WO2012104515A1 - Aotf device for the programmable acousto‑optical filtering of high spectral resolution and of large angular aperture in the infrared region - Google Patents

Aotf device for the programmable acousto‑optical filtering of high spectral resolution and of large angular aperture in the infrared region Download PDF

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WO2012104515A1
WO2012104515A1 PCT/FR2012/050100 FR2012050100W WO2012104515A1 WO 2012104515 A1 WO2012104515 A1 WO 2012104515A1 FR 2012050100 W FR2012050100 W FR 2012050100W WO 2012104515 A1 WO2012104515 A1 WO 2012104515A1
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wave
plane
optical
optical wave
acousto
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PCT/FR2012/050100
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Inventor
Pierre Tournois
Daniel Kaplan
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Fastlite
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    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/33Acousto-optical deflection devices
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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    • G02F1/116Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on acousto-optical elements, e.g. using variable diffraction by sound or like mechanical waves using an optically anisotropic medium, wherein the incident and the diffracted light waves have different polarizations, e.g. acousto-optic tunable filter [AOTF]

Definitions

  • the present invention relates to an Acousto Optic Tunable Filter (AOTF) device for programmable acousto-optic filtering of high spectral resolution and large angular aperture in the infrared range.
  • AOTF Acousto Optic Tunable Filter
  • the device presented applies to acousto-optical filtering programmable for the medium-infrared range from a wavelength ⁇ in the vacuum of 5 to 30 ⁇ .
  • An AOTF device is defined as a device that achieves by acoustooptic diffraction the selection of a single wavelength in the radiation of an incident optical beam.
  • the choice of the wavelength is programmable by varying the frequency of the acoustic signal.
  • the wavelength selection must be independent of the angle of incidence within a given angular aperture. Thanks to their angular aperture, AOTF filters can work with extended sources of white light and provide multispectral images of these sources.
  • AOPDF filters described by D.KAPLAN and P. TOURNOIS in: "Theory and Performance of the Acoustic Optically Programmable Dispersive Filter Used for Femtosecond Laser Inc." J. Phys. IV France 12, Pr5-69 / 75 (2002), which are designed to optimize the spectral resolution for a collimated source, such as a laser and have a low angular acceptance.
  • the main use of these AOPDF filters is the phase and amplitude programming of ultrashort laser pulses.
  • An AOTF function is theoretically possible to implement simply by using the contra-directive diffraction pattern by a grating in an isotropic material.
  • a diffraction consider the wave vector k 0 of an incident optical wave, the wave vector k d of the diffracted wave and the wave vector K of the acoustic wave. All the vectors are parallel to the same one direction, the acoustic wave planes are normal to this direction, the wave vectors k 0 and k d being of opposite directions.
  • the diffraction corresponds to a reflection of the incident optical wave by the acoustic network.
  • the length of the vector K has a quadratic dependence on epsilon, which introduces an acoustic frequency dependence sufficiently low to allow the nonzero angular aperture necessary for the function of an AOTF.
  • the length of the acoustic wave vector is twice the length of the optical wave vectors and therefore the acoustic wavelength is two times smaller than the optical wavelength.
  • the acoustic wavelength is a quarter of a micrometer.
  • the corresponding acoustic frequencies are higher than 4 GHz.
  • the acoustic attenuation lengths at these frequencies are of the order or less than millimeter, which prevents the practical use of the simple principle defined above; this principle could never be used to realize an AOTF.
  • the optically anisotropic materials have distinct propagation modes having optical indices and different wave vectors for the same wavelength.
  • the acousto-optical interaction thus makes it possible to couple two modes of close but distinct wave vectors. It is then a co-directive diffraction.
  • the acoustic wave vector has a length that is much shorter than the length of the optical wave vectors. The acoustic frequency is lower and is not a limit to this type of application.
  • Harris The so-called collinear filters presented by Harris et al. in US Patent 3,679,288 hereinafter referred to as Harris.
  • the three directions of wave vectors, incident optical, diffracted optical and acoustic are parallel or quasi-parallel.
  • materials such as Lithium Niobate, it is shown that it is possible to satisfy these conditions while maintaining a weak dependence of the filtered wavelength as a function of the orientation of the incident beam.
  • the spectral resolution of these co-directive configuration filters decreases when increasing the acoustic wavelength, the relative resolution being given in order of magnitude by the number of periods of the acoustic wave contained in the length interaction. If, for example, the acoustic wave vector is 10 times shorter than the optical wave vector, for an optical wavelength of 10 microns the acoustic wavelength is 100 microns and the number of periods in a wavelength is one centimeter is of the order of 100, corresponding to a resolution of 10 cm -1.
  • the present invention relates to optical devices in the infrared field (5 to 30 microns). Its principle is to use the contra-directive configuration, with an acoustic wave vector of the order of twice the optical wave vector, to obtain a high resolution. This configuration has never been used in the state of the art to realize AOTFs, because of the higher acoustic frequencies to which it leads. The acoustic frequency is reduced in the present invention by two factors:
  • the mercury halides (Hg 2 Cl 2 , Hg 2 Br 2 , LfeLJ are tetragonal materials having acoustic propagation velocities in the [110] direction respectively of 347, 282, 253 m / s.
  • the order of magnitude of the acoustic wavelengths for an incident optical wave at 10 microns is then 2.5 microns and the number of period 4000 for one cm, ie a resolution of 0.25 cm -1, improved. by a factor of 40 relative to a non-collinear filter of the same length.
  • the use of tetragonal birefringent anisotropic materials will make it possible to incorporate the advantage of the selection of the diffracted beam by polarization and the geometrical direction.
  • halides of Mercury such as Calomel (Hg 2 Cl 2 ), Mercury Bromide (Hg 2 Br 2 ) and Mercury lodide (Hg 2 I 2 ) belong to the tetragonal crystalline class.
  • the propagation of acoustic energy is done at an angle ⁇ ⁇ such that
  • the optical wave resulting from the acousto-optical interaction between an incident optical wave and a transverse acoustic wave is of polarization perpendicular to that of said incident optical wave and propagates in a contra-directive direction to the incident wave.
  • the optical direction ⁇ ⁇ and the acoustic propagation direction ⁇ ⁇ set the optical direction 9 d by the conservation condition of the wave vectors and the frequency.
  • the detailed design of the device, according to the invention therefore requires searching for the combinations ⁇ 0 and ⁇ ⁇ minimizing the dependence of the filtered optical frequency as a function of the optical orientations.
  • the subject of the invention is an AOTF device for spectral high-resolution, high-angle programmable infrared optical acousto-optic filtering, comprising:
  • a birefringent acousto-optical crystal TR consisting of a tetragonal-type birefringent mercury halide having a minimum propagation velocity of less than 400 m / s in the crystalline direction
  • a transducer T ensuring the generation of a transverse acoustic wave of a wave vector K, propagating in a plane P containing the aforesaid crystalline direction [110] and the aforementioned birefringence axis [001], allowing a diffraction of a ordinary incident optical wave O 0 , of incidence ⁇ 0 with respect to said crystalline direction [110], propagating in said plane P with a polarization perpendicular to said plane P, in an extraordinary optical wave O d , of angle ⁇ par by relative to said crystal direction [110], propagating in said plane P with a polarization in said plane P, or to produce an inverse diffraction of an extraordinary incident optical wave propagating in said plane P with a polarization in said plane P in an ordinary optical wave propagating in the plane P with a polarization perpendicular to said plane P,
  • the aforesaid diffraction is equivalent to a reflection close to the normal to the wave plane of the said incident optical wave O 0
  • the aforesaid angle ⁇ d of the diffracted optical wave O d is equivalent to the aforesaid incidence ⁇ 0 of the an incident optical wave O 0 , increased by a value between 160 and 180 degrees
  • the direction of propagation of the said transverse wave vector waveform K is chosen to be equal to the aforesaid angle of incidence 0 O of propagation of the ordinary incident optical wave 0 0 with respect to the direction [110] multiplied by a factor ⁇ whose value is close to 0.8.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the wave vector diagram of the acousto-optical interaction in a contra-directive configuration
  • Figure 2 shows the equi- (/ X) curves in a diagram
  • FIG. 3 represents the variation of the quality factor M 2 as a function of ⁇ ⁇ for the three halides
  • FIG. 4 shows the change in the filtered wavelength as a function of ⁇ 0 for three halides around the value of 9 0 optimizing M2; and
  • FIG. 5 is a schematic representation of a filter structure
  • FIG. 1 relates to the diagram of the wave vectors of the interaction. From an orthonormal coordinate system Ox, Oy, the axes [1 10] and [001] of the birefringent acousto-optical crystal are represented, respectively along the axes Ox, Oy; the plane defined by the two axes [110] and [001] will be called diffraction plane P.
  • C 0 be the ordinary index indicator curve and C e the extraordinary index indicator curve; these two curves C 0 , C e , respectively cut the axis [110] into n 0 : ordinary index and n e : extraordinary index.
  • k 0 be an optical wave vector characterizing an ordinary wave polarized perpendicularly to the diffraction plane, of origin O, ending at point A on the curve C 0 , and making an angle ⁇ 0 with the axis [110] and K a counter-directive acoustic wave vector starting from A, making an angle ⁇ ⁇ with the axis [110] and of length AB, where B is the point of intersection with the curve Ce.
  • the vector OB defines a vector k d , which satisfies the conservation of the wave vectors.
  • the vector acoustic wave K diffracts the ordinary vector wave k 0 into an extraordinary vector wave / 3 ⁇ 4 and vice versa.
  • This configuration can be used to produce a filter having as input the ordinary wave and filtered output the extraordinary wave or vice versa.
  • To fix the design of the AOTF it is necessary to study the dependence of the filtering as a function of the direction of optical propagation.
  • the following formula given by P.Tournois in: "Design of Acousto-Optic Programmable Filters in Mercury Halides for Mid-Infrared Laser Inc. 281, 4054 ⁇ 056 (2008), relates to the length of the acoustic wave vector K as a function of ⁇ 0 and ⁇ ⁇ .
  • ⁇ l ⁇ characterizes the filtered optical frequency expressed in cm-1.
  • Figure 2 shows the equi- (/ X) curves in a diagram ⁇ 0 , ⁇ ⁇ ) for the material Hg 2 Cl 2 .
  • the horizontal tangent points correspond to configurations where the filtered optical frequency is independent of the first optical order P (angle ⁇ ⁇ ).
  • This straight line ⁇ joins the horizontal tangent points with a good approximation and can therefore be used as a design criterion for a high angular aperture AOTF.
  • p 7.19, 7.307, 7.70 g / cm are the densities of Calomel, Bromide and Mercury Plodide and p is the effective elasto-optical coefficient given by:
  • This 25 degree angle is a preferable choice for the invention.
  • V 491.5, 423.5, 361.4 m / s
  • an AOTF device for spectrophotometer and infrared high-aperture programmable acousto-optical filtering is produced in a Calomel crystal.
  • This device involves a birefringent acousto-optical crystal represented schematically by a rectangle trapezium TR, located in an acousto-optical interaction plane P, which is defined by the two axes [110] and [001] of said acoustic crystal. optical.
  • the AB side is parallel to Tax [001]; the sides BC and FA are parallel to the axis [110]; CF side 9 forms an angle A of 19.81 ° with the line segment AB.
  • the CF side comprises a piezoelectric transducer T of length CD. Said piezoelectric transducer T generates a transverse acoustic beam whose shear wave is polarized perpendicular to said interaction plane P; this beam is represented schematically by two straight line segments CC and DD '; point C is located on line segment AB, and point D 'is on line segment FA; the two line segments CC and DD 'make an angle ⁇ ⁇ of 74.12 ° with the line segment BC.
  • An incident ordinary optical beam O ' 0 parallel to the plane of interaction P, of polarization perpendicular to said plane P, is applied to an input face S of the acousto-optical crystal TR, which input face S is represented by the aforesaid line segment AB; the incidence ⁇ ' 0 of said incident ordinary optical beam 0' 0 is 53.33 ° with respect to the axis [110].
  • This incident beam 0 ' 0 enters the acousto-optical crystal TR; a beam 0 0 inside the crystal is represented diagrammatically by two parallel line segments, respectively AE and A'D; the angle ⁇ 0 of said optical beam 0 0 is 25 ° relative to the axis [110].
  • An extraordinary optical beam ⁇ ⁇ is generated by interaction with the above-mentioned acoustic beam in the acousto-optical crystal; the angle / 3 ⁇ 4, represented by an angle (9 d - ⁇ ), of said optical beam O d is 195.70 ° with respect to the axis [110].
  • the aforesaid extraordinary optical beam O d after interaction in the acousto-optical crystal is then extracted from the acousto-optical crystal, represented by an extraordinary optical beam 0 ' d ; the angle ⁇ ' ⁇ represented by an angle ( ⁇ ' ⁇ - ⁇ ), of said optical beam 0 ' d is 225.25 ° relative to the axis [110].
  • this device makes it possible to produce either a diffraction of an ordinary incident optical wave 0 0 , of incidence ⁇ 0 with respect to said crystalline direction [110], propagating in said plane P with a polarization perpendicular to said plane P, in an extraordinary optical wave O d , of angle ⁇ with respect to said crystalline direction [110], propagating in said plane P with a polarization in said plane P, namely a reverse diffraction of a wave extraordinary incident optical propagating in said plane.P with a polarization in said plane P in an ordinary optical wave propagating in the plane P with a polarization perpendicular to said plane P.
  • the density the power to be applied to the acoustic transducer for total diffraction of each of the wavelengths is about 2.5 W / mm 2 at 5 ⁇ and 10 W / mm at 10 ⁇ .
  • the spectral resolution is: 0.5 nm to 5 ⁇ and 2 nm to 10 ⁇ is: 0.2 cm "1. Without changing this resolution, the angular acceptance angle is: 1.5 ° to 5 ⁇ and 3 ° to 10 ⁇ .

Abstract

The subject of the invention is an AOTF device for the programmable acousto‑optical filtering of high spectral resolution and of large angular aperture in the infrared region, comprising a birefringent acousto‑optical crystal TR, a transducer T ensuring the generation of a transverse acoustic wave, allowing a diffraction of an ordinary incident optical wave 0o, of incidence θ o, into an extraordinary optical wave Od, of angle θ d, knowing that the abovementioned diffraction is equivalent to a reflection close to the normal to the wave plane of the abovementioned incident optical wave Oo, the abovementioned angle θ d of the diffracted optical wave Od is equivalent to the abovementioned angle of incidence θ o of the incident optical wave 0o, plus a value lying between 160 and 180 degrees.

Description

DISPOSITIF AOTF POUR LE FILTRAGE ACOUSTO-OPTIOUE PROGRAMMABLE DE HAUTE RESOLUTION SPECTRALE ET DE GRANDE OUVERTURE ANGULAIRE DANS LE DOMAINE AOTF DEVICE FOR PROGRAMMABLE ACOUSTOOPTICULAR FILTERING WITH HIGH SPECTRAL RESOLUTION AND LARGE ANGULAR OPENING IN THE FIELD
INFRAROUGE. INFRARED.
La présente invention concerne un dispositif AOTF (Acousto Optic Tunable Filter) pour le filtrage acousto-optique programmable de haute résolution spectrale et de grande ouverture angulaire dans le domaine infrarouge. The present invention relates to an Acousto Optic Tunable Filter (AOTF) device for programmable acousto-optic filtering of high spectral resolution and large angular aperture in the infrared range.
Le dispositif présenté s'applique au filtrage acousto-optique programmable pour le domaine du moyen infrarouge allant d'une longueur d'onde λ dans le vide de 5 à 30 μπι. The device presented applies to acousto-optical filtering programmable for the medium-infrared range from a wavelength λ in the vacuum of 5 to 30 μπι.
Un dispositif AOTF est défini comme un dispositif réalisant par diffraction acousto-optique la sélection d'une longueur d'onde unique dans le rayonnement d'un faisceau optique incident. Le choix de la longueur d'onde est programmable par variation de la fréquence du signal acoustique. Pour pouvoir être utilisé avec une large variété de sources non collimatées, la sélection en longueur d'onde doit être indépendante de l'angle d'incidence à l'intérieur d'une ouverture angulaire donnée. Grâce à leur ouverture angulaire, les filtres AOTF peuvent travailler avec des sources étendues de lumière blanche et fournir des images multispectrales de ces sources. An AOTF device is defined as a device that achieves by acoustooptic diffraction the selection of a single wavelength in the radiation of an incident optical beam. The choice of the wavelength is programmable by varying the frequency of the acoustic signal. To be used with a wide variety of non-collimated sources, the wavelength selection must be independent of the angle of incidence within a given angular aperture. Thanks to their angular aperture, AOTF filters can work with extended sources of white light and provide multispectral images of these sources.
Ces dispositifs se distinguent des filtres AOPDF décrits par D.KAPLAN et P. TOURNOIS dans : "Theory and Performance of the Acousto-Optic Programmable Dispersive Filter used for Femtosecond Laser Puise Shaping" J. Phys. IV France 12, Pr5-69/75 (2002), qui sont conçus de manière à optimiser la résolution spectrale pour une source collimatée, comme un laser et présentent une faible acceptance angulaire. La principale utilisation de ces filtres AOPDF est la programmation en phase et en amplitude des impulsions lasers ultracourtes. These devices are distinguished from the AOPDF filters described by D.KAPLAN and P. TOURNOIS in: "Theory and Performance of the Acoustic Optically Programmable Dispersive Filter Used for Femtosecond Laser Puise Shaping" J. Phys. IV France 12, Pr5-69 / 75 (2002), which are designed to optimize the spectral resolution for a collimated source, such as a laser and have a low angular acceptance. The main use of these AOPDF filters is the phase and amplitude programming of ultrashort laser pulses.
Une fonction d'AOTF est théoriquement possible à implanter simplement en utilisant la configuration de diffraction contra-directive par un réseau dans un matériau isotrope. Pour une telle diffraction on considère, le vecteur d'onde k0 d'une onde optique incidente, le vecteur d'onde kd de l'onde diffractée et le vecteur d'onde K de l'onde acoustique. Tous les vecteurs sont parallèles à une même une direction, les plans d'onde acoustiques sont normaux à cette direction, les vecteurs d'onde k0 et kd étant de directions opposées. La diffraction correspond à une réflexion de l'onde optique incidente par le réseau acoustique. La conservation des vecteurs d'onde, de la fréquence optique et l'isotropie du matériau entraînent la relation : An AOTF function is theoretically possible to implement simply by using the contra-directive diffraction pattern by a grating in an isotropic material. For such a diffraction, consider the wave vector k 0 of an incident optical wave, the wave vector k d of the diffracted wave and the wave vector K of the acoustic wave. All the vectors are parallel to the same one direction, the acoustic wave planes are normal to this direction, the wave vectors k 0 and k d being of opposite directions. The diffraction corresponds to a reflection of the incident optical wave by the acoustic network. The conservation of the wave vectors, the optical frequency and the isotropy of the material lead to the relation:
kd -k0 = K k d -k 0 = K
Pour une petite déviation epsilon de l'angle du vecteur d'onde optique incident, la longueur du vecteur K a une dépendance quadratique en epsilon, qui introduit une dépendance de la fréquence acoustique suffisamment faible pour permettre l'ouverture angulaire non nulle nécessaire à la fonction d'un AOTF. La longueur du vecteur d'onde acoustique est deux fois la longueur des vecteurs d'onde optique et donc la longueur d'onde acoustique deux fois inférieure à la longueur d'onde optique. Pour des longueurs d'onde optique de l'ordre du micromètre dans le vide et donc un demi micromètre dans un matériau d'indice optique typique 2, la longueur d'onde acoustique est d'un quart de micromètre. Pour les matériaux acousto-optiques courants, dont les vitesses de propagation sont supérieures à 1000 m/s, les fréquences acoustiques correspondantes sont supérieures à 4 GHz. Les longueurs d'atténuation acoustique à ces fréquences sont de l'ordre ou inférieures au millimètre, ce qui empêche l'utilisation pratique du principe simple défini ci- dessus ; ce principe n'a donc jamais pu être utilisé pour réaliser un AOTF. For a small epsilon deviation of the angle of the incident optical wave vector, the length of the vector K has a quadratic dependence on epsilon, which introduces an acoustic frequency dependence sufficiently low to allow the nonzero angular aperture necessary for the function of an AOTF. The length of the acoustic wave vector is twice the length of the optical wave vectors and therefore the acoustic wavelength is two times smaller than the optical wavelength. For optical wavelengths of the order of one micrometer in vacuum and therefore half a micrometer in a material with a typical optical index 2, the acoustic wavelength is a quarter of a micrometer. For standard acousto-optic materials, whose propagation velocities are greater than 1000 m / s, the corresponding acoustic frequencies are higher than 4 GHz. The acoustic attenuation lengths at these frequencies are of the order or less than millimeter, which prevents the practical use of the simple principle defined above; this principle could never be used to realize an AOTF.
Dans l'état de l'art, c'est l'utilisation de matériaux anisotropes qui a permis la réalisation de filtres AOTF. Les matériaux optiquement anisotropes présentent des modes de propagation distincts ayant des indices optiques et des vecteurs d'onde différents pour une même longueur d'onde. L'interaction acousto- optique permet ainsi de coupler deux modes de vecteurs d'ondes proches mais distincts. Il s'agit alors d'une diffraction co-directive. Le vecteur d'onde acoustique a dans ce cas une longueur très inférieure à la longueur des vecteurs d'onde optiques. La fréquence acoustique est plus faible et n'est pas une limite à ce type d'application. In the state of the art, it is the use of anisotropic materials that has allowed the realization of AOTF filters. The optically anisotropic materials have distinct propagation modes having optical indices and different wave vectors for the same wavelength. The acousto-optical interaction thus makes it possible to couple two modes of close but distinct wave vectors. It is then a co-directive diffraction. In this case, the acoustic wave vector has a length that is much shorter than the length of the optical wave vectors. The acoustic frequency is lower and is not a limit to this type of application.
Deux catégories de filtres AOTF dans des matériaux anisotropes ont été proposés: Two categories of AOTF filters in anisotropic materials have been proposed:
1) Les filtres dits colinéaires présenté par Harris et al. dans le brevet US 3,679,288 ci-après dénommé Harris. Dans ce type de configuration, les trois directions de vecteurs d'onde, optique incident, optique diffracté et acoustique sont parallèles ou quasi-parallèles. Pour des matériaux comme le Niobate de Lithium, il est montré qu'il est possible de satisfaire à ces conditions tout en maintenant une dépendance faible de la longueur d'onde filtrée en fonction de l'orientation du faisceau incident.  1) The so-called collinear filters presented by Harris et al. in US Patent 3,679,288 hereinafter referred to as Harris. In this type of configuration, the three directions of wave vectors, incident optical, diffracted optical and acoustic are parallel or quasi-parallel. For materials such as Lithium Niobate, it is shown that it is possible to satisfy these conditions while maintaining a weak dependence of the filtered wavelength as a function of the orientation of the incident beam.
2) Les filtres non-colinéaires ont été proposés par [I.C. Chang "Noncollinear Acousto-Optic Filter with Large Angular Aperture " Applied Physics Letters 25, 370-372 (1974)] et brevet US 5,329,397 ci-après dénommé Chang. Ces filtres s'affranchissent de la condition de colinéarité afin de permettre l'utilisation de matériaux performants courants comme le Dioxyde de Tellure dont la symétrie ne permet pas de réaliser la configuration des filtres colinéaires. Un autre avantage du non parallélisme est que le faisceau incident et le faisceau diffracté peuvent être séparés géométriquement sans recourir à des polariseurs. Les publications et brevets ci-dessus et les publications similaires de la littérature concernant les AOTF dans les matériaux anisotropes, concernent toutes des configurations de diffraction co-directive comme indiqué par exemple dans la figure 3 de Harris et les figures 3 et 4 de Chang. 2) The non-collinear filters have been proposed by [IC Chang "Noncollinear Acousto-Optic Filter with Large Angular Aperture" Applied Physics Letters 25, 370-372 (1974)] and US Patent 5,329,397 hereinafter referred to as Chang. These filters overcome the collinearity condition to allow the use of common performance materials such as Tellurium dioxide whose symmetry does not allow the configuration of collinear filters. Another advantage of non-parallelism is that the incident beam and the diffracted beam can be separated geometrically without the use of polarizers. The above publications and patents and similar literature publications relating to AOTFs in anisotropic materials all relate to co-directive diffraction patterns as shown for example in Fig. 3 of Harris and Figures 3 and 4 of Chang.
Il faut noter que la résolution spectrale de ces filtres à configuration co- directive diminue lorsqu'on augmente la longueur d'onde acoustique, la résolution relative étant donnée en ordre de grandeur par le nombre de période de l'onde acoustique contenue dans la longueur d'interaction. Si par exemple, le vecteur onde acoustique est de longueur 10 fois inférieure au vecteur d'onde optique, pour une longueur d'onde optique de 10 microns la longueur d'onde acoustique est de 100 microns et le nombre de périodes dans une longueur d'un centimètre est de l'ordre de 100, correspondant à une résolution de 10 cm-1. It should be noted that the spectral resolution of these co-directive configuration filters decreases when increasing the acoustic wavelength, the relative resolution being given in order of magnitude by the number of periods of the acoustic wave contained in the length interaction. If, for example, the acoustic wave vector is 10 times shorter than the optical wave vector, for an optical wavelength of 10 microns the acoustic wavelength is 100 microns and the number of periods in a wavelength is one centimeter is of the order of 100, corresponding to a resolution of 10 cm -1.
La présente invention concerne des dispositifs optiques dans le domaine Infra Rouge (5 à 30 microns). Son principe est d'utiliser la configuration contra- directive, avec un vecteur d'onde acoustique de l'ordre de deux fois le vecteur d'onde optique, pour obtenir une résolution élevée. Cette configuration n'a jamais été utilisée dans l'état de l'art pour réaliser des AOTF, en raison des fréquences acoustiques plus élevées auxquelles elle conduit. La fréquence acoustique est réduite dans la présente invention par deux facteurs : The present invention relates to optical devices in the infrared field (5 to 30 microns). Its principle is to use the contra-directive configuration, with an acoustic wave vector of the order of twice the optical wave vector, to obtain a high resolution. This configuration has never been used in the state of the art to realize AOTFs, because of the higher acoustic frequencies to which it leads. The acoustic frequency is reduced in the present invention by two factors:
- l'application à des longueurs d'onde optique élevée, et  the application at high optical wavelengths, and
- l'utilisation de matériaux ayant des vitesses de propagation acoustique faible pour l'orientation choisie.  the use of materials having low acoustic propagation velocities for the chosen orientation.
Les halogénures de mercure (Hg2Cl2, Hg2Br2, LfeLJ sont des matériaux tétragonaux ayant des vitesses de propagation acoustique selon la direction [110] respectivement de 347, 282, 253 m/s. The mercury halides (Hg 2 Cl 2 , Hg 2 Br 2 , LfeLJ are tetragonal materials having acoustic propagation velocities in the [110] direction respectively of 347, 282, 253 m / s.
L'ordre de grandeur des fréquences à 10 microns est alors 200 MHz, permettant des longueurs d'atténuation acoustiques dépassant le centimètre. A noter que des filtres de type AOTF non-colinéaire à configuration co- directive ont été proposés Knuteson et al. dans« Crystal growth, fabrication, and design of mercurous bromide acousto-optic tunable fïlters » Opt. Eng. 46, 064001 (2007) et de type AOPDF pour sources collimatées par P.Tournois: "Design of Acousto-Optic Programmable Filters in Mercury Halides for Mid- Infrared Laser Puise Shaping" Optics Comm. 281, 4054-4056 (2008). The order of magnitude of the frequencies at 10 microns is then 200 MHz, allowing acoustic attenuation lengths exceeding one centimeter. It should be noted that non-collinear AOTF type filters with co-directive configuration have been proposed Knuteson et al. in "Crystal growth, manufacture, and design of mercurous bromide acousto-optic tunable filters" Opt. Eng. 46, 064001 (2007) and of AOPDF type for sources collimated by P. Tournois: "Design of Acousto-Optic Programmable Filters in Mercury Halides for Mid-Infrared Laser Puise Shaping" Optics Comm. 281, 4054-4056 (2008).
Pour la configuration contra-directive, l'ordre de grandeur des longueurs d'onde acoustique pour une onde optique incidente à 10 microns est alors 2.5 microns et le nombre de période 4000 pour un cm, soit une résolution de 0.25 cm-1, améliorée d'un facteur 40 par rapport à un filtre non-colinéaire de même longueur. Par ailleurs, l'utilisation de matériaux anisotropes biréfringents tétragonaux va permettre d'incorporer l'avantage de la sélection du faisceau diffracté par polarisation et la direction géométrique. For the contra-directive configuration, the order of magnitude of the acoustic wavelengths for an incident optical wave at 10 microns is then 2.5 microns and the number of period 4000 for one cm, ie a resolution of 0.25 cm -1, improved. by a factor of 40 relative to a non-collinear filter of the same length. Moreover, the use of tetragonal birefringent anisotropic materials will make it possible to incorporate the advantage of the selection of the diffracted beam by polarization and the geometrical direction.
Comme il sera apparent dans l'analyse ci-dessous, la conception détaillée du dispositif dans un matériau demande de s'écarter légèrement de la configuration contra-directive parfaite. Les ordres de grandeurs discutés plus haut restent cependant valables. As will be apparent in the analysis below, the detailed design of the device in a material requires a slight deviation from the perfect contra-directive configuration. The orders of magnitude discussed above, however, remain valid.
Les halogénures de Mercure tels : le Calomel (Hg2Cl2), le Bromure de Mercure (Hg2Br2 ) et le lodure de Mercure ( Hg2I2 ) appartiennent à la classe cristalline tétragonale . Les indices optiques ordinaire n0 et extraordinaire ne sont, respectivement dans le moyen infrarouge : n = 1.898, 2.05 et 2.26 et ne =The halides of Mercury such as Calomel (Hg 2 Cl 2 ), Mercury Bromide (Hg 2 Br 2 ) and Mercury lodide (Hg 2 I 2 ) belong to the tetragonal crystalline class. Ordinary optical indices n 0 and extraordinary n e are respectively in the middle infrared: n = 1.898, 2.05 and 2.26 and n e =
2.445, 2.75 et 3.21. L'indice extraordinaire courant nd > suivant un axe qui fait un angle 9d avec l'axe [110], s'écrit : 2 cos 2 sin2 6> (1) 2,445, 2.75 and 3.21. The current extraordinary index n d> along an axis which makes an angle 9 d with the axis [110], is written: 2 cos 2 sin 2 6> (1)
Pour les cristaux de la classe tétragonale, une onde acoustique transversale pure se propage dans le plan contenant les axes [110] et [001] avec une polarisation perpendiculaire à ce plan, appelé plan de diffraction. Sa vitesse est donnée par :For crystals of the tetragonal class, a pure transverse acoustic wave propagates in the plane containing the axes [110] and [001] with a polarization perpendicular to this plane, called the diffraction plane. Its speed is given by:
¾) = ^0 cos2 ¾ +F0 2 01 sin2 ¾ (2) ¾) = ^ 0 cos 2 ¾ + F 0 2 01 sin 2 ¾ (2)
Vm= 347, 282, 253 m/s et Vm = 1084, 1008, 871 m/s étant les vitesses acoustiques respectivement du Calomel, du Bromure de Mercure et de Plodure de Mercure suivant les axes [110] et [001] et 9A l'angle que fait le vecteur d'onde acoustique avec l'axe [110]. La propagation de l'énergie acoustique se fait selon un angle βΑ tel que V m = 347, 282, 253 m / s and V m = 1084, 1008, 871 m / s being the acoustic velocities respectively of Calomel, Mercury Bromide and Mercury Plodide along axes [110] and [001] and 9 At the angle that the acoustic wave vector makes with the axis [110]. The propagation of acoustic energy is done at an angle β Α such that
tan^ = (F001 /Kno)2.tan^ (3) Dans le cas d'une diffraction contra-directive dans un tel matériau , une onde ordinaire caractérisée par un vecteur d'onde k0 de direction 90 avec l'axe [110], et une onde extraordinaire de vecteur d'onde /¾ de direction ¾ avec l'axe [110], où /¾ - θ0 est proche de 180 degrés, sont couplés par une onde acoustique dont la longueur du vecteur d'onde K est proche de 2 fois la longueur de k0 et dont la direction est proche d'une parallèle à k0 et /¾. tan ^ = (F 001 / K No.) .Tan ^ 2 (3) In the case of a counter-directive diffraction in such a material, an ordinary wave characterized by a wavevector k 0 9 0 direction with axis [110], and an extraordinary wave vector wave / ¾ direction ¾ with the axis [110], where / ¾ - θ 0 is close to 180 degrees, are coupled by an acoustic wave whose length K wave vector is close to 2 times the length of k 0 and whose direction is close to a parallel to k 0 and / ¾.
Ainsi l'onde optique résultant de l'interaction acousto-optique entre une onde optique incidente et une onde acoustique transversale, est de polarisation perpendiculaire à celle de ladite onde optique incidente et se propage selon une direction contra-directive à l'onde incidente. La direction optique θα et la direction de propagation acoustique ΘΑ fixent la direction optique 9d par la condition de conservation des vecteurs d'onde et de la fréquence. La conception détaillée du dispositif, selon l'invention, nécessite donc de rechercher les combinaisons θ0 et ΘΑ minimisant la dépendance de la fréquence optique filtrée en fonction des orientations optiques. L'invention a pour objet un dispositif AOTF pour le filtrage acousto-optique programmable de haute résolution spectrale et de grande ouverture angulaire dans le domaine infrarouge, comprenant : Thus the optical wave resulting from the acousto-optical interaction between an incident optical wave and a transverse acoustic wave, is of polarization perpendicular to that of said incident optical wave and propagates in a contra-directive direction to the incident wave. The optical direction θ α and the acoustic propagation direction Θ Α set the optical direction 9 d by the conservation condition of the wave vectors and the frequency. The detailed design of the device, according to the invention, therefore requires searching for the combinations θ 0 and Θ Α minimizing the dependence of the filtered optical frequency as a function of the optical orientations. The subject of the invention is an AOTF device for spectral high-resolution, high-angle programmable infrared optical acousto-optic filtering, comprising:
- un cristal acousto-optique biréfringent TR constitué d'un halogénure de mercure biréfringent de la classe tétragonale ayant une vitesse de propagation minimale inférieure à 400 m/s selon la direction cristalline a birefringent acousto-optical crystal TR consisting of a tetragonal-type birefringent mercury halide having a minimum propagation velocity of less than 400 m / s in the crystalline direction
[110] perpendiculaire à l'axe de biréfringence [001], [110] perpendicular to the birefringence axis [001],
- un transducteur T assurant la génération d'une onde acoustique transversale de vecteur d'onde K, se propageant dans un plan P contenant la susdite direction cristalline [110] et le susdit axe de biréfringence [001], permettant une diffraction d'une onde optique incidente ordinaire O0, d'incidence θ0 par rapport à ladite direction cristalline [110] , se propageant dans ledit plan P avec une polarisation perpendiculaire audit plan P, en une onde optique extraordinaire Od, d'angle ô^ par rapport à ladite direction cristalline [110], se propageant dans ledit plan P avec une polarisation dans ledit plan P, soit de produire une diffraction inverse d'une onde optique incidente extraordinaire se propageant dans ledit plan P avec une polarisation dans ledit plan P en une onde optique ordinaire se propageant dans le plan P avec une polarisation perpendiculaire audit plan P, a transducer T ensuring the generation of a transverse acoustic wave of a wave vector K, propagating in a plane P containing the aforesaid crystalline direction [110] and the aforementioned birefringence axis [001], allowing a diffraction of a ordinary incident optical wave O 0 , of incidence θ 0 with respect to said crystalline direction [110], propagating in said plane P with a polarization perpendicular to said plane P, in an extraordinary optical wave O d , of angle δ par by relative to said crystal direction [110], propagating in said plane P with a polarization in said plane P, or to produce an inverse diffraction of an extraordinary incident optical wave propagating in said plane P with a polarization in said plane P in an ordinary optical wave propagating in the plane P with a polarization perpendicular to said plane P,
sachant que : knowing that :
- la susdite diffraction est équivalente à une réflexion proche de la normale au plan d'onde de la susdite onde optique incidente O0, le susdit angle 9d de l'onde optique diffractée Od est équivalent à la susdite incidence θ0 de l'onde optique incidente O0, majorée d'une valeur comprise entre 160 et 180 degrés, et, la direction de propagation de la susdite onde acoustique transversale de vecteur d'onde K est choisie égale au susdit angle d'incidence 0O de propagation de l'onde optique incidente ordinaire 00 par rapport à la direction [110] multiplié par un facteur η dont la valeur est proche de 0,8. the aforesaid diffraction is equivalent to a reflection close to the normal to the wave plane of the said incident optical wave O 0 , the aforesaid angle θ d of the diffracted optical wave O d is equivalent to the aforesaid incidence θ 0 of the an incident optical wave O 0 , increased by a value between 160 and 180 degrees, and, the direction of propagation of the said transverse wave vector waveform K is chosen to be equal to the aforesaid angle of incidence 0 O of propagation of the ordinary incident optical wave 0 0 with respect to the direction [110] multiplied by a factor η whose value is close to 0.8.
Un mode de mise en œuvre du dispositif selon l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : One embodiment of the device according to the invention will be described below, by way of non-limiting example, with reference to the accompanying drawings in which:
La figure 1 est une représentation schématique du diagramme des vecteurs d'onde de l'interaction acousto-optique dans une configuration contra-directive ; La figure 2 représente les courbes équi- (/X) dans un diagrammeFIG. 1 is a schematic representation of the wave vector diagram of the acousto-optical interaction in a contra-directive configuration; Figure 2 shows the equi- (/ X) curves in a diagram
( Θ0 , ΘΑ ) pour le calomel ; 0 , Θ Α ) for the calomel;
La figure 3 représente la variation du facteur de qualité M2 en fonction de θα pour les trois halogénures ; FIG. 3 represents the variation of the quality factor M 2 as a function of θ α for the three halides;
La figure 4 représente la variation de la longueur d'onde filtrée en fonction de θ0 pour les trois halogénures autour de la valeur de 90 optimisant M2 ; et La figure 5 est une représentation schématique d'une structure de Filtre4 shows the change in the filtered wavelength as a function of θ 0 for three halides around the value of 9 0 optimizing M2; and FIG. 5 is a schematic representation of a filter structure
Acousto-Optique Programmable AOTF pour le domaine infrarouge. Programmable Acousto-Optics AOTF for the infrared range.
L'exemple représenté sur la figure 1, concerne le diagramme des vecteurs d'onde de l'interaction. A partir d'un repère orthonormé Ox, Oy, sont représentés les axes [1 10] et [001] du cristal acousto-optique biréfringent, respectivement selon les axes Ox, Oy ; le plan défini par les deux axes [110] et [001] sera dit plan de diffraction P. The example shown in Figure 1, relates to the diagram of the wave vectors of the interaction. From an orthonormal coordinate system Ox, Oy, the axes [1 10] and [001] of the birefringent acousto-optical crystal are represented, respectively along the axes Ox, Oy; the plane defined by the two axes [110] and [001] will be called diffraction plane P.
Soit C0 la courbe indicatrice d'indice ordinaire et Ce la courbe indicatrice d'indice extraordinaire ; ces deux courbes C0, Ce, coupent respectivement l'axe [110] en n0 : indice ordinaire et ne : indice extraordinaire. Let C 0 be the ordinary index indicator curve and C e the extraordinary index indicator curve; these two curves C 0 , C e , respectively cut the axis [110] into n 0 : ordinary index and n e : extraordinary index.
Soit k0, un vecteur d'onde optique caractérisant une onde ordinaire polarisée perpendiculairement au plan de diffraction, d'origine O, aboutissant au point A situé sur la courbe C0, et faisant un angle θ0 avec l'axe [110] et K un vecteur d'onde acoustique contra-directif partant de A , faisant un angle ΘΑ avec l'axe [110] et de longueur AB, où B est le point d'intersection avec la courbe Ce. Le vecteur OB définit un vecteur kd , qui satisfait la conservation des vecteurs d'onde. L'onde acoustique de vecteur K diffracte l'onde ordinaire de vecteur k0 en onde extraordinaire de vecteur /¾ et réciproquement. On peut utiliser cette configuration pour réaliser un filtre ayant pour entrée l'onde ordinaire et pour sortie filtrée l'onde extraordinaire ou réciproquement. Pour fixer la conception de l'AOTF, il est nécessaire d' étudier la dépendance du filtrage en fonction de la direction de propagation optique. A ce titre, la formule suivante donnée par P.Tournois dans : « Design of Acousto-Optic Programmable Filters in Mercury Halides for Mid-Infrared Laser Puise Shaping » Optics Comm. 281, 4054^056 (2008), concerne la longueur du vecteur d'onde acousti ue K en fonction de θ0 et ΘΑ .
Figure imgf000011_0001
Let k 0 be an optical wave vector characterizing an ordinary wave polarized perpendicularly to the diffraction plane, of origin O, ending at point A on the curve C 0 , and making an angle θ 0 with the axis [110] and K a counter-directive acoustic wave vector starting from A, making an angle Θ Α with the axis [110] and of length AB, where B is the point of intersection with the curve Ce. The vector OB defines a vector k d , which satisfies the conservation of the wave vectors. The vector acoustic wave K diffracts the ordinary vector wave k 0 into an extraordinary vector wave / ¾ and vice versa. This configuration can be used to produce a filter having as input the ordinary wave and filtered output the extraordinary wave or vice versa. To fix the design of the AOTF, it is necessary to study the dependence of the filtering as a function of the direction of optical propagation. As such, the following formula given by P.Tournois in: "Design of Acousto-Optic Programmable Filters in Mercury Halides for Mid-Infrared Laser Puise Shaping" Optics Comm. 281, 4054 ^ 056 (2008), relates to the length of the acoustic wave vector K as a function of θ 0 and Θ Α .
Figure imgf000011_0001
où : S = {n - n )l2n (5) La longueur d'onde filtrée est donnée ar la relation :
Figure imgf000012_0001
where: S = {n - n) l2n (5) The filtered wavelength is given by the relation:
Figure imgf000012_0001
\l λ caractérise la fréquence optique filtrée exprimée en cm-1. La figure 2 montre les courbes équi- (/ X) dans un diagramme {Θ0 , ΘΑ) pour le matériau Hg2Cl2. \ l λ characterizes the filtered optical frequency expressed in cm-1. Figure 2 shows the equi- (/ X) curves in a diagram {Θ 0 , Θ Α ) for the material Hg 2 Cl 2 .
Sur ce diagramme, les points à tangente horizontale correspondent à des configurations où la fréquence optique filtrée est indépendante de P orientation optique (angle θα) au premier ordre. In this diagram, the horizontal tangent points correspond to configurations where the filtered optical frequency is independent of the first optical order P (angle θ α ).
En tirets sur la figure, une droite Δ, définie par ΘΑ = η.θ0 , est représentée avec η = 0,79. Cette droite Δ joint avec une bonne approximation les points de tangente horizontale et peut donc être utilisée comme critère de conception d'un AOTF à ouverture angulaire élevée. In dashed lines in the figure, a line Δ, defined by Θ Α = η.θ 0 , is represented with η = 0.79. This straight line Δ joins the horizontal tangent points with a good approximation and can therefore be used as a design criterion for a high angular aperture AOTF.
Un examen de diagrammes similaires pour les matériaux Bromure et lodure de Mercure conduit à une conclusion similaire, sous réserve d'une valeurs de η valant 0.76 et 0.72 respectivement pour le Bromure et Plodure de Mercure. Le facteur de mérite M2 qui caractérise l'intensité de l'interaction acousto- optique et qui détermine l'efficacité de la diffraction est donné par :
Figure imgf000012_0002
An examination of similar diagrams for the Bromide and Mercury lodide materials leads to a similar conclusion, subject to η values of 0.76 and 0.72 respectively for the Mercury Bromide and Plodide. The merit factor M 2 which characterizes the intensity of the acousto-optic interaction and which determines the diffraction efficiency is given by:
Figure imgf000012_0002
où : p = 7.19, 7.307, 7.70 g/cm sont les densités du Calomel, du Bromure et de Plodure de Mercure et p le coefficient élasto-optique efficace donné par : where: p = 7.19, 7.307, 7.70 g / cm are the densities of Calomel, Bromide and Mercury Plodide and p is the effective elasto-optical coefficient given by:
p = -[(pn -pn)/2]sm0o cos0A +p44 cos9o sm0Â (8) avec : Al =0.551, pn =0M, p44=0 (9) Dans l'exemple représenté sur la figure 3, la variation de M2 en fonction de θ0, pour la condition ΘΑ = η.θ0 , est indiquée pour les trois halogénures en utilisant les valeurs de η précitées. M2 passe, pour θ0 = 25° environ, par un maximum de : 53, 147 et 485 mm /GW respectivement pour le Calomel (courbe Cl), le Bromure de Mercure (courbe C2) et l'Iodure de Mercure (courbe C3). Cet angle de 25 degrés constitue un choix préférable pour l'invention. p = - [(p n -p n ) / 2] sm0 o cos0 A + p 44 cos9 o sm0 Â (8) with: Al = 0.551, p n = 0M, p 44 = 0 (9) In the example represented in FIG. 3, the variation of M 2 as a function of θ 0 , for the condition Θ Α = η.θ 0 , is indicated for the three halides using the values of η mentioned above. M 2 passes, for θ 0 = 25 ° approximately, by a maximum of: 53, 147 and 485 mm / GW respectively for the Calomel (curve C1), the Mercury Bromide (curve C2) and the Iodide of Mercury (curve C3). This 25 degree angle is a preferable choice for the invention.
Pour cet angle particulier θ0 de 25° : For this particular angle θ 0 of 25 °:
θά = 195.70°, 194.53°, 193.01°, θ ά = 195.70 °, 194.53 °, 193.01 °,
ΘΑ= 19.81°, 19.06°, 18.03°, Θ Α = 19.81 °, 19.06 °, 18.03 °,
£, = 74.12°, 77.24°, 75.47°,  Δ = 74.12 °, 77.24 °, 75.47 °,
V = 491.5, 423.5, 361.4 m/s et  V = 491.5, 423.5, 361.4 m / s and
(/Λ) = 2100, 1997, 1938 m/s,  (/ Λ) = 2100, 1997, 1938 m / s,
respectivement pour les trois halogénures, soit les courbes Ci, C2, C3 concernant respectivement le Calomel (Hg2Cl2), le Bromure de Mercure (Hg2Br2) et le Iodure de Mercure (Hg2I2). respectively for the three halides or the curves Ci, C 2 , C 3 respectively concerning Calomel (Hg 2 Cl 2 ), Mercury Bromide (Hg 2 Br 2 ) and Mercury Iodide (Hg 2 I 2 ).
Dans l'exemple représenté sur la figure 4, (f2À) est représenté en fonction de <90 , autour de θ0 = 25°, pour les trois halogénures, soit les courbes Ci, C2, C3 concernant respectivement le Calomel (Hg2Cl2), le Bromure de Mercure (Hg2Br2) et le Iodure de Mercure (Hg2I2). In the example represented in FIG. 4, (f 2 A) is represented as a function of <9 0 , around θ 0 = 25 °, for the three halides, namely the curves Ci, C 2 , C 3 respectively concerning the Calomel (Hg 2 Cl 2 ), Mercury Bromide (Hg 2 Br 2 ) and Mercury Iodide (Hg 2 I 2 ).
Une très large indépendance de la longueur d'onde filtrée λ en fonction de l'angle d'incidence existe autour de θ0 = 25°. A very wide independence of the filtered wavelength λ as a function of the angle of incidence exists around θ 0 = 25 °.
Dans l'exemple représenté sur la figure 5, un dispositif AOTF pour le filtrage acousto-optique programmable de haute résolution spectrale et de grande ouverture dans le domaine infrarouge est réalisé dans un cristal de Calomel. Ce dispositif fait intervenir un cristal acousto-optique biréfringent représenté de façon schématique par un trapèze rectangle TR, situé dans un plan d'interaction acousto-optique P, lequel est défini par les deux axes [110] et [001] dudit cristal acousto-optique. In the example shown in FIG. 5, an AOTF device for spectrophotometer and infrared high-aperture programmable acousto-optical filtering is produced in a Calomel crystal. This device involves a birefringent acousto-optical crystal represented schematically by a rectangle trapezium TR, located in an acousto-optical interaction plane P, which is defined by the two axes [110] and [001] of said acoustic crystal. optical.
Le côté AB est parallèle à Taxe [001] ; les côtés BC et FA sont parallèles à l'axe [110] ; le côté CF fait un angle 9A de 19,81° avec le segment de droite AB. Le côté CF comprend un transducteur piézo-électrique T de longueur CD. Ledit transducteur piézo-électrique T génère un faisceau acoustique transverse, dont l'onde de cisaillement est polarisée perpendiculairement audit plan d'interaction P ; ce faisceau est représenté schématique par deux segments de droite CC et DD' parallèles ; le point C est situé sur le segment de droite AB, et le point D' est situé sur le segment de droite FA; les deux segments de droite CC et DD' font un angle βΑ de 74,12° avec le segment de droite BC. The AB side is parallel to Tax [001]; the sides BC and FA are parallel to the axis [110]; CF side 9 forms an angle A of 19.81 ° with the line segment AB. The CF side comprises a piezoelectric transducer T of length CD. Said piezoelectric transducer T generates a transverse acoustic beam whose shear wave is polarized perpendicular to said interaction plane P; this beam is represented schematically by two straight line segments CC and DD '; point C is located on line segment AB, and point D 'is on line segment FA; the two line segments CC and DD 'make an angle β Α of 74.12 ° with the line segment BC.
Un faisceau optique ordinaire incident O'0, parallèle au plan d'interaction P, de polarisation perpendiculaire audit plan P, est appliqué sur une face d'entrée S du cristal acousto-optique TR, laquelle face d'entrée S est représentée par le susdit segment de droite AB ; l'incidence θ'0 dudit faisceau optique ordinaire incident 0'0 est de 53,33° par rapport à l'axe [110]. An incident ordinary optical beam O ' 0 , parallel to the plane of interaction P, of polarization perpendicular to said plane P, is applied to an input face S of the acousto-optical crystal TR, which input face S is represented by the aforesaid line segment AB; the incidence θ ' 0 of said incident ordinary optical beam 0' 0 is 53.33 ° with respect to the axis [110].
Ce faisceau incident 0'0 pénètre dans le cristal acousto-optique TR ; un faisceau 00 à l'intérieur du cristal est représenté schématiquement par deux segments de droite parallèles, respectivement AE et A'D ; l'angle 90 dudit faisceau optique 00 est de 25° par rapport à l'axe [110]. This incident beam 0 ' 0 enters the acousto-optical crystal TR; a beam 0 0 inside the crystal is represented diagrammatically by two parallel line segments, respectively AE and A'D; the angle θ 0 of said optical beam 0 0 is 25 ° relative to the axis [110].
Un faisceau optique extraordinaire Ο^ est généré par interaction avec le susdit faisceau acoustique dans le cristal acousto-optique ; l'angle /¾, représenté par un angle (9d - π), dudit faisceau optique Od est de 195,70° par rapport à l'axe [110]. Le susdit faisceau optique extraordinaire Od, après interaction dans le cristal acousto-optique est ensuite extrait du cristal acousto-optique, représenté par un faisceau optique extraordinaire 0'd ; l'angle θ'ά représenté par un angle (θ'ά- π), dudit faisceau optique 0'd est de 225,25° par rapport à l'axe [110]. An extraordinary optical beam Ο ^ is generated by interaction with the above-mentioned acoustic beam in the acousto-optical crystal; the angle / ¾, represented by an angle (9 d - π), of said optical beam O d is 195.70 ° with respect to the axis [110]. The aforesaid extraordinary optical beam O d , after interaction in the acousto-optical crystal is then extracted from the acousto-optical crystal, represented by an extraordinary optical beam 0 'd; the angle θ ' ά represented by an angle (θ' ά - π), of said optical beam 0 ' d is 225.25 ° relative to the axis [110].
Avantageusement, ce dispositif, selon l'invention, permet de produire soit une diffraction d'une onde optique incidente ordinaire 00, d'incidence θ0 par rapport à ladite direction cristalline [110] , se propageant dans ledit plan P avec une polarisation perpendiculaire audit plan P, en une onde optique extraordinaire Od, d'angle 6^ par rapport à ladite direction cristalline [110], se propageant dans ledit plan P avec une polarisation dans ledit plan P, soit une diffraction inverse d'une onde optique incidente extraordinaire se propageant dans ledit plan.P avec une polarisation dans ledit plan P en une onde optique ordinaire se propageant dans le plan P avec une polarisation perpendiculaire audit plan P. Advantageously, this device, according to the invention, makes it possible to produce either a diffraction of an ordinary incident optical wave 0 0 , of incidence θ 0 with respect to said crystalline direction [110], propagating in said plane P with a polarization perpendicular to said plane P, in an extraordinary optical wave O d , of angle θ with respect to said crystalline direction [110], propagating in said plane P with a polarization in said plane P, namely a reverse diffraction of a wave extraordinary incident optical propagating in said plane.P with a polarization in said plane P in an ordinary optical wave propagating in the plane P with a polarization perpendicular to said plane P.
A titre d'exemple de réalisation, à partir d'un cristal de Calomel de dimension permettant une longueur d'interaction acousto-optique de 1 cm, la fréquence acoustique étant de 210 MHz pour une longueur d'onde de 10 microns, la densité de puissance à appliquer au transducteur acoustique pour une diffraction totale de chacune des longueurs d'onde est d'environ 2.5 W/mm2 à 5 μηι et 10 W/mm à 10 μηι. By way of exemplary embodiment, from a Calomel crystal of dimension allowing an acousto-optical interaction length of 1 cm, the acoustic frequency being 210 MHz for a wavelength of 10 microns, the density the power to be applied to the acoustic transducer for total diffraction of each of the wavelengths is about 2.5 W / mm 2 at 5 μηι and 10 W / mm at 10 μηι.
La résolution spectrale est de : 0.5 nm à 5 μηι et 2 nm à 10 μηι soit : 0.2 cm"1. Sans changer cette résolution, l'angle d'acceptance angulaire est de : 1.5° à 5 μιη et 3° à 10 μηι. The spectral resolution is: 0.5 nm to 5 μηι and 2 nm to 10 μηι is: 0.2 cm "1. Without changing this resolution, the angular acceptance angle is: 1.5 ° to 5 μιη and 3 ° to 10 μηι .

Claims

REVENDICATIONS
1 Dispositif AOTF de filtrage acousto-optique programmable de haute résolution spectrale et de grande ouverture angulaire dans le domaine infrarouge comprenant : An AOTF spectrophotometer-programmable high-resolution acousto-optic filtering device with large angular aperture in the infrared range, comprising:
- un cristal acousto-optique biréfringent (TR) constitué d'un halogénure de mercure biréfringent de la classe tétragonale ayant une vitesse de propagation minimale inférieure à 400 m/s selon la direction cristalline [110] perpendiculaire à l'axe de biréfringence [001],  a birefringent acousto-optical crystal (TR) consisting of a tetragonal-type birefringent mercury halide having a minimum propagation speed of less than 400 m / s in the crystalline direction [110] perpendicular to the birefringence axis [001 ]
- un transducteur (T) assurant la génération d'une onde acoustique transversale de vecteur d'onde (K), se propageant dans un plan (P) contenant la susdite direction cristalline [110] et le susdit axe de biréfringence [001], permettant une diffraction d'une onde optique incidente ordinaire (00), d'incidence (θ0) par rapport à ladite direction cristalline [110] , se propageant dans ledit plan (P) avec une polarisation perpendiculaire audit plan (P), en une onde optique extraordinaire (Od), d'angle (<¾) par rapport à ladite direction cristalline [110], se propageant dans ledit plan (P) avec une polarisation dans ledit plan (P), soit de produire une diffraction inverse d'une onde optique incidente extraordinaire se propageant dans ledit plan (P) avec une polarisation dans ledit plan (P) en une onde optique ordinaire se propageant dans le plan (P) avec une polarisation perpendiculaire audit plan (P), a transducer (T) ensuring the generation of a wave vector transverse acoustic wave (K), propagating in a plane (P) containing the aforesaid crystalline direction [110] and the aforementioned birefringence axis [001], allowing a diffraction of an ordinary incident optical wave (0 0 ), incidence (θ 0 ) with respect to said crystalline direction [110], propagating in said plane (P) with a polarization perpendicular to said plane (P), in an extraordinary optical wave (O d ), of angle (<¾) with respect to said crystalline direction [110], propagating in said plane (P) with a polarization in said plane (P), or to produce a diffraction inverse of an extraordinary incident optical wave propagating in said plane (P) with a polarization in said plane (P) into an ordinary optical wave propagating in the plane (P) with a polarization perpendicular to said plane (P),
caractérisé en ce que la susdite diffraction est équivalente à une réflexion proche de la normale du plan d'onde de la susdite onde optique incidente (00), le susdit angle (<¾) de l'onde optique diffractée (Oa) est équivalent à la susdite incidence (θ0) de l'onde optique incidente (00), majorée d'une valeur comprise entre 160 et 180 degrés, et en ce que la direction de propagation de la susdite onde acoustique transversale de vecteur d'onde (K) est choisie égale au susdit angle d'incidence (θ0) de propagation de l'onde optique incidente ordinaire (00) par rapport à la direction [110] multiplié par un facteur η dont la valeur est proche de 0,8. characterized in that the aforesaid diffraction is equivalent to a reflection close to the normal of the wave plane of said incident optical wave (0 0 ), the aforesaid angle (<¾) of the diffracted optical wave (Oa) is equivalent at the aforesaid incidence (θ 0 ) of the incident optical wave (0 0 ), increased by a value between 160 and 180 degrees, and in that the direction of propagation of the aforesaid transverse wave vector acoustic wave (K) is chosen equal to the aforementioned angle of incidence (θ 0 ) of propagation of the ordinary incident optical wave (0 0 ) relative to the direction [110] multiplied by a factor η whose value is close to 0.8.
2. Dispositif selon la revendication 1, 2. Device according to claim 1,
caractérisé en ce que le susdit transducteur (T) est un transducteur piézoélectrique disposé sur une surface du cristal acousto-optique biréfringent (TR), perpendiculairement au susdit plan (P). characterized in that the aforesaid transducer (T) is a piezoelectric transducer disposed on a surface of the birefringent acousto-optical crystal (TR), perpendicular to the aforesaid plane (P).
3. Dispositif selon la revendication 1, 3. Device according to claim 1,
caractérisé en ce que la valeur du facteur η est 0,79 pour un halogénure de mercure biréfringrent de la classe tétragonale tel le Calomel (Hg2Cl2). characterized in that the value of the factor η is 0.79 for a birefringent mercury halide of the tetragonal class such as Calomel (Hg 2 Cl 2 ).
4. Dispositif selon la revendication 1, 4. Device according to claim 1,
caractérisé en ce que la valeur du facteur η est 0,76 pour un halogénure de mercure biréfringrent de la classe tétragonale tel le Bromure de Mercure (Hg2Br2). characterized in that the value of the factor η is 0.76 for a birefringent mercury halide of the tetragonal class such as Mercury Bromide (Hg 2 Br 2 ).
5. Dispositif selon la revendication 1, 5. Device according to claim 1,
caractérisé en ce que la valeur du facteur η est 0,72 pour un halogénure de mercure biréfringrent de la classe tétragonale tel l'Iodure de Mercure (Hg2I2). characterized in that the value of the factor η is 0.72 for a birefringent mercury halide of the tetragonal class such as Mercury Iodide (Hg 2 I 2 ).
6. Dispositif selon la revendication 1, 6. Device according to claim 1,
caractérisé en ce que la valeur de (6>0 ) est approximativement égale à 25 degrés. characterized in that the value of (6> 0 ) is approximately equal to 25 degrees.
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