FR2708355A1 - Déflecteur acousto-optique multi-cellules. - Google Patents

Abstract

Déflecteur acousto-optique comportant deux transducteurs électro-mécaniques (5, 6), disposés l'un en aval de l'autre le long du trajet (20, 21) d'un faisceau incident à défléchir, chaque transducteur (5, 6) étant agencé pour transformer un signal périodique d'excitation, de phase déterminée, en ondes mécaniques se propageant dans un volume associé (3; 4) de cristal du déflecteur situé sur ledit trajet (20, 21), dans lequel la disposition relative des transducteurs (5, 6) est telle que leurs volumes de cristal associés (3, 4) sont au moins notablement distincts et les phases de leurs ondes mécaniques respectives ont des effets déflecteurs additifs. Application à l'usinage par laser.

Description

DEFLECTEUR ACOUSTO-OPTIQUE MULTI-CELLULES

La présente invention concerne un déflecteur acousto-

optique comportant au moins deux transducteurs électro-

mécaniques, disposés l'un en aval de l'autre le long du trajet d'un faisceau lumineux incident à défléchir, chaque transducteur étant agencé pour transformer un O10 signal périodique d'excitation, de phase déterminée, en ondes mécaniques se propageant dans un volume associé de

cristal du déflecteur situé sur ledit trajet.

Un déflecteur acousto-optique sert à défléchir, de façon réglable, un faisceau optique le traversant, afin de le diriger vers un circuit optique parmi plusieurs possibles ou de choisir son point d'impact sur une cible. Il comporte un cristal solidaire d'une électrode déformable, ou transducteur, à laquelle est appliqué un signal électrique alternatif d'excitation créant, dans

le cristal, des ondes mécaniques de compression-

dilatation qui modifient périodiquement l'indice optique du cristal, si bien qu'un faisceau lumineux le traversant est alors diffracté selon un angle fonction

de la fréquence instantanée du signal.

Comme cible, on peut, par exemple, considérer une feuille de papier à cigarette qui, au moyen d'un faisceau laser, doit être microperforée en un grand nombre de points régulièrement répartis sur toute sa surface. Dans ce cas, on cherche, en particulier, à obtenir une efficacité de modulation angulaire de déflexion qui soit maximale, afin d'augmenter, à distance donnée entre laser et feuille, l'étendue du -2 - balayage sur la feuille et percer, lors d'un balayage, un nombre maximal de points alignés. On dispose, pour optimiser cette efficacité, de trois possibilités d'action. Tout d'abord, comme la déflexion dépend, comme indiqué, de la fréquence instantanée de l'onde acoustique, on peut moduler cette fréquence sur une plage de fréquences

d'étendue maximale.

Ensuite, l'efficacité de la modulation angulaire de la déflexion peut aussi croître avec la longueur d'interaction, dans la direction longitudinale de propagation du faisceau, entre le cristal et le faisceau traversant un volume de celui-ci. Cette longueur d'interaction correspond à la longueur longitudinale de l'électrode, ou transducteur. Malheureusement, la longueur maximale théorique d'interaction, permettant de respecter les conditions voulues de phase des ondes

acoustiques, conditions nécessaires au couplage acousto-

optique, varie en sens inverse de celui de la longueur

de la plage de modulation de fréquence indiquée ci-

dessus. De ce fait, si l'électrode a déjà la longueur maximale, un accroissement de la longueur de la plage de fréquences de modulation contraint de réduire cette

longueur, si bien que l'amélioration est illusoire.

Enfin, on peut songer à augmenter la puissance acoustique injectée dans le cristal. Cette puissance acoustique varie, elle aussi, en sens inverse de celui de la longueur de l'électrode, c'est-à-dire qu'il faut, toutes choses égales, injecter une puissance acoustique d'autant plus élevée que la longueur de l'électrode, donc la longueur d'interaction, est faible. Or, la densité de puissance acoustique dans le cristal ne peut dépasser une limite au delà de laquelle le cristal -3 - serait détruit, si bien que l'on ne peut injecter une puissance acoustique élevée que dans la mesure o la longueur de l'électrode est élevée. En outre, à puissance accrue, la source électrique devient trop volumineuse et il faut aussi évacuer un excès de calories transférées mécaniquement au cristal par les

ondes acoustiques.

De plus, si l'on veut utiliser des longueurs d'onde optique accrues, par exemple pour disposer d'un laser C02, plus puissant, il faut augmenter encore plus, toutes choses égales, la puissance acoustique, ce qui, dans l'art antérieur, condamnait en pratique

l'utilisation de telles longueurs d'onde.

Pour tenter de contourner ces limitations, il est connu, dans la technique de pilotage de faisceau (beam steering), de segmenter l'électrode en une rangée longitudinale d'électrodes transversales dont les excitations électriques sont déphasées entre elles de façon réglable. Les ondes acoustiques des électrodes se combinent dans le cristal pour former une onde acoustique unique dont l'orientation dépend du réglage du déphasage des excitations et détermine l'angle de

déflexion du faisceau lumineux.

La technique "beam steering" ne permet cependant de combiner, avec la phase voulue, les ondes acoustiques

que pour quelques valeurs discrètes de fréquence, c'est-

à-dire n'offre qu'une bande-passante limitée. De plus, elle nécessite de créer un retard électronique propre à chaque signal d'excitation ou de tailler, avec une grande précision, des marches latérales dans le cristal pour déphaser spatialement les ondes acoustiques des diverses électrodes, alors excitées par un signal commun. En outre, il peut se produire, entre électrodes -4 - voisines, des interactions en perturbant le fonctionnement. Là encore, la dimension longitudinale de chaque électrode est limitée par le pas des électrodes, ce pas décroissant avec la largeur de la plage de modulation en fréquence, ce qui limite encore la longueur d'interaction. La présente invention vise à pallier ces inconvénients et à repousser la limite d'efficacité maximale de

déflexion d'un tel déflecteur acousto-optique.

A cet effet, elle concerne un déflecteur acousto-optique du type mentionné ci-dessus, caractérisé par le fait que la disposition relative des transducteurs est telle que leurs volumes de cristal associés sont au moins notablement distincts et les phases de leurs ondes mécaniques respectives ont des effets déflecteurs

additifs.

On remarquera tout d'abord que cette invention bouleverse l'idée, établie depuis longtemps, selon laquelle il n'était pas possible de coupler des déflecteurs acousto-optiques distincts ou même disjoints tout en conservant un effet cumulatif de leurs déflexions sur une plage de modulation en fréquence qui

soit utilisable industriellement, c'est-à-dire étendue.

Un mérite de la demanderesse est d'être allée à

l'encontre de ce préjugé.

Ainsi, grâce au déflecteur de l'invention, les effets déflecteurs de plusieurs cellules, comprenant, chacune, un transducteur et un volume de cristal associé, sont cumulés et, les volumes de cristal respectifs dans lesquels s'appliquent leurs effets étant distincts, il

-- 5 --

n'y a pas de limitation stricte sur la longueur des transducteurs, ou électrodes. On peut alors utiliser des électrodes de grande longueur, pour lesquelles une

puissance modérée est suffisante.

Avantageusement, il est prévu des moyens de réglage de l'écart de phase entre les ondes mécaniques des deux cellules qui, commodément, peuvent comporter des moyens de réglage de la distance séparant les transducteurs dans la direction du trajet du faisceau incident et/ou des moyens de réglage de la distance séparant les transducteurs dans la direction perpendiculaire à celle du trajet du faisceau incident et/ou une ligne à retard sur une liaison transmettant le signal d'excitation à

l'un des transducteurs.

On peut ainsi régler la distance entre électrodes et/ou le déphasage entre ondes mécaniques. Les liaisons arrivant aux électrodes peuvent être en étoile à partir d'une source de signaux d'excitation ou à partir d'une des électrodes, ou bien être en série, d'une électrode à

une autre, voisine ou non.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la

description suivante de la forme de réalisation préférée

du déflecteur acousto-optique de l'invention, en référence au dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une représentation schématique du déflecteur de l'invention et - la figure 2 illustre l'efficacité du déflecteur en

fonction de la fréquence.

Le déflecteur de l'invention comporte des, ici deux, cellules distinctes 1, 2, solidaires d'un châssis 30, -6- dont respectivement deux électrodes piézo-électriques 5, 6 sont reliées, par des liaisons électriques propres 7, 8, à une source 18 de tension alternative à fréquence acoustique, modulable à partir d'une entrée de commande de wobulation 19. Une inductance réglable 17 sur la liaison 8 fait office de ligne à retard pour déphaser le

signal d'excitation appliqué à l'électrode 6.

Des cristaux 3 et 4 des cellules respectives 1 et 2, ici semblables et de section rectangulaire, sont respectivement solidaires des électrodes 5 et 6 et sont disposés parallèlement entre eux sur le trajet d'un faisceau lumineux incident 20 à rayons parallèles, y entrant et en sortant par deux des faces opposées, amont

et aval, successivement 9, 11 et 10, 12.

Les faces 9, 11, 10 et 12 sont perpendiculaires à un axe optique 16 du déflecteur, parallèle au faisceau lumineux

incident 20.

La face amont 10 du cristal 4 est située, en aval selon l'axe 16, à une distance axiale d de la face aval 11 du

cristal 3.

Les électrodes 5 et 6 sont respectivement solidaires de deux faces latérales 13 et 14, tournées à l'identique, des cristaux 3 et 5 et la face 14 est décalée transversalement, donc perpendiculairement l'axe 16, d'une distance de décalage transversal 1 par rapport à

la face 13.

Les électrodes 5 et 6 induisent, dans les cristaux 3, 4 associés, des ondes acoustiques se propageant

transversalement à la direction de l'axe 16.

-7 - Compte tenu de la fréquence de l'onde acoustique créée par l'électrode 6, et de sa vitesse de propagation perpendiculairement à l'axe 16, la distance de décalage 1 correspond, toutes choses égales, à un déphasage temporel angulaire PHI de la phase de l'onde acoustique dans le cristal 4 par rapport à celle de l'onde acoustique engendrée, dans le cristal 3, par l'électrode 5. Le fonctionnement du déflecteur et les réglages

correspondants vont maintenant être expliqués.

Le faisceau lumineux incident 20 atteignant la face 9 traverse un volume du cristal 3 o il subit l'interaction des ondes acoustiques et il donne naissance à un faisceau 23 d'ordre 1, diffracté d'un angle Al par rapport au faisceau restant 21 d'ordre 0,

non diffracté, du rayon incident 20.

On rappellera que, dans la théorie de composition d'ondes élémentaires discrètes, l'ordre 0 correspond à une addition, avec une même phase, de toutes les ondes, tandis que l'ordre 1 correspond à une addition des ondes avec, à chaque fois, un décalage de 2'r entre deux ondes provenant d'émetteurs élémentaires voisins, si bien que, si le front d'onde d'ordre 0 se propage selon un mode de propagation parallèle à l'axe 16, le front d'onde d'ordre 1 se propage selon une direction inclinée sur

l'axe 16.

Les faisceaux 21 et 23 traversent le cristal 4 et le faisceau non diffracté 21 d'ordre 0 subit une diffraction partielle donnant naissance à un faisceau 24 d'ordre 1, diffracté de l'angle Al par rapport au faisceau restant 22 d'ordre 0, donc par rapport au

faisceau incident 20.

-8 - Le faisceau 23 d'ordre 1 est orienté tout comme le faisceau 24 d'ordre 1, et en phase sensiblement additive avec lui, du fait que les deux cellules 1 et 2 sont commandées de façon à produire une même déviation et que le retard du faisceau à défléchir 21 (retard dû à la distance d) et le déphasage PHI appliqué à l'onde acoustique défléchissant le faisceau 21 satisfont aux

relations indiquées ci-après.

Les distances L et d sont respectivement réglées, ici manuellement au moyen de vis micrométriques 31 et 32 prenant appui sur le châssis 30 et réglant la position

de la cellule 2 sur le châssis 30.

Le déphasage PHI peut aussi être réglé au moyen de l'inductance réglable 17 faisant fonction de ligne à

retard, en série sur la liaison 8.

Pour déterminer les amplitudes des faisceaux émergeant d'une cellule dans les ordres 0 et 1, en fonction des faisceaux incidents dans les ordres O et 1, on établit une matrice de transformation permettant de déterminer les échanges d'énergie entre les faisceaux d'ordre 0 et 1. On pose tout d'abord les définitions suivantes: E0 et El sont les amplitudes des faisceaux optiques dans les ordres respectifs k=0 et k=l, z est une direction longitudinale, perpendiculaire à

la direction du vecteur d'onde acoustique, c'est-

à-dire qu'elle correspond à l'axe 16, -9 - L est, comme indiqué, la longueur longitudinale d'interaction acousto-optique dans une cellule 1-2, Dk est un vecteur d'asynchronisme, traduisant une perte d'efficacité sur la déviation lorsque les conditions d'accord de phase des divers rayonnements élémentaires ne sont plus satisfaites

(condition de Bragg).

Tx = T e J PHI avec T: terme de couplage représentant, en particulier, l'amplitude de l'onde acoustique et PHI, déjà indiqué, la phase de cette onde, La relation de couplage liant les ordres 0 et 1 est traduite par le système d'équations différentielles suivantes: aEl T e J PHI EO = j.Dk. El (1) z 2 L E0 T e -J PHI + El = 0 (2) O z 22L qui peut s'exprimer sous la forme: E = j.M.E. (3) %z avec: E: vecteur de composantes (El, E0) -10- E: vecteur de composantes)E1 DEO - ' - et M: matrice définie à partir des deux équations

différentielles (1) et (2).

Ainsi, connaissant les amplitudes des faisceaux incidents EO et El correspondant respectivement aux ordres O et 1, on peut déterminer le transfert d'énergie intervenu entre eux après traversée d'une cellule, c'est-à-dire déterminer les amplitudes des faisceaux émergents dans respectivement les ordres O et 1, d'après l'équation Ee = A. Ei (4) avec Ee: faisceaux émergents (Ele, EOe) Ei: faisceaux incidents (Eli, Ele) et A: matrice de transformation Les faisceaux émergents Ee peuvent ensuite servir de faisceaux incidents pour une autre cellule aval de

déflexion (2), placée comme expliqué ci-dessous.

Comme indiqué précédemment, L correspond à la longueur d'interaction acousto-optique dans une cellule (1) et d est la longueur du trajet lumineux, sans signal acoustique, dans le milieu séparant la cellule amont 1

de la cellule aval 2.

-11- De même que l'on a défini la matrice A, correspondant à la longueur L et à l'interaction acousto-optique, on définit de même une matrice B de transformation, correspondant à la longueur d et à une interaction nulle. De façon à disposer d'une matrice de transformation correspondant au pas L + d, on définit une matrice de transformation produit:

C = B. A (5)

fournissant les amplitudes dans les ordres 0 et 1 atteignant la cellule aval 2, en fonction, en particulier, de la distance axiale d et du déphasage PHI

créé, ici, par le décalage physique transversal 1.

En fonction des spécifications désirées pour le déflecteur, on peut utiliser N cellules (N entier > 2) dont on règle le couplage T, la longueur d'interaction

L, le déphasage PHI et la distance d les séparant.

La figure 2 fournit, en ordonnée, l'efficacité de déflexion, en pourcent, d'un déflecteur connu, ayant une seule électrode, et du déflecteur de l'invention, en fonction de la fréquence de modulation, en mégahertz (MHz). La fréquence de modulation est située dans une plage

allant de 50 à 90 MHz.

La courbe Cl, en pointillés, correspond au déflecteur connu et, de part et d'autre d'un sommet unique à environ 75 MHz et 100 % d'efficacité, décroît, pour atteindre 70 % environ à 50 MHz. La puissance électrique -12- est de 320 watts (W), ce qui fournit une puissance

acoustique de 80W.

Le cristal déflecteur est en germanium et la longueur d'onde est à 10,6 microns, la longueur d'interaction L

étant de 5 millimètres (mm).

Pour le déflecteur de l'invention, on utilise, contrairement à l'exemple de déflecteur de l'invention décrit ci-dessus, N = 3 cellules ayant une longueur d'interaction L qui est aussi de 5 mm, la distance axiale d valant 2,5 mm. Le cristal et la longueur d'onde sont ceux indiqués ci-dessus. La puissance acoustique est de 9 W par cellule, donc 27 W au total, soit 3 fois

moins que pour le déflecteur connu.

La courbe C2, correspondant au déflecteur de l'invention, présente deux maximas voisins de 100 %, à environ 58 et 88 MHz, encadrant un minimum voisin de 70 % à environ 73 MHz. La courbe C2 retombe, comme Cl, à

% pour 50 MHz.

On voit que les courbes Cl et C2 présentent respectivement des intégrales, ou efficacité moyenne, en fonction de la fréquence, entre la fréquence centrale d'environ 74 MHz et la fréquence basse de 50 MHz, qui sont sensiblement égales, c'est-à-dire que le rapport 3 dans les puissances acoustiques traduit, à efficacité

égale, la supériorité du déflecteur de l'invention.

Selon la théorie du couplage des ondes, un plus grand nombre N de cellules permettrait, en cas de besoin, d'obtenir une autre courbe C2 présentant une ondulation

moindre dans la plage utilisée.

-13- On remarquera que les réglages de longueur d'interaction L et de distance d entre cellules peuvent être commandés de façon électronique, sans déplacement d'éléments. Il suffit, pour cela, de prévoir un cristal auquel est adjointe latéralement une échelle longitudinale d'électrodes élémentaires transversales disposant

chacune d'une liaison d'excitation individuelle.

Selon les longueurs L et d choisies, on relie à la source 18, par des portes de commutation électroniques, non représentées, le nombre voulu d'électrodes élémentaires voisines pour créer une électrode équivalente de longueur longitudinale L, tandis que les électrodes élémentaires suivantes, s'étendant sur une

distance d sont reliées à la masse.

On peut, de plus, modifier le pas L + d en prévoyant un cristal unique, de dimension longitudinale correspondant au nombre N de cellules voulu. La commutation des liaisons d'excitation des électrodes élémentaires permet ainsi de modifier la dimension longitudinale L et la distance d des volumes actifs (3, 4) de cristal sans

déplacement physique correspondant.

On remarquera que cette commutation électronique des caractéristiques du déflecteur peut être mise à profit pour moduler les caractéristiques de couplage correspondantes. On peut par exemple, selon la valeur instantanée de la fréquence de modulation, modifier les longueurs L et/ou d, en commutant des liaisons d'excitation d'électrodes élémentaires et/ou en modulant l'amplitude de l'excitation correspondante, afin d'optimiser le

fonctionnement du déflecteur.

-14- Une utilisation, entrelacée dans le temps, du déflecteur, pour plusieurs applications, peut aussi être prévue. -15-

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Déflecteur acousto-optique comportant au moins deux transducteurs électro-mécaniques (5, 6), disposés l'un en aval de l'autre le long du trajet (20, 21) d'un faisceau incident à défléchir, chaque transducteur (5, 6) étant agencé pour transformer un signal périodique d'excitation, de phase déterminée, en ondes mécaniques se propageant dans un volume associé (3; 4) de cristal du déflecteur situé sur ledit trajet (20, 21), caractérisé par le fait que la disposition relative des transducteurs (5, 6) est telle que leurs volumes de cristal associés (3, 4) sont au moins notablement distincts et les phases de leurs ondes mécaniques respectives ont des effets

déflecteurs additifs.

2. Déflecteur selon la revendication 1, dans lequel il est prévu des moyens (17, 31, 32) de réglage de l'écart de phase entre les ondes mécaniques des deux

cellules (1, 2).

3. Déflecteur selon la revendication 2, dans lequel les moyens de réglage de l'écart de phase comportent des moyens (31) de réglage de la distance (d) séparant les transducteurs (5, 6) dans la direction du trajet

(20, 21) du faisceau incident.

4. Déflecteur selon l'une des revendications 2 et 3,

dans lequel les moyens de réglage de l'écart de phase comportent des moyens (32) de réglage de la distance (1) séparant les transducteurs (5, 6) dans la direction perpendiculaire à celle du trajet (20, 21)

du faisceau incident.

-16-

5. Déflecteur selon l'une des revendications 2 à 4, dans

lequel les moyens de réglage de l'écart de phase comportent une ligne à retard (17) sur une liaison (7, 8) transmettant le signal d'excitation à l'un des transducteurs (5, 6).

6. Déflecteur selon l'une des revendications 1 à 5, dans

lequel les transducteurs (5, 6) sont formés chacun de

plusieurs électrodes.