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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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4. Glossaire
effet photoélastique ; photoelastic effect
Modulation spatiale et temporelle des propriétés diélectriques d’un matériau transparent causée par le passage d’une onde élastique ou acoustique ; c’est un effet de volume.
interaction anisotrope ; anisotropic interaction
Interaction pour laquelle la polarisation de l’onde lumineuse diffractée est orthogonale à la polarisation lumineuse incidente. Cette configuration est obtenue lorsque la polarisation de l’onde élastique est transversale.
diagramme des vecteurs d’onde ; wave-vector diagram
Représentation géométrique de l’interaction à partir des vecteurs d’onde lumineux et acoustique, permettant de déterminer les conditions de synchronisme : directions de propagation des ondes lumineuses et acoustique, fréquence d’onde acoustique, angle de diffraction.
rendement de diffraction ; diffraction efficiency
Rapport de l’énergie lumineuse diffractée en sortie de la zone d’interaction à l’énergie lumineuse incidente à l’entrée, dans le cas d’une interaction à un seul ordre diffracté.
asynchronisme de phase ; phase mismatch
Paramètre permettant de déterminer l’écart ou la tolérance de l’interaction par rapport aux conditions strictes de synchronisme, très utile pour la détermination du rendement de diffraction, de la bande passante, de la sélectivité spectrale et de l’acceptance angulaire.
facteur de mérite M2 ; figure of merit M 2
Paramètre caractéristique du matériau acousto-optique. La puissance acoustique nécessaire pour diffracter la lumière sera d’autant plus faible que le facteur de mérite sera élevé. Cet outil est particulièrement utile pour établir une comparaison entre les différents matériaux.
déflecteur ou déviateur acousto-optique ; acousto-optic deflector
Dispositif acousto-optique permettant de dévier le faisceau lumineux d’un angle proportionnel à la fréquence de l’onde élastique.
filtre acousto-optique accordable ; acouto-optic tunable filter
Dispositif acousto-optique permettant de filtrer une bande de fréquence optique de façon accordable par diffraction d’un faisceau optique incident.
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Glossaire
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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Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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