HAL Id: jpa-00215152
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PROPRIÉTÉS ACOUSTIQUES ET ACOUSTOOPTIQUES DU SOUFRE α
J. Sapriel, L. Rivoallan, J. Ribet
To cite this version:
J. Sapriel, L. Rivoallan, J. Ribet. PROPRIÉTÉS ACOUSTIQUES ET ACOUSTOOP- TIQUES DU SOUFRE α. Journal de Physique Colloques, 1972, 33 (C6), pp.C6-150-C6-155.
�10.1051/jphyscol:1972634�. �jpa-00215152�
JOURNAL DE PHYSIQUE
Colloque C6, suppl6ment au no 11-12, Tome 33, Novembre-Décembre 1972, page 150
PROPRIÉTÉ s ACOUSTIQUES ET ACOU STOOPTIQUES DU SOUFRE a J. SAPRIEL
Centre National d'Etudes des Télécommunications, 196, rue de Paris, 92-Bagneux, France L. RIVOALLAN
Centre National d'Etudes des Télécommunications, route de Trégastel, 22-Lannion, France et J. L. RIBET
Faculté des Sciences de Montpellier, place Eugène-Bataillon, 34-Montpellier, France
Résumé. -
Les propriétés acoustiques (constantes élastiques, atténuations ultrasonores) ainsi que les propriétés acoustooptiques (facteurs de mérite, constantes photo-élastiques) ont
étédéterminées pour les ondes acoustiques longitudinales se propageant suivant les axes princi- paux du soufre
a.Les fréquences ultrasonores sont comprises entre 80 MHz et 500 MHz. La longueur d'onde lumineuse est de
6 328A.
Cette étude fait apparaître que ce matériau est particulièrement indiqué pour les applications acoustooptiques de modulation et de déflexion lorsque les polarisations acoustique et lumineuse sont toutes les deux parallèles
àl'axe (001). Un déflecteur en soufre, optimisé pour la gamme des longueurs d'onde du visible, est également décrit. Ses performances (capacité, temps d'accès, puissance utile de fonctionnement), comparées aux dispositifs existants, sont très avantageuses.
Abstract. -
a-sulphur acoustical and acoustooptical properties, such as elastic and photo- elastic constants, figures of merit, ultrasonic attenuation, have been investigated for acoustical waves propagating along the principal axes and ultrasonic frequencies ranging between 80 MHz and 500 MHz. The measurements were done at
6328 8.
This material appears to be very interesting as far as modulation and deflexion applications are concerned when both acoustic and light polarizations are parallel to the
(001)axis. Moreover, a sulphur deflector which has been optimized for visible wavelengths, is described. Its charac- teristics (capacity, access-time, electrical drive power) are much improved compared to previous devices.
Le soufre
aest un cristal jaune clair, plutôt léger ( p
=2,075 g/cm3) et mou (dureté 2 dans l'échelle de Mohs), optiquement biaxe et fortement aniso- trope. La forme
aorthorhombique, la seule stable
àla température ambiante appartient au groupe ponc- tuel centrosymétrique mmm (groupe spatial Fddd).
La maille multiple contient 16 molécules S,. Ses côtés, parallèles aux axes principaux de l'ellipsoïde des indices, ont comme longueur 10,46 A, 12,87 A
et 24,49 A.
Le cristal est parfaitement transparent entre 0,5 p et 6,6 y (cette dernière valeur correspond
àla raie d'absorption du CS, inévitablement piégé
àl'inté- rieur du matériau). Il existe [ l ] deux bandes d'absorp- tion importantes
à7,7 y et
à11,8 p. On trouve éga- lement plusieurs autres bandes plus faibles centrées sur 9,5 y, 10,2 p, 10,7 p, 11 p.
Dans les expériences que nous avons réalisées, les ondes ultrasonores longitudinales ainsi que les ondes lumineuses se propageaient suivant les axes (100), (010)
et (001) que nous désignerons respectivement par 1, 2, 3.
Nous avons pu déterminer ainsi 9 composantes indépendantes de la matrice de photoélasticité et 3 composantes de la matrice d'élasticité [2]
àla tem- pérature ambiante
(T cz20 OC).
Les blocs de soufre
aont été obtenus par croissance très lente
àpartir de solutions dans CS,. Les topo- graphies de Lang [3] attestent de la faible densité de dislocations présentes dans le cristal et diverses ana- lyses (radio-activation neutronique et spectrophoto- métrie d'absorption atomique) ont montré sa grande pureté chimique. En dehors de la zone du germe, la qualité optique des échantillons est très satisfaisante.
Une première partie de cette étude est consacrée aux mesures des constantes élastiques, de l'atténua- tion ultrasonore en fonction de la fréquence, des coefficients photoélastiques pour la longueur d'onde 6 328 A du laser He-Ne.
Dans la seconde partie, les mesures des facteurs
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1972634
PROPRIÉTÉS ACOUSTIQUES ET ACOUSTOOPTIQUES DU SOUFRE a C6-151
de mérite acoustooptiques sont complétées
à5 145 A
(raie principale du laser
àargon ionisé) et les avan- tages du soufre sont analysés, en tant que matériau d'interaction optoélastique dans les dispositifs de déflexion et de modulation de la lumière.
1. Mesures acoustiques et acoustooptiques dans le soufre a. - Les mesures effectuées font toutes inter- venir l'interaction de la lumière avec les ultrasons et les constantes (élastiques et photoélastiques) sont essentiellement dynamiques. Les puissances lumi- neuses et acoustiques mises en jeu dans les expériences sont faibles (toutes qeux sont de l'ordre du milliwatt dans le soufre) de manière
àpouvoir négliger les phénomènes thermiques. Les résultats que nous rap- pelons tout d'abord sont relatifs aux milieux d'inter- action lorsqu'ils sont isotropes, ou tels que l'indice de réfraction correspondant
àla polarisation de l'onde lumineuse incidente est égal
àcelui associé
àl'onde lumineuse diffractée par les ultrasons
[4].Ces conditions sont respectées dans toutes nos expé- riences.
Un faisceau incident parallèle de longueur d'onde
Âdans le vide est dévié par les ondes acoustiques d'un angle O tel que
f est la fréquence des ultrasons, v leur vitesse de phase dans le milieu d'interaction,
nl'indice associé
àla polarisation des ondes lumineuses. Ainsi, lorsqu'on fait varier la fréquence des ultrasons on modifie angulairement la position du faisceau dévié. La pro- portion maximale
qde lumière déviée de l'angle 8 pour un faisceau donné d'ondes acoustiques progres- sives dépend de l'indice de modulation [5]
v =
2 7~(6n),~, LIA (2) (dn),, est l'amplitude des variations sinusoïdales de l'indice de réfraction produites par le passage des ultrasons. L représente la dimension du faisceau acoustique parallèle
àla direction de propagation de la lumière (longueur d'interaction)
Dans le cas d'un faisceau de puissance acoustique W et de section rectangulaire L x h
M2 est le facteur de mérite acoustooptique [6] du matériau d'interaction, le plus usité. Son expression est donnée par
(1) Cette relation (3) est valable pour v
<
1 que l'on soit en régime de Bragg ou de Raman et Nath. Pour la définition de ces régimes, voir la référence [ 5 ] .p
est la densité du milieu, p Ia constante photoélas- tique appropriée ; p et v dépendent de la direction et de la polarisation de l'onde acoustique
; pdépend de plus de la polarisation de l'onde lumineuse. Ainsi, pour v < 1,
yest proportionnel
àM2 et également
àla puissance acoustique. Expérimentalement on se place toujours
à v< 1 (y < 1 %).
Le dispositif de mesures, analogue
àcelui mis au point par Dixon et Cohen [7] est représenté figure 1.
Un transducteur de LiNbO, de coupe Y + 36O est
collé
àl'indium sur un parallélépipède de silice. Grâce
àce transducteur
àtrès large bande, nous avons pu produire des ondes acoustiques longitudinales entre 80 MHz et 250 MHz et de section carrée 2 mm x 2 mm.
Le cristal de soufre, taillé suivant les axes cristallo- graphiques est collé
àl'autre extrémité de la sifice.
Les ultrasons sont excités sous forme d'impulsions de durée variable entre 0,l et 0,5 ys. Le faisceau laser est dirigé successivement sur la silice et sur le soufre.
M a t é r i a u Impulsions
Faisceau
v ' ~
direct
1 3 ~ z ~ w y
de renvoi transmis
lmpulsi6ns Transducteur
1
acoustiques
FIG. 1.
-
Montage expérimental pour la détermination des propriétés acoustiques et acoustooptiques.L'impulsion acoustique se propage d'abord dans la silice et donne naissance
àd'autres impulsions transmises ou réfléchies quand elle aborde,
àinci- dence normale, la surface de séparation de deux milieux d'impédances acoustiques différentes (silice- soufre, soufre-air, silice-transducteur). Toutes les inter- faces sont planes et parallèles de manière
àconserver la direction de propagation des ultrasons. Chaque fois qu'une impulsion acoustique traverse le faisceau laser incident, il y a création d'une impulsion lumi- neuse déviée qui peut être recueillie sur un photo- multiplicateur.
La mesure de l'angle de déviation O permet d'après (1) de calculer les vitesses acoustiques
;les différentes impulsions sont alors aisément repérables sur l'oscil- loscope par les intervalles de temps qui les séparent.
Si
viest la vitesse des ondes longitudinales dans la direction de l'axe principal i (i
=1, 2, 3)
:vi =
(cii/p)1'2 (6)
cii sont les constantes élastiques associées. On trou- vera les valeurs de vi et ci dans les colonnes 3 et 4
11
J. SAPRIEL, L. RIVOALLAN ET J. L. RIBET
Propriétés acoustiques et acoustooptiques du soufre a
( T
=20 OC
;A
=6 328 A)
Polar.
lum.
-
1 2 3 1 2 3 1 2 3
Polar.
acoust.
- 1
11 2 2 2 3 3 3
Vitesse acoust.
m/s
-2 700 2 700 2 700 2 560 2 560 2 560 3 065 3 065 3 065
Cte élast.
10" dyne cm-' - C l ,
=1,51 C l ,
=1,51 C l ,
=1,51 CZ2
=1,36 C22
=1,36 CZ2
=1,36 C33
=1,95 C33
=1,95 C3,
=1,95 du tableau 1. Dans nos expériences, les vitesses sont déterminées
à& 0,5 % et les constantes élastiques
à+ 1 %. Les mesures ont été confirmées sur tous les échantillons (une dizaine au total) et ont été effectuées entre 100 MHz et 250 MHz. Les constantes élastiques indiquées sur le tableau 1 sont supérieures de 6
à7 %
àcelles trouvées par Haussühl [8]
à15 MHz et sur des échantillons de même origine
;elles diffèrent totalement des mesures plus anciennes de Sundara Rao [9].
Soit q, la proportion de I'intensité lumineuse dif- fractée lors du premier passage de l'impulsion acous- tique (impulsion 1) dans la silice, n, celle correspon- dant
àl'impulsion 3 transmise dans le matériau.
n4 est associé
àl'impulsion 4 obtenue
àpartir de 3 par réflexion sur la surface libre de l'échantillon de soufre, n2 correspond au retour de 4 dans la silice (impulsion acoustique 2). Les différents n sont obte- nus lorsque le faisceau laser est orienté
àl'incidence de Bragg par rapport
àl'impulsion acoustique envi- sagée. Les équations de passage entre différents milieux acoustiques nous permettent d'obtenir le rapport des facteurs de mérite M 2 dans le soufre et la silice
:M2 (soufre)
n 3 ?4 112--
= --M , (silice) (ni v,)
Indice - 1,947 2,026 2,228 1,947 2,026 2,228 1,947 2,026 2,228
M2 u. relatives
- 212,5
142 172,5 105 269 250 90 138 315
Cte photoel.
v. absolue
-
0,49 0,356 0,296 0,284 0,453 0,328 0,387 0,325 0,484 dont la polarisation est parallèle
àl'axe
iet
àune vibration acoustique dont la polarisation est paral- lèle
àl'axe
j :Connaissant le facteur de mérite de la silice (il est maximum pour la polarisation lumineuse perpendiculaire au plan formé par les directions de propagation de la lumière et des ultrasons et égal
à1,52 x 10-l8 CGS), on déduit de (7) et (5') la valeur absolue du coefficient photoélastique
pij.Nous avons reporté tableau 1, colonnes 6 et 7 les valeurs des MT et des
( p , (mesurés pour la raie 6 328 A du laser He-Ne et
àl'ambiante ( T = 200C). L'erreur sur M est estimée
à+ 5 O/, et par conséquent l'erreur sur les
pest de I 3,25 %.
Les MY mesurés
à12 MHz par Haussühl et Weber [IO] sont inférieurs
ànos valeurs d'un fac- teur 1
à3. Ce désaccord expérimental reste inexpliqué.
L'atténuation acoustique est mesurée par une méthode d'échos en faisant le rapport q3/q4 des pro- portions de l'intensité lumineuse déviées par les impulsions acoustiques 3 et 4. Elle est ensuite ramenée
àl'unité de longueur du matériau et exprimée en décibels. Les mesures portent sur des fréquences Ce résultat est vrai quelle que soit l'absorption comprises entre 80 et 250 MHz. Dans la direction 3 oii les atténuations sont nettement plus faibles que acoustique dans les matériaux et quel que soit le col-
dans les autres directions, nous avons pu effectuer lage pourvu qu'il soit homogène [7].
Nous avons introduit dans le montage classique une mesure
à500 MHz.
Nous avons représenté l'atténuation a sur la figure 2.
un miroir de renvoi M (Fig. 1). Il conduit
àmesurer
Elle
suit une loide la forme
:l'intensité du faisceau laser après traversée des échan-
tillons et permet ainsi de tenir compte
: a d ~ / ~ m = C d ~ / ~ m(8) 1) des fluctuations possibles de la source laser, f est la fréquence exprimée en mégahertz, C est la 2) des variations de la transmission en fonction valeur de l'atténuation par centimètre de matériau de l'échantillon, de la polarisation de la Iiimière inci-
à100 MHz, la valeur 100 MHz étant une valeur dente et de la position du faisceau lumineux (défauts courante dans les dispositifs acoustooptiques. Nous locaux éventuels de surface). avons, dans le tableau II, porté les valeurs de C et de
ypour les directions de propagation principale 1,2,3.
Soit MY la valeur du facteur de mérite acousto- On peut constater que l'exposant
yse tient, comme
optique M2 correspondant
àune vibration lumineuse dans la plupart des matériaux, autour de la valeur 2.
PROPRIÉTÉS ACOUSTIQUES ET ACOUSTOOPTIQUES DU SOUFRE cz C6-153
TABLEAU II importante, interaction acoustooptique réalisable sur Valeurs des paramEtres C et y dans l'expression de larges bandes de fréquences ultrasonores) et une a,,,,,
=C(
fM, JIde l'atténuation à tempé- atténuation acoustique faible. En plus de ces qualités, rature ambiante (T - 20 OC) pour les ondes acous- il est nécessaire de pouvoir disposer d'Cchantillons tiques longitudinales. de dimensions suffisantes pour la réalisation de dispo- sitifs. L'avantage du soufre
ciest qu'il est possible Direction
de propagation C dB/cm
-
-
-Y
1 2,24 1,96
2 3,51 1,84
3 1,34 2,036
actuellement de l'obtenir sous forme de monocristaux de plusieurs dizaines de cm3 et de bonne qualité optique. De plus, le soufre
cin'est pas hygroscopique et ses faces gardent leur poli. Ses qualités mécaniques sont suffisantes. En effet, il supporte des pressions maximales [Il], parallèles aux axes cristallographiques de l'ordre de 600 kg/cm2, ce qui le rend propre
àdes opérations technologiques telles que le collage
àl'in- dium (environ 300 kg/cm2).
Le plus souvent on se trouve en acoustooptique dans une situation expérimentale, appelée difiaction de Bragg et qui se produit quand le facteur Q
=k*2 L/k est nettement supérieur
àl'unité [5] (k est le nombre d'onde de la lumière et k* celui des ultrasons). Dans les conditions où l'angle d'incidence (2) des rayons lumineux est égal
à012 (incidence de Bragg) la lumière est déviée dans la seule direction 0 donnée par l'ex- pression (1). La proportion
gde lumière diffractée quand on est
àincidence de Bragg est égale
à :Ainsi pour
v =n, la totalité de l'intensité lumi- neuse est déviée de I'angle 8.
Supposons que nous soyons placés
àincidence de Bragg pour la fréquence
fo.La proportion de lumière déviée est alors maximale et donnée par (9). Si on s'écarte de
foen fréquence, tout en conservant I'inci- dence constante, il en résulte une baisse de I'intensité déviée, mais qui reste admissible (3 dB d'atténuation)
àl'intérieur d'une bande Af centrée surf,; Af vérifie [6]
Le temps d'accès
zdu faisceau lumineux
àune position bien définie par déflexion est égal
àFic. 2. - Atténuation acoustique dans le soufre a.
r = - D
u
2.
Le soufrea,
matériau d'interaction pour les dis- positifs acoustooptiques. -Déflecteurs et modula- teurs, mettant
àprofit l'interaction de la lumière avec les ultrasons, sont utilisés dans les mémoires et filtres optiques, les imprimantes rapides, les dispo- sitifs de production d'impulsions brèves, les « Q-switch » et divers autres systèmes dont ils constituent alors les éléments essentiels. Ce type d'applications, très actuel depuis la découverte et l'extension du laser en tant que source cohérente de lumière, a stimulé la recherche de matériaux acoustooptiques nouveaux.
Les caractéristiques recherchées sont des facteurs de mérite élevés (proportion d'énergie lumineuse déviée
z
est le temps mis par les plans d'ondes acoustiques.
pour traverser le faisccau lumineux de dimension D.
La largeur angulaire totale balayée dans une excur-.
sion Af en fréquence est A8
=3.Aflv
;si on divise A 0 par la divergence Â/D du faisceau lumineux, on obtient.
le nombre N de positions séparables ou capacité d'un.
déflecteur linéaire
(2) Précisons qu'en acoustooptique, l'angle d'incidence est I'angl: que font les rayons lumineux avec les fronts d'onde acoustiques.
J. SAPRIEL, L. RIVOALLAN ET J. L. RIBET
Polarisation lumineuse
TABLEAU III
Facteurs de n~érite acoustooptiques du soufre cc ( T
=20
OC,A
=6,328 A) Polarisation
acoustique
Ml
(*)u. relatives
-
58 40,5 54 20'5 69 70 32 29,5
M2
(*)u. relatives
- 212,5 142 172,5 105 269 250 90 138 315
M3
(*)u. relatives
- 128
89 119,5
48 1 60 164 62 58 247
(*)
Toutes les valeurs données sont relatives aux figures de mérite maximales de la silice. Pour passer aux valeurs absolues, il faut multiplier par 1,52 x 10-'\our M,, par 7,88 x pour M l et par 1,32 x 10-l2 pour M, (système CGS).
On vérifie que le produit Af x
qest proportionnel, pour
v4 1, au facteur de mérite M l
= n7p2/pv.
M l tient compte
àla fois de la largeur de bande et de l'efficacité de l'interaction. De même, N x
qest pro- portionnel
àla quantité
n7pZ/pu2 qui est désigné par M,. Dans le soufre cc,
net p sont importants
;par ailleurs, p et
vsont faibles ce qui fait que tous les M l , M2, M , sont élevés.
Sur le tableau III, nous avons porté les facteurs d e mérite M l , M,, M, du soufre, pour la longueur .d'onde 6 328 A, en fonction des polarisations de la lumière et des ultrasons. Ils sont tous supérieurs aux facteurs de mérite de composés acoustooptiques clas- siques comme l'acide cc-iodique [12] et le molybdate d e plomb [l3], même lorsque ceux-ci sont utilisés dans les conditions les plus favorables.
La situation, dans le soufre
ccoù polarisation de la lumière et direction de propagation des ultrasons sont parallèles
àl'axe 3, est particulièrement intéressante
:les facteurs de mérite M ; ~ , ~i~ et ~3~ y présentent tous trois un maximum et sont respectivement égaux
à127, 315, 247, c'est-à-dire supérieurs d'environ un ordre de grandeur aux facteurs de mérite dans le cc-HIO, et le PbMoO,. Seul le cinabre [14], présente des facteurs de mérite plus élevés
à6 328 A, mais sa cristallogenèse [l5] pose encore des problèmes. La paratellurite [l6] ne permet pas d'obtenir de larges bandes d'interaction acoustooptiques (Ml et M , faibles), même si le facteur de mérite M2
yest élevé
(=500).
Il se trouve par ailleurs que dans le soufre la direc- tion 3 est de plus celle pour laquelle l'atténuation est la plus faible. Dans les déflecteurs acoustooptiques, une valeur typique du temps d'accès est
z =1 ps.
Comme on peut tolérer
3dB d'atténuation sur une longueur égale
àcelle du faisceau lumineux, cela fixe
à270 MHz la fréquence limite d'utilisation du soufre dans de tels dispositifs.
Le soufre commence
àabsorber les radiations
lumineuses vers 5
000A
(à4 956 A,
cc =0,l cm-'), la transition
àces longueurs d'onde étant supposée indirecte [17]. A 5 145 A, pour la raie principale de l'argon ionisé, le soufre est donc complètement trans- parent. Les indices principaux [IS] du soufre a sont représentés en fonction de 3, sur la figure 3. Ils croissent notablement vers les courtes longueurs d'onde. Nous avons mesuré ~ 2 , et
à5 145 A. Ils sont respec- tivement égaux
à425 et 157. L'augmentation de I'in- dice n, entre 6 328 A et 5 145 A laisse prévoir une augmentation de 18 % pour ~ 2 ~ . Or elle est en réalité
I
soufre C iFIG. 3. - Indices principaux du soufre a.
PROPRLÉTÉS ACOUSTIQUES ET ACOUSTOOPTIQUES D U SOUFRE a C6-155
de 38% d'après nos mesures. Nous pouvons inter-
préter cet écart comme une augmentation du coeffi- cient photoélastique
p,,,compte tenu de l'incertitude des mesures, de l'ordre de 10 %.
Considérons un déflecteur linéaire avec le soufre comme matériau d'interaction et centré sur 200 MHz.
Supposons que le faisceau acoustique, se propageant suivant l'axe 3, soit de section carrée 3,2 mm x 3,2 mm.
Ce déflecteur dévie la totalité de la puissance lumi- neuse
à6 328 A d'un faisceau laser de 3 mm de dia- mètre en 100 positions différentes avec un temps d'accès de 1 ps et compte tenu de la valeur de ~ 2 3 ,
il ne faut pas plus d'une puissance acoustique de 420 mW pour obtenir ce résultat. Ce même déflecteur utilisé
à5 145 A aurait une capacité N
=130
;la puissance acoustique nécessaire pour dévier 100 %
de la lumière n'étant alors que de 200 mW.
Sur cet exemple, le soufre
ciapparaît bien comme un matériau de choix en ce qui concerne les disposi- tifs acoustooptiques dans le visible, pour les longueurs d'onde principales des lasers He-Ne et argon ionisés.
Nous n'avons pas fait de mesures relatives aux lon- gueurs d'onde 1,06 p, 1,15 p, 3,39 mais tout porte
àcroire que le soufre
ase montrera également inté- ressant pour les domaines de l'infrarouge proche et moyen.
Remerciements.
-Les auteurs remercient J. Jer- phagnon pour avoir suggéré cette étude, A. M. Ver- gnoux pour les intéressantes discussions sur les propriétés physiques du matériau, J. Favre pour l'assistance technique, M. Tréheux et R. Torguet pour le soutien technologique et G . Pierson pour l'orienta- tion et le polissage des cristaux de soufre.
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