Généralités sur l’interaction acousto-optique

 Généralités sur l’interaction acousto-optique 

Le principe physique de l’acousto-optique repose sur l’interaction entre un faisceau lumineux (généralement une source laser) et une onde ultrasonore générée par un transducteur piézoélectrique. Ces interactions sont créées au sein d’un cristal présentant des propriétés photo-élastiques tel que le Quartz, la Silice (SiO2), le Niobate de Lithium (LiNBO3) ou la Paratellurite (TeO2,). La propagation d’ondes ultrasonores dans ce type de milieu modifie ses propriétés optiques : la propagation d’une onde ultrasonore sinusoïdale entraine une variation périodique de l’indice de réfringence optique du cristal, amenant à la création d’un « réseau de diffraction ».

Classiquement, un composant acousto-optique (Figure 1.1) est composé d’un cristal dont les faces optiques d’entrée et de sortie bénéficient d’un traitement antireflet pour réduire les pertes optiques aux interfaces. Sur la face acoustique se trouve le transducteur piézoélectrique et les électrodes permettant son excitation. Différentes couches d’adaptation mécanique sont interposées entre le transducteur et le cristal afin de faciliter le couplage des ondes ultrasonores dans le cristal d’interaction. Les électrodes du transducteur sont reliées à un circuit d’adaptation d’impédance (typiquement sous 50 Ω) lui-même connecté au générateur de fréquence RF. Au delà de la zone d’interaction, les ondes acoustiques sont atténuées par un absorbeur acoustique. Le support sur lequel repose le cristal d’interaction permet d’évacuer les échauffements thermiques induits par les ondes acoustiques. Dans le cas de fortes puissances acoustiques, des mécanismes de refroidissement à eau ou air sont adjoints au système afin de réguler la température du cristal d’interaction.

Lors de la conception d’un composant acousto-optique et suivant la fonction requise, différents paramètres sont à prendre en compte tels que : le matériau utilisé, l’orientation des faces optiques et acoustiques, le type d’ondes acoustiques générées, l’épaisseur, la longueur et la hauteur du transducteur, la polarisation des faisceaux optiques incident et diffracté, le régime d’interaction souhaité, etc…

Les différents régimes d’interactions 

Dans la littérature, on distingue principalement deux régimes d’interactions: le régime de Raman-Nath et le régime de Bragg, le premier correspondant à la théorie des réseaux minces et le deuxième à la théorie des réseaux épais [11]. Le critère de Klein-Cook permet de séparer ces deux régimes. Le régime de Bragg est le plus utilisé dans la pratique car il donne lieu à un seul faisceau diffracté. On peut citer également le cas d’interactions en régime intermédiaire [12].

Régime de Raman-Nath

La génération d’ondes ultrasonores par le transducteur piézo-électrique crée au sein du milieu d’interaction une colonne acoustique. La longueur de l’électrode supérieure détermine l’épaisseur de la colonne acoustique (suivant la direction de propagation du faisceau optique). Dans le cas d’une onde acoustique longitudinale, la propagation d’une onde ultrasonore déforme la maille cristalline du milieu, avec des zones de compressions et de décompressions. Ces déformations élastiques se traduisent alors par une modulation de l’indice optique du matériau créant un réseau de diffraction mobile. Le régime de Raman-Nath s’établit lorsque l’épaisseur de la colonne acoustique est faible, comme explicité ci-après. Le faisceau optique incident est diffracté en une multitude d’ordres .

Régime de Bragg 

Le régime de Bragg correspond à un réseau de diffraction de type épais avec un paramètre de Klein-Cook Y > 10. En choisissant correctement l’angle d’incidence du faisceau optique incident, noté θb, il est possible d’obtenir en sortie du composant un seul faisceau diffracté (Figure 1.3). Le régime de Bragg peut être vu comme un empilement de réseaux minces. L’empilement de ces différents réseaux conduit à des interférences destructives pour les ordres de diffraction supérieurs. En sortie du réseau, seul l’ordre 1 interfère de manière constructive.

Décaleur de fréquence optique : AOFS

Les décaleurs de fréquence AOFS (Acousto-Optical Frequency Shifter) trouvent leur principales applications dans les systèmes d’interférométrie et d’hétérodynage telles que la vibrométrie et la vélocimétrie Doppler [19], [20], [21], la tomographie optique (OCT : optical coherence tomography [22], [23], [24], [25], [26]), l’holographie [27], [28], la spectroscopie [29], [30], les communications optiques [31], le refroidissement d’atomes, les horloges atomiques [32].

Paramètres caractéristiques 

La fonction “décalage de fréquence” est due au principe physique de la diffraction et à l’équation de conservation de l’énergie [33]. Cette fonction est donc présente dans tout type d’interaction, aussi bien isotrope qu’anisotrope. Suivant la direction de propagation de l’onde ultrasonore, le décalage de fréquence du faisceau optique diffracté correspondra à + F (configuration up-shift) ou à -F (configuration down shift), F étant la fréquence RF appliquée dans le transducteur piézo-électrique. Selon le type de configuration (matériau utilisé, longueur d’onde optique), la gamme de fréquences acoustiques usuelles varie entre 20 et 250 MHz. Des dispositifs en cascade sont disponibles pour les applications nécessitant un décalage en fréquence inférieur ou supérieur à cette plage usuelle .

Exemple d’application : la vibrométrie laser 

La vibrométrie laser est une technique non-invasive développée depuis les années 60 avec l’avènement du laser qui permet de réaliser des mesures de vitesses et de déplacements sans contact [38]. Il existe différents types de vibromètres Laser permettant d’adresser la cible à tester en deux, voire trois dimensions. Ces systèmes utilisent l’effet Doppler (glissement de fréquence) : lorsqu’une onde lumineuse monochromatique de fréquence ν0 rencontre une surface mobile, la fréquence instantanée de l’onde réfléchie (rétro-diffusée) est décalée de δf Nous nous intéressons ici au cas simple d’un vibromètre mono-point permettant la détection de vitesse et de déplacement orthogonale au plan d’une surface mobile (vitesse ‘hors plan’).

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1: Applications des composants acousto-optiques
1 Généralités sur l’interaction acousto-optique
1.1 Les différents régimes d’interactions
1.2 Polarisation des faisceaux optiques
2 Décaleur de fréquence optique : AOFS
2.1 Paramètres caractéristiques
2.2 Dispositif originaux de décalage en fréquence
2.3 Exemple d’application : la vibrométrie laser
3 Modulateur acousto-optique : AOM
3.1 Paramètres caractéristiques
3.2 Modulateur intra cavité : le Q-switch
3.3 Exemple d’application : le pulse picker
4 Déflecteur acousto-optique : AOD
4.1 Paramètres caractéristiques
4.2 Un exemple d’application : la projection de franges
5 Filtre acousto-optique : AOTF
5.1 Différentes configurations d’un filtre
5.2 Application des AOTF en microscopie confocale
5.3 Application des AOTF en imagerie polarimétrique et hyper-spectrale
6 Conclusion
Chapitre 2: Étude théorique de l’interaction anisotrope dans la Paratellurite
1 Propagation acoustique
1.1 Détermination des surfaces de lenteurs
1.2 Oblicité acoustique
1.3 Divergence acoustique
1.4 Notion de champ proche – champ lointain
2 Propagation optique
2.1 Biréfringence linéaire
2.2 Biréfringence circulaire : activité optique
3 Couplage acousto-optique
3.1 Tenseur photo-élastique
3.2 Recherche des conditions de synchronisme
3.3 Asynchronisme de phase
3.4 Rediffraction à l’ordre 2
4 Conclusion
Chapitre 3: Cas d’interactions anisotropes particulières : application aux déflecteurs et aux filtres
1 Conception d’un déflecteur
1.1 Interaction TPM (Tangent Phase Matching)
1.2 Calcul de la bande passante fréquentielle d’un AOD
1.3 Acceptance angulaire d’un AOD
2 Nouvelle fonction originale associée à un déflecteur : étude de sa bande passante
spectrale
2.1 Recherche des conditions de synchronisme sur une large bande optique
2.2 Mise en place de l’expérience
2.3 Comparaison des résultats expérimentaux et numériques
2.4 Interprétations et perspectives
3 Conception d’un filtre
3.1 Interaction NPM (Narrow Phase Matching)
3.2 Étude de l’acceptance angulaire d’un AOTF
3.3 Étude de la bande passante fréquentielle d’un AOTF
3.4 Étude de la bande passante spectrale
4 Réalisation d’un décaleur de fréquence variable par association d’un AOD et d’un
AOTF
4.1 Principe de l’expérience
4.2 Dispositif expérimental
4.3 Résultats expérimentaux
5 Conclusion
Chapitre 4: Élaboration d’un composant multi-électrodes à interaction double
1 Solutions apportées par la configuration multi-électrodes à interaction double
1.1 Principe de l’interaction double
1.2 Modification de la longueur d’interaction
1.3 Apodisation de la réponse acousto-optique
2 Choix des principales caractéristiques du composant:
2.1 Interaction double
2.2 Choix de la coupe acoustique
2.3 Choix de la longueur des électrodes
2.4 Acceptance angulaire de l’interaction double
2.5 Caractéristiques de conception retenues
3 Tests et validations du composant
3.1 Dispositif expérimental
3.2 Étude fréquentielle
4 Conclusion
Conclusion générale

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