Un nouveau mode de communication photo-acoustique

Il s’agit d’un procédé dans lequel, sans utiliser de récepteur, une personne reçoit  un message sonore qui n’est adressé qu’à elle-même.

Le message sonore module un faisceau laser qui est envoyé au voisinage de l’oreille de l’auditeur et un effet photo-acoustique dans la vapeur d’eau présente dans l’air reconstitue le signal sonore. C’est le système qu’ont mis au point 3 chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT).

 Lorsque une radiation lumineuse modulée par un signal acoustique est absorbée par un milieu gazeux, liquide ou solide, celui-ci émet des ondes aux fréquences du signal acoustique.  C’est à ce phénomène que l’on donne le nom d’effet photo-acoustique.

Les deux processus proposés

Les scientifiques ont imaginé deux méthodes  pour produire à distance des ondes sonores localisées près de l’oreille d’un auditeur. Elles ne diffèrent que par le mode de modulation appliqué au laser. Elles ont été testées au laboratoire à des distances de transmission supérieurs à 2,5 mètres.

Dans les deux cas, la lumière du laser est dirigée vers la région de l’espace où se trouve l’oreille de l’auditeur. La conversion du signal optique modulé en signal sonore s’effectue ainsi : la vapeur d’eau contenue dans l’air absorbe la lumière modulée et, par effet photo-acoustique, des vibrations sonores sont émises dans l’air et transmises jusqu’à l’oreille de l’auditeur. Notons que, même en milieu sec, il existe une quantité importante de vapeur d’eau dans l’air.

-La première méthode de modulation de la lumière laser par le son à transmettre utilise un modulateur acousto-optique (MAO). Ce dernier module en amplitude le laser de transmission 1,9 µm (Fig.1.a).

-Dans la seconde méthode, dite photo-acoustique dynamique, un miroir oscillant commandé par un signal électrique proportionnel au signal sonore à transmettre dévie le faisceau laser. Le signal électrique est, par exemple, issu d’un microphone. A  une certaine distance du laser, proche de l’oreille de l’auditeur, le spot laser se déplace à la vitesse du son (Fig.1.b).
Il en résulte une addition cohérente des ondes acoustiques qui amplifie le signal de sortie et produit une émission d’impulsions acoustiques sans qu’on ait besoin d’une enceinte résonnante (Fig.1.b).

Fig.1. Envoi d’un signal acoustique par photo-acoustque a)Configuration classique : la lumière d’un laser à 1,9072 µm est absorbée par la vapeur d’eau présente dans l’air ambiant. Le faisceau laser est modulé par un modulateur acousto-optique. b) Communication par photo-acoustique dynamique. Elle amplifie le signal. Tiré de Photo-acoustic communications: delivering audible signals via absorption of light by atmospheric H2O RYAN M. SULLENBERGER,* SUMANTH KAUSHIK, AND CHARLES M. WYNN Optics Letters Vol. 44, No. 3 / 1 February 2019 /

Fig.1. Envoi d’un signal acoustique par photo-acoustique
a) Configuration classique : la lumière d’un laser à 1,9072 µm est absorbée par la vapeur d’eau présente dans l’air ambiant. Le faisceau laser est modulé par un modulateur acousto-optique (MAO).
b) Communication par photo-acoustique dynamique. Elle amplifie le signal.
Reproduit avec autorisation de Photo-acoustic communications: delivering audible
signals via absorption of light by atmospheric H2O
RYAN M. SULLENBERGER,* SUMANTH KAUSHIK, AND CHARLES M.WYNN
Optics Letters Vol. 44, No. 3 / 1 February 2019 /

Le laser utilisé est un laser à fibre optique dopée au thulium et sa longueur d’onde de travail est 1,9 µm. Ce choix résulte de plusieurs considérations. Il faut que le faisceau laser ait une portée assez élevée et qu’il soit parfaitement sûr pour l’œil.  Ce type de laser fournit sa puissance maximale et donc a sa plus grande portée à la longueur d’onde de 1,9 µm qui est aussi proche de celle à laquelle l’absorption par la vapeur d’eau est maximale. C’est ce qu’indique la figure 2 ci-dessous. On peut y voir la valeur de l’absorptivité de la lumière par l’eau en fonction de la longueur d’onde de la lumière incidente et la courbe donnant la puissance émise par le laser en fonction des mêmes valeurs de la longueur d’onde.

Fig.2.Absorptivité de la lumière par H2O au voisinage de 1,9 µm On voit le recouvrement de la courbe d’absorptivité avec celle de l’émission du laser à fibre optique dopée au thulium. Tiré de Photo-acoustic communications: delivering audible signals via absorption of light by atmospheric H2O RYAN M. SULLENBERGER,* SUMANTH KAUSHIK, AND CHARLES M. WYNN Optics Letters Vol. 44, No. 3 / 1 February 2019 /

Fig.2. Absorptivité de la lumière par H2O au voisinage de 1,9 µm
On voit le recouvrement de la courbe d’absorptivité avec celle de l’émission du laser à fibre optique dopée au thulium.
Reproduit avec autorisation de Photo-acoustic communications: delivering audible
signals via absorption of light by atmospheric H2O
RYAN M. SULLENBERGER,  SUMANTH KAUSHIK, AND CHARLES M. WYNN
Optics Letters Vol. 44, No. 3 / 1 February 2019 /

Ceci est doublement avantageux :  d’une part cette absorption atténue le signal optique quand il se propage, ce qui le rend inoffensif  pour l’auditeur, d’autre part elle est précieuse  car le signal acoustique lui est proportionnel.

 

La  méthode de  la photo-acoustique  dynamique, présente l’avantage de générer des ondes sonores localisées dans l’espace. Le processus consiste à balayer un faisceau laser de façon à ce que la vitesse transverse à la propagation  soit égale à la vitesse du son dans le milieu absorbant, c’est-à-dire la vapeur d’eau ambiante. Les ondes acoustiques s’ajoutent alors de façon cohérente le long de la direction de balayage en cet endroit. Ceci crée un front d’onde sonore local semblable à une onde de choc se propageant selon la direction normale à l’axe de propagation. Cette méthode augmente donc les niveaux du son local et permettent de localiser  le signal près de l’auditeur choisi.

 

Avec un laser 1,9 µm à fibre optique dopée au thulium. on peut créer des signaux photo-acoustiques à partir de la vapeur d’eau de l’atmosphère tout en utilisant de faibles puissances laser pour garantir la sécurité de l’œil. La photo-acoustique dynamique permet d’amplifier le signal optique bien plus intensément que les techniques photo-acoustiques traditionnelles.

Cette technique peut servir à développer  des systèmes de communications capables de délivrer des messages audibles à des personnes démunies de tout équipement de télécommunication.

 

 

 

 

Pour en savoir plus :

Photo-acoustic communications: delivering audible signals via absorption of light by atmospheric H2O

RYAN M. SULLENBERGER,* SUMANTH KAUSHIK, AND CHARLES M. WYNN

Optics Letters  Vol. 44, No. 3 / 1 February 2019 /