donner un autre photon. Les conservations de l’impulsion et de l’énergie lors de l’interaction trouvent leurs parallèles dans les notions classiques d’accord de phase et de décalage de fréquence. Les deux points de vue sont parfaitement compatibles et conduisent aux mêmes résultats. Le point de vue quantique a été utilisé en premier historiquement (voir le premier chapitre de Korpel pour un aperçu historique des évolutions des idées sur le sujet). Le point de vue classique, qui permet d’obtenir des résultats numériques plus aisément, est employé exclusivement dans cet article.
Le schéma de la figure 1 résume les caractéristiques essentielles d’un modulateur acousto-optique. Le milieu d’interaction est généralement un solide, cristallin ou non. À une face plane de ce milieu est collé un transducteur piézoélectrique qui, dans sa version la plus simple, est une plaque mince d’un matériau piézoélectrique...
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Bases théoriques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KORPEL (A.) - Acousto-optics. - CRC Press (1996).
-
(2) - GOUTZOULIS (A.P.), PAPE (D.R.) - Design and fabrication of acousto-optic devices. - New York : M. Dekker (1994).
-
(3) - XU (J.), STROUD (R.) - Acousto-optic devices : principles, design, and applications. - New York : Wiley (1992).
-
(4) - ROYER (D.), DIEULESAINT (E.) - Elastic waves in solids. - New York : Wiley (1999).
-
(5) - AULD (B.A.) - Acoustic Fields and Waves in Solids. - New-York : Wiley (1973).
-
(6) - ROUVAEN (J.M.) et al - On a general treatment of acousto-optic interactions in linear anisotropic crystals. - In : J. Appl. Phys. 50.8, p. 5472-5477 (1979).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
AA Opto-Electronic, France
http://www.aaoptoelectronic.com/
Gooch & Housego, Royaume-Uni
Isomet, Etats-Unis
Brimrose Corporation, Etats-Unis
HAUT DE PAGE1.2 Laboratoires – Bureaux d’études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
Institut d’Électronique et de Microélectronique du Nord IEMN
Franche-Comté Électronique Mécanique Thermique et Optique – Sciences et Technologies FEMTO-ST
HAUT DE PAGE
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