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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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Acousto-optics refers to the diffraction of light by acoustic waves. Acousto-optical devices are generally designed around a transparent solid supporting the propagation of elastic waves at frequencies ranging from a few tens of MHz to a few GHz. Elastic waves are generated by a transducer driven by an electronic source delivering a RF power of the order of a few watts. The frequency and the direction of an incident light beam are modified as a result of the photoelastic effect. The present article introduces the theoretical and practical bases of acousto-optics, the properties of materials employed, and devices fabricated from them.
Auteur(s)
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Jean-Claude KASTELIK : Professeur des universités, Ingénieur ISEN - IEMN, Université Polytechnique Hauts-de-France et CNRS, Valenciennes, France
-
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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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
filtering | modulation | acousto-optical effect | deflection
VERSIONS
- Version archivée 1 de sept. 1995 par Jacques SAPRIEL
DOI (Digital Object Identifier)
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3. Conclusion
L’acousto-optique de volume que nous venons de décrire s’appuie sur des technologies matures, fiables et bien comprises. Il n’est pas rare dans la pratique de pouvoir utiliser des composants âgés de plusieurs dizaines d’années et qui fonctionnent encore de façon satisfaisante. La paratellurite est en quelque sorte le matériau « miracle » à l’origine du développement industriel des composants acousto-optiques depuis la fin du XXe siècle ; ses propriétés acousto-optiques sont exceptionnelles, la croissance du cristal est bien maîtrisée et les cristaux obtenus sont souvent d’excellente qualité optique. Pour les transducteurs d’ondes de volume élastiques, dont nous avons peu parlé, le matériau phare est le niobate de lithium. C’est un cristal piézoélectrique présentant de forts coefficients de couplage électromécanique, transparent sur un spectre optique large et compatible avec les radio-fréquences. Globalement, les technologies de fabrication sont matures, pour la croissance et l’orientation des cristaux, leur polissage, les traitements antireflets, le report des transducteurs, ou encore l’adaptation d’impédance mécanique et électrique.
Le composant acousto-optique de volume, en tant que structure solide monolithique, est parfaitement adapté au traitement accordable et à la modulation des faisceaux laser de tous types (lasers état solide, à gaz, à semi-conducteurs, etc.), le plus souvent en espace libre ou dans une cavité laser étendue. Le problème de l’intégration système a depuis longtemps été réfléchi par les constructeurs, qui proposent des dispositifs électroniques de commande adaptés aux systèmes acousto-optiques (électronique numérique, synthétiseurs de fréquence stables et précis, photodétection et traitement du signal associé). Des composants directement fibrés sont également disponibles.
Concernant les perspectives, il existe paradoxalement assez peu d’études complètes de l’évolution des champs d’ondes élastiques au cours de leur propagation dans un cristal anisotrope. En effet, l’obliquité et la divergence sont fortes dans un matériau comme la paratellurite, ce qui conduit à une forte dispersion spatiale de la vitesse de groupe (ou vitesse d’énergie) ; le modèle implicite d’une colonne acoustique parfaitement rectangulaire, qui sous-tend les formules données dans cet article ne peut être qu’au mieux approximatif...
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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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