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Jacques SAPRIEL : Docteur ès Sciences - Ingénieur en Chef à France Télécom - Centre National d’Études des Télécommunications de Bagneux
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Lire l’articleINTRODUCTION
L’étude du phénomène d’interaction de la lumière avec les ondes acoustiques, ainsi que son implication dans des dispositifs variés (tels que les modulateurs et déflecteurs de lumière, filtres accordables et analyseurs de spectres, dispositifs divers de traitement du signal), a donné naissance à une science nouvelle : l’acousto-optique. Cette dernière a bénéficié, d’une part, des progrès constants des techniques de production des ultrasons à l’aide de transducteurs piézoélectriques de fréquences de plus en plus élevées, à larges bandes et à faibles pertes de conversion électromécanique, et, d’autre part, de l’évolution des techniques de croissance de cristaux ayant des propriétés acousto-optiques intéressantes (facteurs de mérite acousto-optique élevés et atténuation acoustique raisonnable). L’acousto-optique aura surtout connu un développement spectaculaire lors de l’avènement du laser dans les années soixante. Elle constitue, en effet, une méthode souple et élégante pour caractériser le champ ultrasonore point par point, ainsi que pour manipuler les faisceaux lasers, dont les sources se sont multipliées depuis quelques années.
Le phénomène d’interaction de la lumière avec les ondes acoustiques a été prévu par le physicien français Léon Brillouin en 1922. C’est seulement dix ans après qu’apparaissent les premières expériences traitant du couplage de la lumière et des ultrasons, simultanément aux États-Unis (Debye et Sears) et en France (Lucas et Biquard). Le traitement le plus général du phénomène d’interaction de la lumière avec les ondes acoustiques est assez ardu et nécessite de nombreux développements mathématiques qui peuvent paraître fastidieux au néophyte. Heureusement, sous certaines conditions, propres aux situations expérimentales les plus usuelles, les résultats peuvent s’exprimer sous forme d’expressions analytiques simples, auxquelles nous ferons exclusivement appel par la suite.
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- Version courante de oct. 2020 par Jean-Claude KASTELIK, Vincent LAUDE
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2. Applications de l’acousto-optique
On peut distinguer trois domaines d’application de l’acousto-optique. Tout d’abord, ce phénomène peut être utilisé pour caractériser point par point et en temps réel le faisceau acoustique sur toute son étendue. La méthode est bien plus pratique que le recours traditionnel à de minuscules hydrophones placés en différents points du faisceau, lesquels de toute façon peuvent perturber celui-ci et sont inutilisables à très hautes fréquences ou dans les milieux autres que les fluides. Deuxièmement, l’acousto-optique est une méthode de détermination des propriétés acoustiques et photoélastiques des matériaux, y compris les plus anisotropes d’entre eux. Les vitesses acoustiques mesurées conduisent à la détermination des constantes élastiques et l’on peut ainsi remonter jusqu’aux constantes de force du réseau cristallin responsables de sa cohésion. Au voisinage d’une transition de phase, certaines d’entre elles accusent une diminution sensible (mode mou), pour permettre un réarrangement des atomes du réseau. De même l’atténuation acoustique subit un accroissement au voisinage d’une transition de phase. Enfin, la variation des vitesses et des atténuations en fonction de la fréquence renseigne sur les propriétés d’anharmonicité (couplage phonon-phonon) du matériau. Mais ce qui justifie surtout, l’essor actuel de l’acousto-optique, c’est la grande variété des dispositifs acousto-optiques de déflexion, de modulation et de sélection des longueurs d’ondes lumineuses que l’on peut produire et qui sont actuellement disponibles sur le marché.
2.1 Méthodes d’investigation du faisceau acoustique
La diffraction de la lumière par les différentes régions d’un faisceau acoustique est une excellente façon de sonder le profil de celui-ci. Pour ce faire, on utilise un faisceau lumineux de grand diamètre D qui provoque un éclairement uniforme d’un faisceau acoustique rectangulaire de longueur L dont le profil n’est pas uniforme dans les directions x et y (figure 5). Chaque petit parallélépipède dx dyL entourant les points de coordonnées x et y va émettre, aux faibles indices de modulation ν, un signal proportionnel au carré de l’amplitude de l’onde acoustique en x, y. À l’aide d’une lentille sphérique, on obtient...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SAPRIEL (J.) - L’acousto-optique. - Monographie de physique. Masson (1976). Présente de manière succincte les différents aspects du sujet : physique fondamentale, matériaux et applications. Pour une introduction dans le domaine. Paru également en langue anglaise chez Wiley 1979 sous le titre « Acousto-optics ».
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(2) - ROSENBAUM (J.F.) - Bulk acoustic wave theory and devices. - Artech House (1988). Traite de l’acoustique et de l’acousto-optique de volume uniquement.
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(3) - KORPEL (A.) - Acousto-optics. - Marcel Dekker (1988). Surtout centré sur l’aspect fondamental. Contient également une partie historique bien documentée sur le sujet.
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(4) - GOUTZOULIS (A.P.), PAPE (D.R.) - Design and fabrication of acousto-optic devices. - Marcel Dekker (1994). Complète KORPEL (A.) - Acousto-optics.. Ne contient cependant aucune mention à l’acousto-optique intégrée.
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(5) - TSAI (C.S.) - Guided-wave acousto-optics. - Springer-Verlag (1990) Ouvrage spécialisé sur l’intégration...
SELB (J.) - Source virtuelle acousto-optique pour l’imagerie des milieux diffusants. - Paris Sud 2002.
SAKKOUR (A.) - Conception et réalisation d’un séparateur acousto-optique de polarisation. - Valenciennes et Hainaut-Cambrésis 2002.
SAINTE-ROSE (F.) - Modulateur acousto-optique à puits quantiques : étude théorique et expérimentale. - Valenciennes et Hainaut-Cambrésis 2001.
MÉVEL (Y.) - Étude d’une cellule acousto-optique à multi-transducteurs : application à un dispositif de commutation de paquets optiques. - Valenciennes et Hainaut-Cambrésis 2001.
HAUT DE PAGE2 Écoles spécialisées en acoustique et en acousto-optique
Tous les 3 ans a lieu à Erice (Sicile) un cours pour chercheurs spécialisés et étudiants avancés à l’occasion de « International School on Physical Acoustics ». Le 4e cours (3-10 octobre 1991) de cette école, intitulé Acoustic Sensing and Probing, a été publié par World Scientific (Éditeur Alippi) et traite également d’acousto-optique.
Tous les 3 ans a lieu en Pologne sous l’impulsion de l’université de Gdansk (Prof. A. Sliwinski) une école de printemps d’une durée d’une semaine sur l’acousto-optique et ses applications. Les communications présentées lors de la 5e et dernière session (mai 1992) ont été publiées dans la revue SPIE (Proceedings Series...
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