Modulation acousto-optique en double passage

La majeure partie du rayonnement infrarouge provenant des diodes lasers est utilisée pour le photomélange. Après avoir brièvement vu le principe de la mo- dulation acousto-optique, nous verrons comment celle-ci est mise en oeuvre pour accorder en fréquence le rayonnement infrarouge avant photomélange.

Principe de la modulation acousto-optique.

Basée sur les prédictions de Brillouin en 1921 [109] puis les observations de Sears et Debye [110], l’effet acousto-optique permet de décaler la fréquence d’un laser par le biais d’une onde acoustique. Dans les modulateurs acousto-optiques (MAO), cet effet modifie la fréquence d’un rayonnement infrarouge d’une valeur déterminée par la fréquence de l’onde sonore imposée. L’onde ultra-sonore y est générée dans un cristal par une céramique piézo-électrique.

Diffraction acousto-optique : Pour modéliser l’effet acousto-optique [111], on considère une onde lumineuse plane de longueur d’onde λ , incidente sur un milieu d’indice n, de dimension infinie. Dans ce milieu, se propagent des ultrasons de longueur d’onde λa.

Cette onde acoustique se propage dans le matériau, occasionnant une succession de compressions et de dilatations auxquelles on va associer un réseau de période λade variations d’indice n + δ n. Ce réseau d’indice apparaît immobile vis-à-vis

de l’onde lumineuse dans une première approximation. Le système étudié est alors dans un régime dit de Bragg [112], ce qui permet d’écrire la relation de Bragg (2.3).

2λasinθb= λ /n (2.3)

L’onde incidente va se retrouver diffractée par le réseau d’indices du milieu (FIG. 2.5). Il n’y aura interférence constructive que si le faisceau lumineux ar- rive avec un angle θbpar rapport aux plans d’onde acoustique, où l’angle θbest

appelé angle de Bragg. Le rayon diffracté d’ordre M est alors dévié par rapport au faisceau incident dans le milieu d’un angle 2M.θb.

FIG. 2.5: Principe de la diffraction de l’onde optique incidente sur le réseau d’in-

dice du milieu (a) diffraction suivant l’ordre 1 du réseau (b) diffraction suivant l’ordre -1 du réseau.

FIG. 2.6: Composition des vecteurs d’onde (a) Dans le cas d’une modulation

d’ordre +1 ; (b) Dans le cas d’une modulation d’ordre -1.

Cette interaction entre onde acoustique et optique, peut aussi être considérée comme une interaction stricte entre photon et phonon, qui donne lieu à un photon diffusé. Suivant la direction de propagation de l’onde acoustique, on a diffraction suivant un ordre 1 ou -1. Les règles de conservation de l’énergie et des vecteurs d’onde (FIG. 2.6) donnent alors les relations (2.4) pour les fréquences et (2.5) pour les vecteurs d’onde.

νd= νp± νa (2.4)

− →_k

d = −→kp±−→ka (2.5)

Suivant l’ordre de diffraction utilisé, il est donc possible de décaler la fréquence laser de plus ou moins la fréquence imposée par une onde ultrasonore. Pour le

montage expérimental on ne s’intéressera qu’aux ordres ±1 de diffraction qui sont les ordres de diffraction les plus intenses créés par les MAO.

Implantation des MAO au sein du spectromètre.

Les MAO étant peu encombrants et facilement pilotables par des synthétiseurs leur utilisation est idéale pour décaler la fréquence d’émission de nos diodes lasers.

Présentation des modulateurs : Pour réaliser cette modulation, nous dispo- sons de deux MAO identiques, à cristaux de dioxyde de tellurium (TeO2) , qui

permettent de décaler la fréquence d’un signal de 270MHz ± 67MHz. Ils sup- portent une puissance d’entrée de 1W pour une efficacité constructeur évaluée de 70% à 785 nm et une taille de faisceau de 1mm de diamètre.

Chacun est piloté par un synthétiseur dont le signal est amplifié par un amplifi- cateur alimenté avec une tension de 24V, de gain 30dB. Ces synthétiseurs per- mettent de balayer continûment la plage spectrale de modulation des MAO. Les modulateurs sont positionnés sur des platines de rotation afin de pouvoir modifier l’angle d’incidence des faisceaux lasers et donc de pouvoir maintenir l’incidence à l’angle de Bragg pour différentes fréquences de modulation. Nous avons décidé de positionner ces modulateurs en montage de double passage. Cette technique présente comme on le verra plusieurs avantages.

Principe du MAO en double passage : Dans un montage en double passage, le faisceau infrarouge une première fois modulé est renvoyé dans le MAO par un miroir. Il est alors modulé une deuxième fois et décalé en fréquence à la sor- tie du montage de deux fois la fréquence de l’onde sonore imposée. En jouant sur les ordres ±1 de diffraction des modulateurs, il est alors possible de couvrir, sans modifier les fréquences d’émission des diodes, une plus large plage spec- trale qu’en un seul passage. La fréquence ω1de l’émission laser à la sortie d’un

système MAO en double passage est de la forme

ω1= ωDCLE1± 2ωMAO1 (2.6)

Où ωDCLE représente la fréquence d’émission de la diode laser et ωMAO la fré-

quence de modulation acoustique imposée. Dans notre montage, la plage spec- trale couverte pour l’ordre de diffraction +1 s’étend entre

ω1= ωDCLE1+ 2 × 203.106Hz et ω₁0= ω_DCLE1+ 2 × 337.106Hz

Le système mis en place pour une source laser peut ainsi couvrir un plage spec- trale de 268 MHz de part et d’autre de la fréquence d’origine des lasers suivant l’ordre de diffraction choisi (FIG. 2.7).

FIG. 2.7: Plage de décalage en fréquence accessible à partir de la fréquence

d’émission d’une diode infrarouge par un montage de modulation acoustique en double passage. Suivant l’ordre de modulation utilisé on diminue ou augmente la fréquence du signal.

Chacune des diodes lasers voit son émission modulée suivant ce principe. Cette configuration en double passage nous apporte donc une meilleure couverture spectrale tout en amoindrissant le nombre de réglages à effectuer directement sur les diodes lasers ce qui sera un atout dans la procédure de stabilisation. Lors du photomélange les diodes conservent les mêmes fréquences d’émission alors qu’on balayera une plus importante plage spectrale en une fois, ce qui est un atout pour la spectroscopie.

Mise en place dans le spectromètre : Nous avons vu que pour un ordre M de diffraction donné, le faisceau émergent du MAO est dévié d’un angle 2M.θbpar

rapport au faisceau incident, où θb

θb= arcsin  λ 2nλa  (2.7) L’angle de Bragg (2.7) augmente donc avec la fréquence de modulation impo- sée, ce qui est problématique dans le chemin optique retour pour la deuxième modulation. Pour que le montage double passage soit efficient, il faut disposer d’un système qui permet de passer outre les contraintes de décalage angulaire

causé par la première modulation. Il doit pouvoir renvoyer le faisceau laser une première fois modulé dans le MAO pour tous les angles de Bragg. La modula- tion des fréquences laser en double passage est donc organisée en utilisant un montage oeil de chat pour s’affranchir de ce problème [113]. Le dispositif com- porte, une lentille de focale 10 cm, une lame λ /4, ainsi qu’un miroir de renvoi. Dans ce système, l’ordre 0 de diffraction, qui est inutile, est éliminé en lui faisant écran (FIG. 2.8).

FIG. 2.8: Principe de la modulation acousto-optique en double passage. L’ordre

0 qui est inutile est écranté après son passage dans la lentille.

Dans le montage œil de chat, la lentille est placée à distance focale du centre du MAO. Après passage par cette lentille, le faisceau laser une première fois modulé est rigoureusement parallèle à l’axe optique du système [114]. Le trajet de la lumière est alors rigoureusement identique après la première modulation et au retour du faisceau vers le MAO pour la deuxième modulation. Afin de diminuer les trajets optiques ; le miroir de renvoi est placé 10 cm derrière la lentille et le faisceau de retour se trouve alors focalisé par la lentille dans le modulateur. Lors de cette deuxième modulation l’onde lumineuse est encore une fois diffrac- tée et l’ordre 1 (ou -1) de diffraction qui nous intéresse est là encore dévié de l’angle 2θb(où −2θb). Les déviations angulaires de la première et seconde mo-

dulation se compensent. Le faisceau de sortie du montage d’accordabilité en fré- quence se retrouve, de ce fait, confondu avec le faisceau d’entrée. Les montages œil de chat confèrent donc au trajet optique des faisceaux une indépendance de comportement vis-à-vis de la fréquence de modulation. Il sera alors plus facile de superposer spatialement les deux faisceaux pour le photomélange.

A l’entrée du système de modulation en double passage, les faisceaux infra- rouges sont polarisés verticalement. La lame quart d’onde placée après la len- tille assure que les faisceaux de sortie des systèmes MAO aient une polarisation horizontale. A leurs retour il sont alors transmis par les cubes polarisants (FIG. 2.9) vers le photomélangeur.

FIG. 2.9: Détail du fonctionnement de l’œil de chat et marche des rayons pour

différents angles de Bragg. Pour des fréquences de modulation différentes du MAO, le retour du faisceau laser infrarouge doublement modulé reste le même. Le faisceau de sortie du système est superposé avec celui d’entrée.

Pour obtenir la meilleure efficacité de modulation possible, il est important de prendre en compte la taille du faisceau laser incident sur le MAO. En effet, le phénomène de modulation ne donne son entière efficacité que sur une zone de l’ordre du mm. Le positionnement des MAO a tenu compte de ce facteur (TAB. 2.1). La simulation de la propagation des faisceaux donne alors une première idée de la position idéale des modulateurs qui a été ensuite confirmée expéri- mentalement à l’aide de l’analyseur de faisceau.

Diode _{diode laser (cm)}Distance à la _{ceinture simulé}Rayon de _{ceinture effectif}Rayon de

1 64 571µm 560µm

2 70 589µm 596µm

TAB. 2.1: Position des Modulateurs acousto-optiques par rapport à la diode laser