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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)
-
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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2. Composants acousto-optiques
2.1 Classification des composants acousto-optiques
Les propriétés de l’interaction acousto-optique se traduisent dans la pratique par la conception et la réalisation de composants efficaces pour les fonctions optiques suivantes : modulation d’intensité, déflection et filtrage. De plus, dans tous les cas, l’onde diffractée est affectée d’un décalage de fréquence, positif ou négatif suivant le sens de propagation, égal à la fréquence de l’onde élastique. Le principe de fonctionnement d’un composant acousto-optique à un seul ordre diffracté est donné à la figure 14.
Une onde incidente lumineuse monochromatique (longueur d’onde λ 0, fréquence ν 0, divergence δθ opt) converge dans la zone d’interaction avec un diamètre D. L’interaction avec l’onde élastique (fréquence f 0, divergence δθ ac) produit un faisceau diffracté décalé fréquentiellement de f 0 (ou l’opposé si l’onde élastique se propage dans une direction opposée) avec un angle de déviation égal à λ 0 f 0/V. On peut alors classer les dispositifs acousto-optiques en trois grandes familles : les modulateurs d’intensité lumineuse, les déflecteurs pour contrôler l’angle de déviation de la lumière et les filtres accordables pour dévier une composante spectrale du faisceau lumineux incident (tableau 3). La distinction entre ces 3 types de fonctions optiques contrôlées par l’amplitude et la fréquence de l’onde élastique s’effectue en introduisant le paramètre a, qui est le rapport de la divergence optique δθ opt à celle de l’onde ultrasonore δθ ac
( 64 )
La divergence optique est inversement proportionnelle à la dimension du faisceau et proportionnelle à la longueur d’onde à un facteur de forme près. Ainsi, il est d’usage de considérer la divergence optique dans le matériau (indice n)...
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Composants acousto-optiques
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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