FR2611057A1 - Dispositif acousto-optique utilisant un materiau elastomere systeme de modulation optique et systeme de velocimetrie laser utilisant ce dispositif - Google Patents

Abstract

LE DISPOSITIF, QUI EST PREVU POUR INTERAGIR AVEC UN FAISCEAU LUMINEUX, COMPREND DES MOYENS 12 DE CREATION D'ONDES ACOUSTIQUES ET UN MILIEU 6 DE PROPAGATION DE CES ONDES ACOUSTIQUES, CE MILIEU ETANT TRANSPARENT AU FAISCEAU LUMINEUX. LE MILIEU EST FAIT D'UN ELASTOMERE TRANSPARENT AU FAISCEAU LUMINEUX, DE TRES FAIBLE MODULE D'ELASTICITE ET DE TRES BASSE TEMPERATURE DE TRANSITION VITREUSE. LE SYSTEME DE MODULATION UTILISE UN TEL DISPOSITIF MUNI DE MOYENS DE COMMANDE POUR LA MODULATION DE LUMIERE VISIBLE OU PROCHE INFRAROUGE PROVENANT D'UNE FIBRE MONOMODE OU MULTIMODE, OU RENTRANT DANS UNE TELLE FIBRE. IL EN EST DE MEME POUR LE SYSTEME DE VELOCIMETRIE LASER QUI MESURE LA VITESSE LOCALE D'UN FLUIDE ENTRAINANT DES MICROPARTICULES, PAR ANALYSE DE LA LUMIERE DIFFUSEE PAR CELLES-CI LORSQU'ELLES PASSENT DANS UNE ZONE OU INTERFERENT LES FAISCEAUX DIFFRACTES A L'ORDRE 0 ET A L'ORDRE 1 PAR LE DISPOSITIF.

Description

DISPOSITIF ACOUSTO-OPTIQUE UTILISANT UN MATERIAU ELASTOMERE
SYSTEME DE MODULATION OPTIQUE ET SYSTEME DE VELOCIMETRIE
LASER UTILISANT CE DISPOSITIF
DESCRIPTION
La présente invention concerne un dispositif acoustooptique utilisant un matériau élastomère ainsi qu'un système de modulation optique et un système de vélocimétrie Laser utilisant ce dispositif.

On contact déjà des dispositifs acousto-optiques, prévus pour interagir avec un faisceau lumineux et comprenant chacun :
- des moyens de création d'ondes acoustiques, et
- un milieu de propagation de ces ondes acoustiques, ce milieu étant transparent au faisceau Lumineux.

De tels dispositifs présentent tes inconvénients suivants : à la température ambiante (environ tOOC), la vitesse longitudinale de propagation des ondes acoustiques dans Les différents milieux connus, utilisés dans ces dispositifs, TeO ou
2
PbMoO par exemple, est importante, La vitesse La plus faible
4 étant celle qui correspond à TeO et vaut environ 617 m/s. Il en
2 résulte que pour réaliser par exemple des modulateurs acoustooptiques destinés à fonctionner avec des ondes acoustiques de fréquence égale à quelques mégahertz, il faudrait utiliser des blocs de TeO ou de MbPbO de taille très importante et donc de
2 4 coût extrêmement élevé.

La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents.

Elle a pour objet un dispositif acousto-optique prévu pour interagir avec un faisceau lumineux et comprenant :
- des moyens de création d'ondes acoustiques, et
- un milieu de propagation de ces ondes acoustiques, ce milieu étant transparent au faisceau Lumineux, dispositif caractérisé en ce que le milieu est fait d'un éLastomère transparent au faisceau lumineux, de très faibLe module d'élasticité et de tres basse temperature de transition vitreuse. La lumière du faisceau peut appartenir au domaine visible ou au domaine du proche infrarouge.

Le milieu utilisé dans l'invention permet d'aboutir à des vitesses Longitudinales de propagation des ondes acoustiques très faibles, qui peuvent être de L'ordre de 100 m/s à 200 n/s, ce qui permet de réaliser un déflecteur acousto-optique fonctionnant avec des fréquences acoustiques de L'ordre de quelques mégahertz et admettant un grand nombre de directions séparables, ou un modulateur acousto-optique fonctionnant également avec de telles fréquences acoustiques, ce deflecteur et ce modulateur ayant une taille, un coût et une consommation en courant electrique de commande très faibles, par comparaison avec
Les déflecteurs et modulateurs connus (ladite consommation pouvant être de l'ordre de quelques dizaines de milliwatts au lieu d'un watt environ pour les deflecteurs et modulateurs connus).

Sur la figure 1, on a representé les variations du module d'élasticité E du milieu utilisé dans la presente invention, en fonction de la température T, pour une fréquence F donnée des ondes acoustiques susceptibles de se propager dans ce milieu. Au-dessus d'une certaine température appelée température de transition et notée Tg pour la fréquence donnée, le milieu est dans un état caoutchouteux noté C sur la figure 1 tandis que ce milieu (supposé élastomère non cristallisable) est dans un état vitreux, note V, en-dessous de la température Tg, et donc à basse température (ou à haute fréquence).

Le milieu utilisé dans la presente invention a non seulement un module d'élasticité E très faible, par exemple un module d'élasticité inferieur ou egal à environ lOMPa et de préférence inférieur ou égal à environ 1MPa, mais encore une température de transition vitreuse très basse, par exemple une température de transition vitreuse inferieure ou égale à environ -1000C.Ceci permet audit milieu de conserver son état caoutchouteux (donc son très faible nodule d'élasticité et de ce fait une faible vitesse Longitudinale pour Les ondes acoustiques)
Lorsqu'il est excité par des ondes acoustiques de haute fréquence (supérieure à 1MHz), contrairement à d'autres caoutchoucs qui, à haute fréquence, sont vitreux et correspondent à des vitesses
LongitudinaLes des ondes acoustiques importantes par exemple à des vitesses de L'ordre de 2000 m/s à des fréquences de L'ordre de 10MHz, (on rappeLLe que ta vitesse LongitudinaLe des ondes acoustiques est proportionneLLe à la racine carrée de E).

Selon la loi de William, Laudes et Ferry, Tg augmente d'ailleurs d'environ 70C par décade de fréquence (en Hz). Il en résulte que le matériau est encore à l'état caoutchouteux à 20 C et pour une fréquence de 10MHz par exemple.

L'invention permet ainsi de réaliser un modulateur acousto-optique qui, pour une fréquence acoustique d'excitation de quelques mégahertz, a une taiLle considérablement plus petite que celle des modulateurs connus, tout en ayant un rendement acoustique très important.

On notera que L'atténuation acoustique, dans le matériau amorphe utilisé dans l'invention, résulte simplement d'une dissipation d'énergie par effet thermoélastique, effet
2 -3 proportionnel à F et Vs , et reste donc acceptable jusa.tà environ 20MHz d'où un bon fonctionnement du dispositif entre I et 10MHz.

Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, le mi Lieu est fait d'un polysiloxane élastomère transparent au faisceau Lumineux, de très faible module d'élasticité et de très basse température de transition vitreuse.

Certes, un tel milieu est déjà connu nais dans un tout autre domaine, à savoir Le domaine du gainage des fibres optiques s1llce-slllcone.

On connaît aussi, par L'article de J. MAHER et al., publié dans Applied Physics Letters, vol.29, n05, septembre 1976, p.293 à 295, un matériau (Le PDM.S) qui est assez proche d'un polysiloxane élastomère, mais dont seules Les propriétés élastooptiques sont utilisées.

Lesdits moyens de creation d'ondes acoustiques peuvent comprendre un transducteur piézo-électrique.

La présente invention concerne aussi un système de modulation optique comprenant :
- un dispositif acousto-optique prévu pour moduler
L'intensité d'un faisceau Lumineux, et
- des moyens de commande de ce dispositif, systeme caractérisé en ce que le dispositif est conforme à celui de l'invention.

Selon un mode de réalisation particulier du systeme de modulation optique objet de L'invention, ce systeme comprend en outre
- une fibre optique (qui peut être monomode ou multimode) prévue pour transmettre le faisceau lumineux, et
- une optique prévue pour transformer ce faisceau lumineux en un faisceau lumineux paraLlèLe et pour envoyer ce faisceau parallèle sur ledit milieu, celui-ci comportant une première face destinée à recevoir Le faisceau parallèle provenant de l'optique et une deuxieme face rendue réflectrice, situee en regard de la première face et conçue pour renvoyer, Lors de l'activation des moyens de commande, le faisceau lumineux parallèle diffracté à l'ordre un, dans la fibre, par l'intermédiaire de l'optique.

Dans une réalisation particulière, l'optique est prévue pour envoyer le faisceau parallèle sur la première face, sous un angle d'incidence égal à L'angle de BRAGG relatif audit faisceau lumineux, audit milieu et à la fréquence acoustique d'excitation de ce milieu et la deuxième face est inclinée par rapport à la premiere face d'un angle égal à 28/No, No étant L'indice optique dudit milieu et B étant Ledit angle de BRAGG.

Ladite optique est par exemple une Lentille-boule mais, dans une réalisation préférée, cette optique est une lentille à gradient radial d'indice, lentille commercialisée sous le nom de
SELFOC. Par rapport à une lentille boule, une lentille SELFOC est plus facile à monter et fournit en sortie un faisceau lumineux de plus petit diamètre, ce qui permet d'obtenir un système de modulation de plus grande bande passante.

Enfin, la présente invention concerne également un système de vélocimétrie Laser, destiné à mesurer La vitesse locale d'un fluide qui entrain des nicroparticules, ce système comprenant :
- un Laser,
- des moyens de modulation acousto-optique d'un faisceau lumineux que Le laser est destiné à émettre,
- une optique de focalisation, sur une zone traversée par le fluide, d'une lumière issue des moyens de modulation acousto-optique lorsque ceux-ci sont activés,
- des moyens de détection d'une partie de la lumière diffusée par les microparticules présentes dans la zone, et
- des moyens électroniques de traitement de signaux fournis par les moyens de détection lorsque ceux-ci reçoivent ladite partie, ces moyens électroniques de traitement étant prevus pour déterminer la vitesse locale du fluide, système caractérisé en ce que les moyens de modulation acoustooptique comprennent au moins un dispositif conforme à l'invention et des moyens de commande de ce dispositif, et en ce que l'optique est prévue pour focaliser sur ladite zone, lors de l'activation du dispositif, le faisceau diffracté à L'ordre zéro et le faisceau diffracté à l'ordre un par le dispositif.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en reférence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1, déjà décrite, représente les variations du module d'élasticité du milieu utilisé dans La présente invention en fonction de La température, pour une fréquence acoustique donnée d'excitation du milieu,
- ta figure 2 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de L'invention,
- la figure 3 est une vue schématique d'une installation permettant de caractériser un milieu de propagation utilisable dans L'invention,
- La figure 4 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du système de modulation acousto-optique objet de L'invention,
- la figure 5 est une vue schématique d'une variante de réalisation de ce système,
- la figure 6 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation particulier du système de modulation acoustooptique objet de l'invention,
- la figure 7 est une vue schématique d'un système de vélocimétrie laser connu dans L'état de La technique, et
- la figure 8 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du système de vélocimétrie laser objet de l'invention.

Sur la figure 2, on a représenté schématiquement un dispositif acousto-optique conforme à la présente invention et destine à interagir avec un faisceau lumineux 2 par exemple issu d'un laser (non représenté).

Le dispositif comprend des moyens 4 de création d'ondes acoustiques ainsi qu'un milieu 6 de propagation de ces ondes acoustiques.

Ce milieu de propagation 6 se présente sous la forme d'un bloc parallélépipédique transparent au faisceau lumineux 2, de très faible module d'elasticite et de très basse température de transition vitreuse.

Le milieu de propagation est par exemple fait d'un polysiloxane élastomère du genre de celui qui est commercialisé par La société Rhône Poulenc sous Le nom RTV141.

Les moyens 4 de création d'ondes acoustiques sont constitues par une sonde piézoélectrique qui est adaptée pour fonctionner dans la gamme de fréquences acoustiques allant de 8 à 20MHz par exemple, cette sonde étant coMmandée par un générateur électrique de haute fréquence 10.

La sonde comprend essentiellement une lame piézoélectrique 12 munie d'une électrode métaLLique 14 reliée au générateur 10 par un cible coaxial de 50 ohns par exempLe, dont
Le blindage est bien entendu nis à La masse.

L'électrode 14, par exemple de forme sensibLement paralLélépipédique, peut être déposée sous vide sur La Lame 12 ou cotlée, par son pourtour, contre cette Lame.

La lame piézoélectrique 12 est appLiquée contre une face 13 du bloc parallélipédique 6, métallisée au moyen d'une couche d'or par exempLe. Le pourtour de la lame 12 est collé à la face métallisée 13.

Cette face métallisée 13 est mise à la masse. Un condensateur 16 et une inductance 18 appropriés sont montés en parallèle entre la masse et l'rame du câble coaxial en vue de réaliser une adaptation d'impédance entre le câble coaxial et la lame piézoélectrique.

Le faisceau laser 2 est envoyé sur une face 20 adjacente à la face contre LaquelLe est placée La lame piézoélectrique. On sait que L'émission d'ondes acoustiques par cette lame dans Le milieu en élastomère permet de diffracter le faisceau laser incident. Afin d'obtenir un rendement de diffraction proche de 1, l'orientation reLative du faisceau laser et du bloc en élastomère 6 est réglée pour que le faisceau tombe sur la face 20 du bloc 6 sous un angle d'incidence B appelé angle de BRAGG et donné par la formule
B-= (loF)/(tVs) (1) formule dans laquelle lo, F et Vs représentent respectivement La longueur d'onde du faisceau Lumineux, La fréquence des ondes acoustiques engendrées par la Lame piézoélectrique et la vitesse longitudinale de propagation de ces ondes dans le milieu 6.

Afin d'obtenir des ondes acoustiques progressives dans le milieu de propagation 6, un absorbeur 22 de type classique, prévu pour absorber ces ondes acoustiques, est placé contre la face 24 située en regard de la face 13 contre laquelle est placée la lame piézoélectrique.

Bien entendu, au lieu d'utiliser un tel absorbeur, on pourrait cliver ladite face 24 de manière à empêcher les ondes acoustiques d'etre stationnaires.

En l'absence d'absorbeur ou de clivage, Les ondes seraient stationnaires.

Lorsque la lame piézoélectrique n'est pas excitée par le generateur 10, le faisceau lumineux traverse Le bloc 6 sans deviation (ordre O de diffraction) et lorsque la Lame piézoélectrique est excitée par Le générateur, cette lame engendre dans te bloc 6 des ondes acoustiques qui provoquent la diffraction du faisceau lumineux.

Sur la figure 2, on a représenté le faisceau 26 correspondant à L'ordre 1 de diffraction et faisant l'angle 2B avec le faisceau 25 non dévié, qui correspond à l'ordre 0.

Sur la figure 3, on a représenté schématiquement une installation permettant la caractérisation de milieux de propagation utilisables dans La présente invention.

Cette installation comprend :
- une source lumineuse 28 par exemple constituée par un laser HeNe,
- une sonde piézoélectrique 30 prévuepour émettre des ondes acoustiques de fréquence comprises entre 1 et 20 MHz par exemple,
- un générateur électrique de haute frequence 32 commandant La sonde qui peut ainsi engendrer des ondes acoustiques dans le milieu ou échantillon à étudier 34 placé au contact de La sonde 30 et capable de devier le faisceau laser incident,
- des moyens 36 de détection du faisceau lumineux non devié (ordre de O de diffraction), ces moyens 36 étant par exemple constitué par une diode PIN nontee en photo-conducteur, et
- un oscilloscope 38 prévu pour analyser le signal de détection fourni par la diode 36, cet oscilloscope entant synchronisé sur La rampe de balayage du générateur 32 qui
commande la sonde 30.

Les différents milieux de propagation étudies se présentent sous la forme de blocs paraLlépipédiques par exemple.

Afin de pouvoir étudier un teL milieu on col Le, sur La Lame piézoélectrique non représentée dont est pourvue la sonde 30, une face dudit milieu 34 à étudier.

Un absorbeur 37, homologue de L'absorbeur 22 de la figure 2, peut être placé contre L'échantilLon 34, à L'opposé de
ladite face par rapport à cet échantillon, en vue d'absorber les ondes acoustiques.

En outre, la sonde est montée sur un support orientable non représenté qui est réalisé à partir de platines micrométriques du genre de celLes qui sont commercialisées par la société Micro-controle et qui permet de régler la position du milieu étudié par rapport au faisceau émis par le laser 28.

Un wattmètre 42, monté entre le générateur 32 et La sonde 30, permet de mesurer La puissance consommee par
l'échantillon 34.

On etudie par exemple un bloc fait du matériau RTV141 mentionné plus haut, dont l'indice optique No est de L'ordre de 1,40 pour un rayonnement rouge.

La bande passante optique du matériau est de l'ordre de 0,5 dB/cm pour des faisceaux lumineux dont les longueurs d'onde sort comprises entre 0,6 micromètre et 1,3 micromètre, sauf dans les domaines compris entre 0,88 et 0,95 micromètre et entre 1,12 et 1,24 micromètre, pour Lesquels La transmission est très faible.

Le diamètre du faisceau laser utilisé est faible, de l'ordre de 0,5 millimètre.

On mesure une vitesse longitudinale Vs des ondes acoustiques dans le matériau considéré de 170 m/s, un régalage optimal de l'orientation de l'échantiLlon fait dudit matériau par rapport au faisceau laser donnant un angle d'incidence B de celui-ci (angle de BRAGG) de 2,7 degrés, pour une fréquence acoustique F de 10 MHz et une longueur d'onde lo du faisceau
Laser de 1,3 micromètre.

L'atténuation acoustique dans ledit matériau est de
L'ordre de 10 à 20 dB/cm pour des fréquences F comprises entre 1 et 10 MHz.

Ledit matériau est utilisable avec des fréquences acoustiques F comprises entre 1 et 20 MHz et permet une modulation optique de 5 à 10 MHz.

Par ailleurs, La sonde 30 représentée sur la figure 3 comportant une lame piézoélectrique du genre de lame 12 de la figure 2 et une électrode d'excitation de cette Lame, du genre de
l'électrode 14 de la figure 2, on sait que l'on peut définir les dimensions e et w de la surface d'interaction d'une onde acoustique et du faisceau lumineux (voir figure 2) par les formules suivantes
2 22
e = 1,4d et w = 2NoL /lo = 2NoVs /(F lo) formules dans lesquelles L représente la longueur d'onde acoustique et d le diamètre du faisceau lumineux.

2
On notera que u est une fonction croissante de Vs
Cette dimension w vaut ainsi quelques millimètres pour une vitesse vs de l'ordre de lOOmis et une frequence acoustique de
L'ordre de 1MHz, au lieu de quelques dizaines de centimètres, voire îm, pour un matériau correspondant à une vitesse 10 fois oluc forte.

On peut également définir un facteur de mérite M du
2 matériau étudié ainsi que la puissance Pa de l'onde acoustique par les formules suivantes :
62 3
M : (No p )/(r Vs )
2
1/2 2 2 2
Par (2(arc sin R ) Lo e)/(n # w)
2 formules dans lesquelles p, r et R représentent respectivement le coefficient photoelastique, la masse volumique du matériau et le rendement de diffraction.

Pour un matériau du type RTV141, p est de L'ordre de 0,1.

On trouve ainsi dans le cas de ce matériau, une taille w de l'ordre de 1,7 mm pour une longueur d'onde optique de
L'ordre de 1,3 micromètre et une fréquence acoustique de 10 MHz,
-18 3 un facteur de mérite M égal à 3400.10 s /g (la masse volumique
2 -3 étant d'environ 1,05g.cm ) - alors que ce facteur de mérite M2
-8 -18 3 2 est égal à 793.10 s/g pour TeO2 et à 36.10 s /g pour PbMoO4 - et une puissance acoustique Pa de l'ordre de 60mw pour une longueur d'onde optique de 1,3 micromètre, en supposant le rendement de diffraction égal à 1.

On peut également définir pour Le matériau en question un temps de montée par unité de longueur, égal à 0,66 e/Vs, temps qui est alors inférieur à 3 microsecondes par millimètre. En modulation, avec un spot Lumineux de 100 micromètres de diamètre, on peut obtenir un temps de montée du signal optique de 0,3 microseconde et en déflexion, en utilisant une pupille de 3 millimètres de diamètre, on peut obtenir un temps de montee de ID microsecondes.

Enfin, avec une fréquence acoustique de 10 MHz et 20Z de contraste on peut séparer 200 directions.

Le dispositif objet de l'invention trouve des applications avantageuses dans de nombreux domaines. Il s'applique en particulier à la réalisation d'éléments de commutation à grand nombre de directions séparables, pour des fréquences acoustiques de l'ordre de quelques mégahertz : on peut réaliser des éléments admettant jusqu'à 200 directions séparables voire plus, ce qui permet de réaliser des commutateurs optiques "1 vers 100". On peut donc utiliser le dispositif de l'invention pour fabriquer des coupleurs accordables, des coupleurs directifs, des démultiplexeurs accordables, des sélecteurs temporels de Longueur d'onde.

Le dispositif objet de L'invention s'applique également à la réalisation de gyroscopes à fibres optiques, qui nécessitent des modulateurs acousto-optiques.

On va maintenant décrire différentes applications importantes du dispositif objet de l'invention.

Sur la figure 4, on a représente schématiquement un
système de modulation optique utilisant un dispositif conforme à
L'invention. Il s'agit d'un système permettant de moduler un
signal optique continu à L'extrémité d'une fibre optique, en
reinjectant le signal modulé dans cette fibre.

Le système schématiquement représenté sur La figure 4
comprend une fibre optique 44 qui peut etre monomode ou muttimode
et un support de fibre 46 pourvu d'une portee conique 48. La
fibre est placee dans un trou prévu à cet effet dans le support 46. Ce trou est coaxial à la portée conique 48 et debouche au fond de celle-ci. Une extrémité de la fibre émerge du trou, dans
la portée conique.

Le système comprend egalement une lentille boule 50 qui repose contre la portée 48 et qui est prévue pour transformer un faisceau lumineux divergent, issu de la face de la fibre 44, correspondant à ladite extrémite, en un faisceau lumineux parallèle.

Le système représenté sur La figure 4 comprend de plus un bloc 52 fait d'un matériau utilisable dans la présente invention, par exemple du type RTV141. Ce bloc 52 est parallélipédique, avec toutefois une face 54 légèrement déformée par rapport à la face 56 qui lui est opposée, comme on le verra par la suite.

La face 56 du bloc 52, opposee à la face 54, est en contact avec la lentille boule 50.

Une face 57 du bloc 52, ayant des arêtes communes avec les faces 54 et 56, est pourvue d'une lame piézoélectrique 58 munie d'une électrode 60 d'excitation, en vue de créer un faisceau 62 d'ondes acoustiques dans Le bloc 52.

On peut prévoir un absorbeur 61 capable d'absorber les ondes acoustiques, sur la face du bloc 52, opposée à la face 57 de ce bloc.

La face 56 du bloc 52, placée contre la lentille boule 50,'est en outre inclinée par rapport à l'axe de la fibre optique 44 de manière que le faisceau parallèle forme par la lentille boule 50 pénètre dans le bloc 52, par la face 56 de celui-ci, sous un angle de BRAGG B calculable (en radians) par la formule (1) donnée plus haut, connaissant la longueur d'onde Lo du faisceau lumineux, la fréquence acoustiques F d'excitation et La vitesse Longitudinale Vs des ondes acoustiques dans Le bloc 52.

La face 54 fait avec ta face 57, non pas un angle de 900 nais un angle de 900+2B/No, B étant converti ici en degres et
No étant L'indice optique (pour La longueur d'onde lo) du matériau dont est fait le bloc 52. En outre, la face 54 est rendue réflectrice par exemple au moyen d'une couche métallique déposée sur cette face 54.

De cette manière, lorsque La lame piézoélectrique n'est pas excitée, le faisceau parallèle issu de la lentille boule 50 n'est pas dévié lors de sa traversée du bloc 52. Il se réfléchit sur la face 54 et ressort du bloc 52 par la face 56 pour être focalisé, par la Lentille boule 50, en un point situe en dehors de la fibre 44.

Au contraire, lorsque la lame piézoélectrique est excitée par un courant de haute fréquence approprié, provenant d'un générateur-non representé, Le faisceau lumineux issu de la
Lentille boule 50 interagit avec les ondes acoustiques alors créées dans le bloc 52 et le faisceau diffracté à L'ordre 1 du fait de l'interaction retourne dans la fibre 44 après réflexion sur la face 54, traversée du bloc 52 et focalisation par la lentille boule 50 sur ladite face de la fibre.

A titre purement indicatif et nullement limitatif, la fibre optique a un coeur de 50 micromètres de diamètre et une gaine optique de 125 micromètres de diamètre ; la lentille boule 50 est une bille transparente (à la longueur d'onde Lo) de 2 millimètres de diamètre et d'ouverture numérique 0,2, placee à une distance de 0,1 millimètre de La fibre ; la face 56 a une largeur de 3 miLLimètres et une longueur de 4 millimètres ; la
Lame ou transducteur piezoelectrique est en céramique PZT. On obtient ainsi un temps de montée de 0,9 microseconde, ce qui permet une modulation optique autour de 1MHz.

Dans une variante de réalisation schématiquement
représentée sur la figure 5, la lentille boule 50 est remplacée par une lentille 64 de type SELFOC appropriée. Une telle lentille a une forme cylindrique ce qui en simplifie le montage.

On utilise dans ce cas un support 66 qui est perce d'un trou prévu pour contenir la fibre 44, ce trou débouchant dans un autre trou coaxial, qui est prévu pour recevoir la lentille 64.

Une face d'extrémité de la fibre est ainsi placée contre une extrémité de la lentille 64 qui est choisie de façon à transformer un faisceau lumineux divergent issu de ladite face de
la fibre 44 en un faisceau parallèle.

Le bloc 52 est oriente par rapport à la lentille 64 de façon que le faisceau parallèle issu de cette lentille 64 tombe sous une incidence egale à L'angle B défini dans La description de la figure 4, sur la face 56 du bloc 52, face qui est disposée en regard de l'autre extrémite de la lentille 64.

Lorsque la lame piézoélectrique 58 n'est pas activée par un courant de haute fréquence, le faisceau lumineux parallèle issu de la lentille 64 n'est pas dévié au cours de sa traversée du bloc- 52. Il se réfléchit sur la face 54 de ce bloc pour se trouver focalise en un point extérieur à la fibre 44, après etre ressorti par la face 56 du bloc et avoir retraversé la lentille 64.

Au contraire, lorsque la lame piézoélectrique 58 est activée, le faisceau parallèle interagit avec les ondes acoustiques formées et le faisceau correspondant à la diffraction d'ordre 1 se réfléchit sur la face 54 du bloc 52, retraverse ce bloc, sort de ce dernier par la face 56 et se trouve focalisé sur la fibre 44 par la lentille 64.

A titre purement indicatif et nullement Limitatif, cette lentille a la forme d'un cylindre de 2,6 millimetres de longueur et de 1 millimetre de diamètre. On obtient alors un temps de montée de 0,3 microseconde, qui est inférieur au temps de montée obtenu avec le système représente sur la figure 4, ce qui permet une modulation optique autour de 3 MHz.

On pourrait utiliser une lentille SELFOC plus courte, ce qui permettrait de diminuer l'épaisseur du faisceau optique et donc d'effectuer une modulation à plus grande vitesse.

Les systèmes représentés sur Les figures 4 et 5 ont de nombreux avantages ils sont .peu encombrants, ont une consommation électrique trés faible, qui peut cotre de L'ordre de 50 mi, un bon rendement de modulation qui peut être de L'ordre de 90%, un fort taux d'extinction qui peut cotre de L'ordre de 2000/1, de faibles pertes d'atténuation par couplage qui peuvent être de l'ordre de 0,5 dB et enfin un faible prix de revient.

Sur la figure 6, on a représente schématiquement un autre système de modulation acousto-optique conforme à
l'invention. Ce système comprend :
- un dispositif du genre de celui qui est représenté sur la figure 2 (bloc 6, lame piézoélectrique 12, électrode 14, absorbeur 22),
- une prerière fibre optique 68 nonomode ou multimode, prévue pour transmettre un faisceau lumineux en direction du bloc 6,
- une première optique 70 prévue pour transformer ce faisceau lumineux en un faisceau parallèle, ia fibre 68 et
l'optique 7C étant orientées par rapport au bloc 6 de manière que
le faisceau parallèle tombe sur le bloc 6 sous l'angle de BRAGG corespondant, et
- une seconde optique 72 prévue pour collecter le faisceau parallèle transis par le bloc 6 lorsque la lame piézoélectrique n'est pas activée (ordre O de diffraction) et injecter ce faisceau non dévié dans une seconde fibre optique 74 monomode ou multimode.

On peut remplacer La fibre 68 par une source lumineuse telle qu'une diode-laser et/ou La fibre 74 par une photodiode réceptrice.

Sur la figure 7, on a représenté un système de vélocimétrie laser connu dans l'état de la technique. Ce système est destiné à mesurer la vitesse Locale d'un fluide qui s'écoule
dans un canalisation 76. Ce fluide (liquide ou gaz) peut contenir
naturellement des microparticules qu'il entralne et s'il n'en
contient pas, on l'ensemence avec de tel les microparticules.

Des systèmes de vélocimétrie laser sont décrits dans
L'encycLopédie "Techniques de L'Ingénieur", 21, rue Cassette
75006 Paris, mise à jour 4-1978, pages R2110-5, R2110-6, R2161-1
à R2161-8.

Un système connu de vélocimétrie laser comprend par
exemple :
- un laser 78 prévu pour former un faisceau lumineux de
frequence donnee,
- un diviseur de faisceau comprenant un cube séparateur 80 prévu pour transmettre une partie du faisceau issu du Laser et en réfléchir une autre partie, ainsi qu'un réflecteur optique 82 prévu pour capter puis réfléchir cette autre partie,
- un premier modulateur acousto-optique 84 prévu pour moduler la lumière transmise par le cube séparateur 80,
- un autre modulateur acousto-optique 86, qui est associe à un prisme compensateur 88 et prévu pour moduler la
lumière réfléchie par le réflecteur 82, les fréquences acoustiques de modulation, correspondant respectivement aux modulateurs 84 et 86, entant differentes l'une de l'autre mais toutes deux de l'ordre d'une centaine de mégahertz (pour que chacun de ces modulateurs connus dans l'état de la technique ait une taille raisonnable),
- une optique 90 prévue pour recueillir les faisceaux diffractés à l'ordre 1 par les modulateurs activés et faire interférer ces faisceaux en une zone déterminee, à l'intérieur de la canalisation 76.

Compte tenu de la difference entre les fréquences acoustiques, différence qui peut être de l'ordre de quelques MHz, on obtient dans la zone considérée des franges d'interférence qui défilent à une vitesse proportionnelle à cette différence des frequences acoustiques.

Le systeme comprend également une autre optique 92 prévue pour recueillir une partie de la Lumière diffusée par Les microparticutes qui passent dans ladite zone et former t'image de cette zone sur L'entrée d'un photo-multiplicateur 94 convenablement diaphragmé.

L'intensité de La lumière recueillie par Le photomultiplicateur est modulée à une fréquence qui est proportionnelle à la vitesse résultant de la composition de la vitesse des microparticules et de la vitesse constante de défilement des franges.

Des moyens 94 de traitement du signal 96 fourni par ce photomultiplicateur permettent de déterminer La vitesse locale du fluide en module et en signe.

Bien entendu, la canalisation 76 est prévue pour laisser passer la Lumière issue de L'optique 90 et la lumière diffusée en direction de L'optique 92. A cet effet, on peut prévoir des hublots à des endroits appropriés sur la canalisation 76.

En outre, on peut disposer L'optique 92 et le photomultiplicateur 94 de façon à étudier une lumière qui est diffusée vers L'avant (cas de la figure 7) ou au contraire une luniere rétrodiffusée.

Sur la figure 8, on a représenté schématiquement un système de vélocimétrie laser conforme à l'invention, qui est beaucoup plus simple et bien moins coûteux que le système représenté sur la figure 7. En effet, le mi lieu en élastomère utilisé dans la présente invention est utilisable avec une fréquence acoustique de L'ordre de quelques mégahertz, tout en conservant une faible taille.

Le système représenté sur la figure 8 comprend un laser 9E, par exemple un laser à gaz, ainsi qu'un dispositif acoustooptique 100 du genre de celui qui est représenté sur la figure 2 et commandé par un générateur de fréquence 102 de manière à produire des ondes acoustiques de fréquence F comprise entre O et 10 MHz par exemple, dans le mi lieu en élastomère que comporte le dispositif 100.

Ce dernier peut cotre muni d'un absorbeur 22 pour l'absorption des ondes acoustiques (corme on l'a expliqué dans la description de la figure 1).

Le systeme représente sur la figure 8 comprend également une optique 104 prévue pour recueillir Les faisceaux respectivement diffractés à L'ordre O et à L'ordre I par Le dispositif 100 lorsque ce dernier est active par le générateur 102 et pour focaliser ces deux faisceaux sur une zone donnée à L'intérieur de La canalisation 76.

On peut utiliser un milieu en polysiloxane élastomère ayant la forme d'un cube de 2 millimètres de côté ainsi qu'une céramique piézoélectrique de type PZT pour envoyer les ondes acoustiques dans ce milieu.

Les franges d'interférence formées dans la zone consideree défilent dans cette zone à une vitesse acoustique F (qui est de l'ordre de quelques MHz).

De préférence, on choisit La puissance acoustique de telle manière que le rendement acoustique soit de 50t, afin que la puissance du faisceau diffracté à L'ordre O soit égale à la puissance du faisceau diffracté à L'ordre 1.

Bien entendu, le système représente sur La figure 8 comprend également l'optique 92, le photomultiplicateur diaphragmé 94 et les moyens 96 de traitement déjà décrits en référence à la figure 7 et la canalisation 76 est pourvue de hublots permettant le passage des faisceaux focalises et de la lumière diffusée.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Dispositif acousto-optique prévu pour interagir avec un faisceau lumineux (2) et comprenant :

- des moyens (4) de création d'ondes acoustiques, et

- un mi Lieu t6) de propagation de ces ondes acoustiques, ce milieu etant transparent au faisceau Lumineux, dispositif caractérise en ce que Le milieu est fait d'un élastomère transparent au faisceau Lumineux, de très faible module d'élasticité et de très basse température de transition vitreuse.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu (6) est fait d'un polysiloxane élastomère transparent au faisceau lumineux, de très faibLe module d'élasticité et de très basse température de transition vitreuse.

3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le module d'élasticité est inférieur ou égal à environ 1OMPa.

4. Dispositif selon La revendication 3, caractérisé en ce que le module d'élasticité est inférieur ou égal à environ 1MPa.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que La température de transition vitreuse est inférieure ou égale à environ -1000C.

6. Dispositif selon lune quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens (4) de création d'ondes acoustiques comprennent un transducteur piézo-électrique (12).

7. Système de modulation optique comprenant :

- un dispositif acousto-optique (52, 58, 60 ; 6, 12, 14) prévu pour moduler L'intensité d'un faisceau lumineux, et

- des moyens de commande de ce dispositif, système caractérisé en ce que le dispositif est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6.

8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre

- une fibre optique (44) prévue pour transmettre le faisceau lumineux, et

- une optique (50, 64) prévue pour transformer ce faisceau Lumineux en un faisceau lumineux parallèle et pour envoyer ce faisceau parallèle sur ledit milieu (52), celui-ci comportant une première face (56) destinée à recevoir le faisceau parallele provenant de L'optique et une deuxième face (54) rendue réflectrice, située en regard de La première face et conçue pour renvoyer, Lors de l'activation des troyens de commande, Le faisceau lumineux paraLLèle diffracte à L'ordre un, dans La fibre, par L'intermédiairè de L'optique.

9. Système selon la revendication 8, caracterise en ce que l'optique (50, 64) est prévue pour envoyer le faisceau parallèle sur La premiere face (56), souus un angle d'incidence egal à l'angle de BRAGG relatif audit faisceau lumineux, audit milieu et à la fréquence acoustique d'excitation de ce milieu et en ce que la deuxième face est inclinée par rapport à La première face (54) d'un angle égal à 2B/No, No étant L'indice optique dudit milieu et B étant ledit angle de BRAGG.

10. Système selon L'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que L'optique est une lentille à gradient radial d'indice (64).

11. Système de vélocimétrie Laser, destiné à mesurer la vitesse locale d'un fluide qui entraîne des nicroparticules, ce systeme comprenant

- un laser (98),

- des moyens (100, 102) de modulation acousto-optique d'un faisceau lumineux que le Laser est destine à émettre,

- une optique (104) de focalisation, sur une zone traversée par Le fluide, d'une lumière issue des moyens de modulation acousto-optique Lorsque ceux-ci sont actives,

- des moyens (94) de détection d'une partie de la lumière diffusée par les nicroparticules présentes dans La zone, et

- des moyens électroniques (96) de traitement de signaux fournis par les moyens de détections Lorsque ceux-ci reçoivent ladite partie, ces moyens éLectroniques de traitement étant prévus pour déterminer La vitesse locale du fluide, système caractérisé en ce que Les moyens de modulation acoustooptique comprennent au moins un dispositif (100) conforme à L'une quelconque des revendications 1 à 6 et des moyens (102) de commande de ce dispositif, et en ce que Optique < 104) est prévue pour focaliser sur ladite zone, lors de l'activation du dispositif, Le faisceau diffracte à L'ordre zéro et Le faisceau diffracté à L'ordre un par le dispositif.