Projet ANR-11-ASTR-0012 – MEDUSE : Métrologie pour la Détection des Ondes Acoustiques
Programme : Accompagnement Spécifique de Travaux de Recherches et d'Innovation Défense (ASTRID)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Madame Stefania RESIDORI (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE COTE D'AZUR)
Partenaires : Institut Non Linéaire de Nice; THALES
Montant : 174250.0 euros
Durée : 24 mois
Résumé : Fibres optiques et holographie pour le monitorage sous-marin et la protection côtièreLa détection des ondes acoustiques en milieu sous-marin constitue un des enjeux majeurs en termes de protection civile et défense. Le problème est de réaliser des capteurs à la fois sensibles, robustes et faciles à déployer. Dans le projet on propose l’utilisation des fibres optiques en association avec des méthodes de détection basées sur l’holographie dynamique.
Amélioration des capteurs acoustiques sous-marinsLa détection des ondes sonores sous-marines est d'une importance fondamentale pour la surveillance des zones côtières, et comprend des applications civiles, comme la bioacoustique, la surveillance de l’activité sismique sous-marine, la détection du bruit environnemental, ainsi que des applications militaires, comme la détection de sous-marins et navires de surface, de plongeurs ou de drones sous-marins. À cet effet, les capteurs en fibre optique constituent une avancée technologique importante par rapport aux technologies plus conventionnelles comme celles basées sur les capteurs piézoélectriques. En effet, le capteurs en fibre faits du matériel diélectriques, notamment du verre, permettent d’éviter tous les problèmes de corrosion liée à la salinité de l’eau marine et réalisent en même temps une grande facilité de déploiement, soit local à partir d’un bateau soit en réseaux côtiers. La facilité de déploiement permettra de réaliser des maillages de surveillance étendue sur grande surface, avec des bénéfices importants, par exemple, au niveau de détection séismique, des études des modes de communication des cétacés, du contrôle du bruit côtier et, en général, des perturbations environnementales.
Utilisation croisée des fibres optiques et techniques de détection par holographie dynamiqueLes fibres optiques permettent d’obtenir une sensibilité importante aux perturbations de phase produites par les ondes sonores. De plus, elles sont relativement faciles à traiter et à aligner optiquement. Dans notre dispositif, les fibres optiques sont couplées avec des éléments à cristal liquide qui permettent d’améliorer la sensibilité des capteurs à fibre grâce à des techniques d’holographie dynamique. A la sortie des fibres optiques les perturbations de phase induites sur la lumière par les perturbations acoustiques sont amplifiées et révélées grâce aux effets de lumière lente qui accompagnent l’hologramme adaptatif induit dans les cristaux liquides. L’information est convertie en modulation d’intensité et enregistrée directement par des photodiodes.
Résumé de la soumission : L'objectif du projet est de développer un nouveau type de capteur à fibre basé sur des fibres multimodes et sur la détection du son à travers des méthodes de lumière lente et d’holographie adaptative dans une valve optique à cristaux liquides.La détection des ondes acoustiques à l'aide de capteurs optiques est un défi important de la photonique actuelle, avec des applications en détection sous-marine, imagerie à travers les milieux diffusant et métrologie de précision. Dans ce projet, nous visons à réunir nos compétences sur la lumière lente, les valve optiques et l'holographie adaptative, d'une part (INLN), avec nos compétences sur les capteurs à fibre optique, les réseaux de Bragg et les systèmes de détection en réseau, d'autre part (TRT), afin de développer une nouvelle approche au problème de la métrologie optique et ce, avec pour objectif la détection des petits déplacements et des ondes acoustiques dans des environnements fluctuants / bruyants. Théoriquement, nous donnerons une validation de la méthode pour différents champs d’application proposés (par exemple, hydrophones, gravimètres, accéléromètres, cellules photo-acoustique, ..) et une estimation du potentiel ultime des performances de ces systèmes en utilisant les schémas d'interrogation proposés. Expérimentalement, on mettra l'accent sur la réalisation d'un capteur acoustique très sensible et capable de fonctionner dans un environnement fluctuant, comme en milieu sous-marin.La détection des ondes sonores sous-marines est d'une importance fondamentale pour la surveillance des zones côtières, et comprend des applications militaires (ex. détection de sous-marins et navires de surface, détection de plongeurs ou des drones sous-marins, ...) ainsi que des applications civiles (ex. bioacoustique, surveillance de l'activité sismique sous-marine, détection de bruit environnemental, ...). À cet effet, les capteurs en fibre optique sont largement utilisés, à la fois pour leur sensibilité et pour leur capacité à réaliser des réseaux d’hydrophones de petit diamètre (typ. 5-10 mm). Ils sont basés sur des réseaux de Bragg en fibre, couplés à une structure mécanique qui transforme la pression radiale de l'onde acoustique dans une contrainte longitudinale, cette contrainte conduisant à un changement de phase pour un faisceau laser réfléchi. Pour détecter le changement de phase, des mesures interférométriques précises doivent être réalisées, ce qui représente souvent une limitation aux applications pratiques, surtout lorsque la détection doit être effectuée dans des environnements fluctuants. Dans ce projet, nous allons utiliser la haute sensibilité aux changements de phase donnée par la lumière lente et l’holographie adaptative pour réaliser un système d'interrogation à haute sensibilité pour les capteurs à fibre optique. En utilisant le mélange d'ondes dans la valve optique, nous avons déjà montré une haute sensibilité de phase dans un interféromètre de Mach-Zehnder, ainsi qu'un accéléromètre extrêmement sensible basé sur l'effet Sagnac. De plus, en utilisant le caractère adaptatif du mélange d’ondes dans la valve optique, nous avons montré la détection efficace de déplacements aussi petits que des fractions de picomètre pour des objets vibrant à des fréquences sonores typiques (de 10 Hz à 100 kHz). La capacité de l'holographie adaptative à auto-entretenir la condition de détection linéaire permet de détecter la modulation de phase dans des champs complexes, comme de speckles, ce qui permet d'utiliser des fibres multimodes pour réaliser le capteur optique. Les fibres multimodes sont moins fragile, plus facile à coupler avec le faisceau d'entrée, moins chères, tout en donnant une plus grande sensibilité aux ondes sonores. Par rapport à la fibre monomode, il en résultera donc une simplification du système d’amplification acousto-mécanique, tandis que la détection basée sur l’holographie adaptative dans la valve optique permettra une détection très efficace.
Résultats : A mi parcours du projet les résultats les plus marquants sont : 1) l’amélioration de la détection des ondes acoustiques obtenue avec la méthode croisée fibre optique/holographie adaptative par rapport aux techniques basée sur les capteurs fibres seules, 2) la réalisation et validation d’un protocole de localisation des ondes acoustiques.
Perspectives : Les perspectives finales du projet sont la réalisation des capteurs à fibres/holographie adaptative  fonctionnant en milieu sous-marin, offrant un haut niveau de sensibilité et une bonne facilité de déploiement. La mise en œuvre des réseaux es aussi visée pour des applications de sécurité civile et de défense.
Publications et brevets : U. Bortolozzo, S. Residori, J.P. Huignard, «Adaptive Holography in Liquid Crystal Light-Valves », Materials 2012, Special Issue «Advanced Materials for Modern Holographic Applications», 1477-1486 (2012).