cise du montage expérimental de l’imagerie acousto-optique par holographie photoréfractive. Nous préciserons notamment le matériel expérimental utilisé et la justification de ces choix.
3.4.1
Le schéma expérimental
La figure 3.8 présente le schéma expérimental de l’imagerie acousto-optique par détection holographique photoréfractive que nous avons développée. Le choix expérimental prépondérant a été le choix du cristal photoréfractif, qui est ici un cristal massif d’Arsenure de Gallium, AsGa.
As Ga BS PL1 (45°) M A O 1 M A O 2 M M λ/2 PZT PL2 (90°) Si DS PC iris ω MOA1 ω L+ωMOA2 ω L+ωMOA1 λ/2 ω L laser YAG:Nd3+ (1064 nm) 1 W IO Amplificateur Yb3+ 5W ωL M λ/2 λ/2 bh BS ωL ωL échantillon diffusant polarisation référente (0°) BS cube séparateur de polarisation λ/2 lame demi-onde
bh bloqueur de flux M Miroir
IO Isolateur Optique Faraday MAO Modulateur Acousto-Optique PZT transducteur piézoélectrique PL Polariseur Linéaire
AsGa Cristal d’Arsenure de Gallium Si Photodiode Silicium DS Détecteur Synchrone PC Ordinateur A Amplificateur X mixer passif bh bh speckle bras sonde bras référent A ω US X Η A ω MOA2 A
Figure 3.8: Le schéma du montage expérimental de l’imagerie acousto-optique par détection holographique photoréfractive.
La source lumineuse cohérente
L’imagerie acousto-optique suppose l’utilisation d’une source lumineuse co- hérente. Nous avons utilisé un laser Nd :YAG (Nd :Y3Al5O12) de chez Crys- talaser, émettant un faisceau de 1W de puissance à la longueur d’onde λ = 1064nm. Ce faisceau est amplifié par un amplificateur à fibre monomode do- pée Y b3+de chez Keopsys, pouvant délivrer une puissance maximale de 5W .
L’amplificateur utilisé ne supportant pas une puissance injectée supérieure à 300mW , cette dernière est ajustée par l’utilisation d’un cube séparateur de polarisation (BS) entre deux lames demi-onde (λ/2).
La mise en place expérimentale de l’amplificateur ne pose pas en soi de réelles difficultés, mais nécessite le soin nécessaire à toute injection de faisceau dans une fibre monomode. Son bon fonctionnement suppose par contre la prise de quelques précautions. L’amplificateur est en effet très sensible aux retours de lumière dans la fibre. Même en prenant soin de limiter au possible les réflections parasites tout au long du montage, la source ainsi amplifiée n’est pas forcément stable. L’utilisation d’un isolateur optique de Faraday (IO) a finalement permis d’isoler proprement la sortie de la fibre du reste du montage.
Les figures 3.9 et 3.10 rapportent les évolutions temporelles de l’intensité lumineuse avant l’amplificateur à fibre - autrement dit au niveau du laser Nd :YAG - et après l’amplificateur à fibre, respectivement avant et après la mise en place de l’isolateur optique. Sur la figure 3.9, nous constatons que l’intensité lumineuse en sortie de l’amplificateur non isolé peut varier de près de 70% en moins de 10 minutes. La figure 3.10 nous montre que l’isolateur optique a fortement limité ces variations.
0 20 40 60 80 100 120
Temps (en min)
Temps (en min)
In te nsité nor mali sée après l’ampl ifi cateur In te nsité nor mali sée avant l’a mpl ifica te u r 0 20 40 60 80 100 120 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Figure 3.9: L’évolution temporelle de l’intensité lumineuse avant et apres l’amplificateur à fibre, avant la mise en place de l’isolateur optique.
Temps (en min) In te nsité nor mali sée après l’ampl ifi cateur 0 20 40 60 80 100 120 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 20 40 60 80 100 120
Temps (en min)
In te nsité nor mali sée avant l’a mpl ifica te u r 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Figure 3.10: L’évolution temporelle de l’intensité lumineuse avant et apres l’amplificateur à fibre, après la mise en place de l’isolateur optique.
L’excitation acoustique ultrasonore
Pour permettre l’imagerie acousto-optique, l’échantillon diffusant est par- couru par une onde acoustique ultrasonore. Cette onde est engendrée par un transducteur piézo-électrique (PZT), plongé dans la cuve d’eau conte- nant l’échantillon. J’ai utilisé un transducteur Panametrics A395S, de focale
fU S=75mm et de fréquence nominale νcU S=2,3 MHz.
La génération du signal d’excitation de ce transducteur est permise par 2 générateurs de fonctions arbitraires Agilent 33220A. Le premier génère la porteuse ultrasonore à sa fréquence nominale νcU S et le second la modulation en amplitude ou en phase nécessaire à l’imagerie acousto-optique. Le mélange de ces deux signaux est assuré par un mélangeur passif ZAD-1H de chez Mini- Circuits. Ce signal est ensuite amplifié par un amplificateur de puissance SCO ALP6080.
En régime d’imagerie, le PZT est déplacé latéralement par une platine de translation linéaire motorisée pas à pas M-ILS150PP de chez Newport, contrô- lée par un contrôleur de platines motorisées ESP300 du même constructeur. Ce déplacement permet de translater la colonne acoustique au sein de l’échantillon diffusant afin d’effectuer l’imagerie du milieu.
La génération des bras optiques hétérodynes
La détection interférentielle suppose la génération de deux bras optiques, l’un appelé « bras sonde » injecté dans l’échantillon diffusant, et l’autre appelé « bras référent » qui constitue le faisceau référent du montage interférentiel. Le faisceau laser est ainsi séparé en deux faisceaux par un cube séparateur de
polarisation (BS), et la répartition de la puissance lumineuse sur les deux bras est ajustée par une lame demi-onde (λ/2).
Le caractère hétérodyne du montage interférentiel est obtenu par l’utili- sation de 2 modulateurs acousto-optiques MAO1 et MAO2, qui permettent de décaler fréquentiellement les deux bras optiques. Nous utilisons des modu- lateurs acousto-optiques de chez AA Opto-Electronic, de fréquence nominale
νcM AO=80MHz fonctionnant sur la plage spectrale 700-1100 nm.
Les signaux d’excitation des MAO sont engendrés par 2 générateurs de fonctions Agilent 33250A. L’amplification de ces signaux est permise par 2 amplificateurs de puissance ZHL-3A de chez Mini-circuits.
La détection interférentielle
La détection holographique est la caractéristique de notre détection inter- férentielle. Elle se base sur un cristal photoréfractif d’Arsenure de Gallium, AsGa, qui présente un bon compromis entre son temps de réponse - devant s’approcher de la milliseconde - et son gain photoréfractif. Le choix d’un tel cristal a été conforté par son obtention relativement aisée du fait de son utili- sation courante dans l’industrie de la microélectronique.
La configuration ici présentée est la configuration orthogonale de diffrac- tion anisotrope. La configuration orthogonale signifie que le faisceau référent entre selon une face orthogonale à l’entrée de la lumière diffusée provenant de l’échantillon. La configuration de diffraction anisotrope signifie que le faisceau diffracté par holographie possède une polarisation horizontale, soit orthogonale à la polarisation verticale du bras référent.
Cette configuration permet de maximiser l’étendue optique de la détection tout en coupant au niveau du détecteur la diffusion parasite du référent sur le cristal.
La détection électronique
La détection électronique est construite autour d’une photodiode Silicium de grande surface S2386-8K de chez Hamamatsu. Le courant photo-électrique engendré est converti en tension par l’utilisation d’un montage de transimpé- dance de valeur R = 10MΩ. Le signal acousto-optique engendré est ensuite analysé par un détecteur synchrone 7260 DSP de chez EG&G, puis enregistré sous forme numérique via un ordinateur.
L’échantillon diffusant
Les échantillons diffusants consistent en une matrice gélifiée d’Agar Agar dans laquelle est diluée une solution diffusante d’intralipides calibrée [66]. La proportion d’Agar utilisée ne modifie pas les propriétés de diffusion lumineuse, mais simplement le module d’élasticité de l’échantillon. Au contraire, la concen- tration d’Intralipides détermine le coefficient de diffusion réduit de l’échantillon à la longueur d’onde optique utilisée . Des inclusions peuvent également être
insérées dans l’échantillon. Elles possèdent les mêmes propriétés de diffusion que le milieu, mais leur absorption est modifiée par addition d’encre noire ab- sorbante [67]. L’échantillon diffusant est maintenu entre les parois d’une cuve de PMMA remplie d’eau.
3.4.2
La liste du matériel expérimental
La liste présente ci-dessous rappelle l’ensemble du matériel utilisé dans notre expérimentation d’imagerie acousto-optique par holographie photoréfrac- tive.
– 1 laser Nd :YAG (Nd : Y3Al5O12), CW, 1W, λL= 1064nm : Crystalaser IRCL-1W_1064S,
– 1 amplificateur à fibre dopée Y b3+
, CW, 5W : Keopsys KPS-BT2-SLM- YFA-50-PM-FA,
– 2 modulateurs acousto-optiques (MAO), νcM AO=80MHz, ∆νcM AO = 20MHz, 700-1100 nm : AA Opto-Electronic AA.MT.80/B20/A1-IR,
– 1 cristal massif photoréfractif d’AsGa – 2 polariseurs linéaires
– 2 amplificateurs de puissance large bande pour les MAO : Mini-circuits ZHL-3A,
– 1 isolateur optique Faraday : Isowave I-106-T5H,
– 1 platine de translation linéaire motorisée pas à pas : Newport M-ILS150PP – 1 contrôleur de platines motorisées : Newport ESP300
– 1 transducteur piézo-électrique ultrasonore (PZT), fU S=75mm, νcU S=2,3 MHz : Panametrics A395S
– 1 amplificateur de puissance pour le PZT : SCO ALP6080
– 2 générateurs de fonctions arbitraires, ∆νGF1=80MHz : Agilent 33250A – 2 générateurs de fonctions arbitraires, ∆νGF2=20MHz : Agilent 33220A – 1 mélangeur de signaux passif, νmix = 0.5 - 500 MHz : Mini-Circuits
ZAD-1H
– 1 détecteur à base de photodiode Silicum de fabrication maison : Hama- matsu S2386-8K polarisée à -5V + transimpédance (TI OPA656, 10Mo) + bootstrap (BF862)
– 1 détecteur synchrone : EG&G 7260 DSP
– 1 ordinateur PC fixe avec une carte GPIB et une carte son grand public Creative Audigy 2