Brevet FR2079233A1 — publié le 19711112

i 2079233 L'invention concerne "une sonde, avec un milieu optiquement actif sous l'influence d'un champ magnétique, à travers lequel on fait passer un faisceau lumineux, dont on mesure l'état oscillatoire, modifié par l'activité optique. II. e.:t connu (par exemple, IEEE «T.. of Quantum El. QE-2 (1966) p. "225) » de mesurer des champs magnétiques, en particulier ceux de coarants à très haute tension, en disposant dans celui-ci un corps solide, (Eotateur de Faraday), de préférence en flint-glass, qui cou;: l'influence du champ magnétique développe une activité optique, st en déterminant, de préférence par la voie électronique, la rotation du plan de vibration d'un rayon de lumière polarisée linéairement, qui le traverse. De telles mecures sont cependant affectées d'une erreur, car les corps solides ma^nétc-optiques présentent une bi réfringence résiduelle pratiquement inévitable. Même dans les meilleurs matériaux magnéto-optiques, il se produit une bi réfringence de contrainte de l'ordre de (no-nao )/ n 10"*6(n étant l'indice de réfraction pour la direction o v o du rayon régulier, et naQ étant l'indice de réfraction pour la direction du rayon non régulier). L'erreur ainsi introduite dras les mesures du type indiqué est alors particuliere^nt grande, si l'on fait suivre au rayon lumineux une trajectoire de grande longueur à travers le corps solide magnéto-optique, ce qui est nécessaire cependant pour obtenir un bon pouvoir de résolution. La compensation de la bi réfringence naturelle dans les cristaux électro-optiques, par la simple mise en s'rie d'autres milieux biréfringents avec une orientation convenable est connue (par exemple, Proc. IEEE ^ (1965)» 455-460). Cette méthode de compensation n'est cependant pas utilisable sans autres avec les milieux magnéto-optiques, car l'application du champ magnétique provoque une modification du tenseur de la constante diélectrique £ d'un corps solide magnéto-optique, qui est liée à l'indice de réfraction n par la relation n » NJ de sorte que les conditions de compensation simples des corps solides électro-optiques cessent d'être valables. Les erreurs dues à la biréfringence des corps 1 bad original 71 03553 2 2079233 solides magnéto-optiques ne peuvent donc, lors de l'application de champ magnétique, jamais être éliminées que d'une manière approximative. La présente invention se propose de réaliser une sonde magnéto-optique du type décrit dans le préambule, dans laquelle l'erreur de mesure causée par la biréfringence naturelle est réduite au minimum, ce qui accroît considérai lement la précision de mesure. Selon l'invention, ce problème est résolu eii ce que des moyens sont prévus, à l'aide desquels, avant son ertrée dans le milieu magnéto-optique, le faisceau lumineux est polarisé elliptiquement et qui permettent d'ajuster l'excentricité et l'inclinaison de l'ellipse ; et en ce que le milieu magnéto-optique se compose au moins de deux parties,dont on choisit l'orientation réciproque, l'indice de réfraction et/ou les épaisseurs qui déterminent "es cheminements du rayon, de manière telle que la somme des produits des longueurs de cheminement effectives de la lumière dans chacun des milieux partiels par la différence des indices de réfraction, mesurés dans le sens de propagation de la lumière, pour deux directions de vibration perpendiculaires entre elles, est plus petite que (0,1/2 "ff") fois la longueur d'onde de la lumière, et de préférence égale à . zéro . Il est connu que l'on peut obtenir une pola.ri.3acion elliptique^ du faisceau lumineux pénétrant dans le milieu magnéto-optique, par exemple en polarisant d'abord le rayon linéairement, et en le faisant passer ensuite par Une plaque biréfringente, taillée parallèlement à l'axe optique, et disposée perpendiculairement.au" rayon lumineux, il apparaît alors une différence de phase entre les composantes du faisceau lumineux dont les directions de vibration sont orientées selon les deux axes principaux, ainsi qu'une superposition, d'où il résulte une lumière à polarisation elliptique. Pour agir sur la forme, c'est-à-dire sur l'excentricité de l'ellipse, le plus commode est d'utiliser une lame qui engendre entre les deux composantes de l'oscillation un déphasage de "j/^/2 et une différence de cheminement de \ /4, c'est-à-dire une lame dite en quart d'onde, et de faire tourner cette lame dans un plan, perpendiculairement au rayon lumineux. BAD ORIGINAL 71 03553 3 2079233 On obtient alors des ellipses d'oscillation, dont les axes principaux sont disposés parallèlement aux axes principaux de la lame en quart d'onde. L'excentricité de cette ellipse varie de telle sorte que, dans les cas extrêmes, où la direction d'Oslo cillation de la lumière coïncide avec l'un des axes principaux de la lame, on obtient de nouveau une lumière polarisée linéairement, et que, dans le cas intermédiaire, où la direction d'oscillation de la lumière est inclinée de 45° par rapport aux axes principaux de la lame, on obtient une lumière à polarisation ]_q circulaire. Si l'on tourne les axes de la lame d'un angle a par rapport à la direction d'oscillation de la lumière incidente, le rapport entre les axes principaux a, b, de l'ellipse est a/b « tg a . 15 Une autre possibilité pour modifier l'ex centricité de l'ellipse d'oscillation consisterait à faire varier l'épaisseur de la lame, et par suite le déphasage entre les composantes de la lumière. Pour ajuster l'inclinaison de l'ellipse 20 d'oscillation, le plus commode est de disposer dans le cheminement du faisceau lumineux, avant ou après la lame en quart d'onde, me lame en demi-onde, qui ir^oduit par conséquent une différence de cheminement "X /2, c'est-à-dire un déphasage de •/y/, entre les composantes selon les directions des axes principaux, 25 et de prévoir la possibilité de faire tourner aussi cette lame dans un plan, perpendiculairement au rayon lumineux. Les lames en demi-onde font tourner la lumière polarisée d'un angle cT , qui est égal au double de l'angle P, formé par les axes principaux avec la direction d'oscillation de la lumière à l'entrée; 50 on a donc cT « 2 £0 Si l'on a une lumière incidente à polaii-sation elliptique, les axes principaux a, b de l'ellipse sont de la même manière inclinés du même angle. Une autre possibilité, pour ajuster l'inclinaison de l'ellipse d'oscillation, serait d'introduire, dans 55 le cheminement du rayon, un matériau optiquement actif, et de modifier l'inclinaison de la direction de l'oscillation de la lumière traversante, en agissant sur la longueur du cheminement, sur l'intensité du champ magnétique appliqué, sur la concentration de la solution, etc0 bad orignal 71 03553 4 2079233 En variante, au lieu des dispositions selon l'invention décrites ci-dessus, ou en combinaison avec celles-ci, ce qui donne une réalisation particulièrement excellente selon l'idée de l'invention, on donne une structure particulière 5 au milieu magnéto-optique ; celui-ci est constitué au moins par deux milieux partiels, qui sont cimentés, par exemple, avec une matière dont l'indice de réfraction est du même ordre de grandeur que celui du milieu magnéto-optique. Du fait de la biréfringence qui leur est propre, les milieux partiels possèdent deux 10 axes optiques principaux. Si une lumière arrive sur les milieux partiels, pour la composante qui oscille selon l'un des axes principaux c'est l'indice de réfraction n^ qui est valable, tandis que, pour l'autre composante, qui oscille selon l'autre axe principal, perpendiculaire au premier, c'est l'indice de réfrac-15 tion n2« Selon les cas, n^ ou sont les indices de réfraction pour le rayon régulier ou pour le rayon non régulier. En choisissant convenablement les orientations des axes principaux des milieux partiels, les uns par rapport aux autres, pour des milieux de nature différente, l'indice de réfraction et/ou les 20 longueurs 1^ des cheminements du rayon lumineux dans les milieux partiels, il est possible d'obtenir que soit petit, et le plus près possible de zéro, x et y sont les 25 axes de coordonnées, perpendiculaires entre eux, dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière z. Il est commode, mais non indispensable, de choisir les directions x et y parallèles aux axes principaux de la biréfringenceo Dans la pratique, on satisfait la condi-50 tion exposée ci-dessus d'une manière particulièrement simple, en découpant les milieux partiels dans des corps lumineux solides magnéto-optiques ayant des antécédents identiques, par exemple du flint-glass ; en décalant les uns par rapport aux autres les axes principaux de biréfringence des milieux partiels d'un an-55 gle de "V/2 ; et en choisissant les épaisseurs des milieux partiels de manière que la .somme des épaisseurs des milieux partiels d'une orientation donnée soit égale à la somme des épaisseurs des milieux partiels ayant l'autre orientation. BAD ORIGINAL 71 03553 5 2079233 Si la composante x de la lumière incidente est parallèle à l'un des axes principaux de "biréfringence, on a par exemple „ et ^(1) „ dans le ûx - n1 y 2 5 premier milieu partiel. Lans le deuxième milieu partiel, on a alors " n2» ny^ * ni • Pour l'ensemble, on obtient alors, avec deux milieux partiels, pour la composante x de la lumière le cheminement + nglg , et pour la compo- 10 santé y, le cheminement + n1^2 ' Ge cl0im8 : ^ (n^* ^ — ^y" "* n2^*i n2"^2 *" i m i et cette expression s'annule pour 1^ « lg 0 Avec la coexistence de l'effet Faraday, l'errëur de biréfringence se compense d'autant plus mal que la biréfringence totale qui se produit dans uçdailieu partiel homogène, est plus importante, car elle résulte de la différence des cheminements ^n(i) _ n(i))]_ Selon une autre exécution x y x avantageuse de l'invention, on travaille avec des milieux partiels minces. Pour obtenir malgré cela un long trajet de la lumière, nécessaire pour obtenir une rotation suffisante par l'ef-25 fet Faraday, sans devoir pour autant monter un trop grand nombre de milieux partiels, les uns derrière les autres, on métallisé les faces extérieures des milieux partiels extérieurs, et on guide le rayon lumineux de manière qu'il soit réfléchi plusieurs fois ; et qu'il parcoure ainsi un trajet suffisamment long au 50 total pour un bon pouvoir de résolution par effet Faraday, sans devoir parcourir un trajet trop long dans chacun des milieux partiels. On peut montrer qu'avec un dispositif é-lectronique d'exploitation selon le brevet suisse 433 065 » 35 le pouvoir de résolution maximal est obtenu alors, si l'erreur de phase résultant de la biréfringence résiduelle ^ est inférieure à 0,1, c'est-à-dire que la différence de cheminement 20 bad original 71 03553 2079233 2 (n_ ^ - n lj est ( TV étant la longueur d'onde de la lumière dans le vide). o Ceci est facilement réalisable avec la sonde selon l'invention*, D'autres avantages et particularités de l'invention découleront des exemples de réalisation décrits ci-dessous à l'aide des dessins qui représentent s Figo 1 , une sonde magnéto-optique avec les entrées du dispositif électronique de mesure, Fig. 2 , une représentation de l'ellipse d'oscillation du faisceau lumineux, avant son entrée dans le milieu magnéto-optique ; Fig. 3 , un corps solide magnéto-optique, formé de n milieux partiels ; et Fig. 4 , les courbes mesurées obtenues lorsque les deux signaux de sortie selon la figure 1 sont appliqués sur les deux axes de coordonnées d'un oscillographe. Issu d'une source de lumière monochromatique, par exemple d'un laser 1, tin faisceau lumineux 2 traverse successivement un polarisateur 3, une plaquette en demi-onde 4 et une plaquette en quart d'onde 5» pour arriver au corps solide magnéto-optique 6, par exemple en flint-glass lourd. Un laser fournissant une lumière qui est déjà polarisée linéairement, il est possible de supprimer le polarisateur 3 ; on peut, cependant, par rotation du polarisateur 3» déterminer d'une manière simple une direction définie d'oscillation du faisceau lumineux 2. Les plaquettes 4 et 5 sont également o-rientables. A l'aide de la plaquette en quart d'onde 5» on. peut ajuster l'excentricité de l'ellipse d'oscillation, et à l'aide de la plaquette en demi-onde 4 on peut ajuster son inclinaison. Le faisceau lumineux 2 péhètre dans le bloc de flint-glass 6 avec un certain état de polarisation, ainsi qu'on l'a indiqué sur la figure 2. L'ellipse possède deux axes principaux, a, b, et, dans un plan x, y, elle est inclinée d'un angle par rapport à l'axe des x. L'axe z du bloc de flint-glass est orienté parallèlement à l'axe z BAD ORIGINAL 71 03553 7 2079233 perpendiculaire au plan x, y. On donne avantageusement, au champ magnétique qui engendre l'activité optique du flint-glass, une orientation parallèle à l'axe z du bloc. Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 1, 5 le corps solide magnéto-optique 6 se compose des domaines partiels 6a, 6b, 6c , qui sont avantageusement réunis entre eux à l'aide d'un mastic ou d'un liquide, ayant un indice de réfraction optique du même ordre de grandeur que celui du corps solide lui-même, A l'exception d'un orifice d'èntrée et d'un ori-10 fice de sortie, le corps magnéto-optique est métallisé sur ses deux faces extrêmes, de sorte que le rayon lumineux qui pénètre se trouve réfléchi plusieurs fois et effectue plusieurs aller-retours à l'intérieur du milieu magnéto-optique et qu'il ressort enfin par la face opposée à l'entrée. 15 La somme des épaisseurs des milieux par tiels 6a et 6c est égale à l'épaisseur du milieu partiel 6ba Les axes principaux de biréfringence des milieux partiels 6a et 6c sont parallèles entre eux, tandis que ceux du milieu partiel 6b sont tournés de 90° par rapport à eux. Ainsi, on peut écrire 20 (en négligeant la légère inclinaison du rayon lumineux par rapport à l'axe z) : 2 25 + + - ^y^^c » et comme „ (a) „ (c) „ (b) nx « nx " V 50 r, (a) „ (c) „ (b) . n*n«n . et y y x ' ^ + Xc " h • ^ (nx(x) - ny(l)) - 0. , 55 i z étant le nombre de réflexions du rayon lumineux. a la sortie du corps solide magnéto-optique 6, le rayon lumineux 2* dont la polarisation est de nouveau 71 03553 8 2079233 essentiellement linéaire, et qui est incliné par rapport à son plan d'oscillation d'un angle proportionnel au champ magnétique appliqué, peut être divisé en deux faisceaux partiels 2a, 2b, à l'aide d'un diviseur optique, 7i par exemple d'un miroir semi-5 réfléchissant. A partir de ces faisceaux partiels, à l'aide de deux analyseurs 8, 9, formant entre eux un angle de 45° environ, on élabore deux signaux lumineux correspondants.entre eux, polarisés linéairement, dont les amplitudes quadratiques, abstraction faite d'une constante sont proportionnelles l'une à 10 sin 2 vp et l'autre à cos 2 y, si est l'angle d'inclinaison, proportionnel au champ magnétique appliqué, de la direction d'oscillation du rayon lumineux 2', ou des rayons partiels 2a, 2b, par rapport à l'un des axes de l'un des analyseurs 8 ou 9» 15 Les deux signaux, déphasés ainsi entre eux de "\f/2, quant à l'argument 2 , vont alors aux photodétecteurs 10, 11, dans lesquels ils sont transformés en courants électriques, en vue de leur traitement électronique ultérieur. 20 Sur la figure 3, on a représenté la struc ture du corps solide magnéto-optique avec N éléments partiels de longueur 1^ (i * 1,2 .... N). Les éléments partiels sont réunis entre eux par des couches de mastic ou de liquide 14, dont l'indice de réfraction optique est de préférence du même 25 ordre de grandeur que celui des cristaux partiels. Les axes principaux biréfringence des éléments partiels peuvent occuper, ici, une position quelconque, les uns J>ar rapport aux autres. Cependant, les épaisseurs ^ et les indices de réfraction Ci) (i) éléBents 30 x y partiels, respectivement pour les composantes x et y de la lumière incidente, ont des valeurs telles que la relation ci-dessus, selon la présente invention, est satisfaite. Pour vérifier à quel moment l'erreur en-gendrée par la biréfringence est minimale, et pour ajuster en conséquence l'orientation des plaquettes 4, 5 et/ou la structure du milieu magnéto-optique 6, on peut appliquer les signaux électriques des photodétecteurs 10, 11 sur les deux axes de coordonnées (amplificateur vertical et amplificateur horizon-40 tal) d'un oscillographe cathodique. Sur l'écran de l'oscillo- 71 03553 9 2079233 graphe, on obtient alors un cercle parfait 12 (figure 4), si les erreurs de biréfringence sont compensées. Si cependant, une biréfringence se superpose à l'effet Faraday, on obtient, selon le champ magnétique, les formes 13 représentées sur la figure4. 5 Le champ magnétique agissant sur le corps solide magnéto-optique étant un champ alternatif, selon l'amplitude de ce champ, on obtient un cercle complet, ou plusieurs cercles complets congruents, ou seulement un arc de cercle« Pour l'ajustage des plaquettes 4, 5> et pour l'ajustage conve-10 nable de la structure du corps solide magnéto-optique 6, on choisira une amplitude suffisamment grande, pour pouvoir bien vérifier la forme circulaire de l'image obtenue sur l'écran de l'oscillographe. Il faut noter ici qu'avec des moyens im-15 portants convenables, il est aussi possible d'élaborer un résultat de mesure, à partir des formes ovoïdes (courbes 13) de la figure 4 ; mais la nécessité de ces moyens peut précisément être évitée, par la transformation des courbes en un cercle, grâce aux dispositions selon la présente invention. 20 La combinaison de l'idée de donner une forme convenable à l'ellipse d'oscillation de la lumière, avec celle de donner une structure adéquate au corps solide magnéto-optique, s'est révélée particulièrement intéressante en association avec les réflexions multiples selon la figure 1, bien que, 25 dans ce cas, le cheminement du rayon lumineux ne soit pas tout à fait parallèle à l'axe z. Cette combinaison donne un degré maximal du pouvoir de résolution de l'effet Faraday, utilisé pour la mesure d'un champ magnétique. 71 03553 xo 2079233 HB7BHDI0 AII01S 1. Sonde avec un milieu optiquement actif sous l'influence d'un champ maghétique, à travers lequel on fait passer un rayon lumineux dont on mesure l'état oscillatoi- 5 re modifié par l'activité optique, caractérisé en ce que des moyens (4,5) sont prévus à l'aide desquels, avant de pénétrer dans le milieu, le faisceau lumineux est polarisé elliptiquement et permettent d'ajuster l'excentricité (a,b) et l'inclinaison ( cT) de l'ellipse, et en ce que le milieu magnéto-op-lo tique (6) se compose d'au moins deux parties (6a, 6b,...),dont les orientations réciproques, les indices de réfraction (n-j^^g) et/ou les épaisseurs (1^) qui déterminent les cheminements du rayon sont choisis de telle sorte que la somme des produits de la longueur du cheminement (lj_) dans chacun des 15 éléments partiels par la différence des deux indices de réfraction n , n , mesurés suivant des axes de vibration x y (x*y) perpendiculaires entre eux, donc (n - n ^^)„1. , soit inférieure à jl y x 20 0,1/2 TTfois la longueur d'onde ( "K ) de la lumière, et de préférence égale à zéro. 2. Sonde selon la revendication. 1 caractérisée en ce que l'on prévoit un faisceau de lumière polarisée linéairement, que l'on fait passer à travers une plaquette en 25 quart d'onde pour obtenir une polarisation elliptique et pour ajusterl'excentricité de l'ellipse, ainsi que par une plaquette en demi-onde pour ajuster l'inclinaison des axes principaux, de l'ellipse, les orientations respectives des axes principaux des deux plaquettes par rapport à la direction d'oscillation du 30 faisceau lumineux pouvant être modifiées. 3. Sonde selon la revendication 1 caractérisée en ce que le milieu magnéto-optique (6) est réalisé par assemblage d'au moins deux parties découpées dans un bloc de flint-glass, les axes optiques principaux de la biréfringence 35 des milieux partiels étant décalés successivement, de préférence de 90°, la somme des épaisseurs des milieux partiels d'une orientation donnée étant égale à la somme des épaisseurs des milieux partiels ayant l'autre orientation. 71 03553 n 2079233 4. Sonde selon la revendication 3 caractérisée en ce que le milieu magnéto-optique (6) so oosrp:;:;.:; de trois parties (6a, "b, c), les axes principaux de biréfringence de la première partie et de la troisième (6a, 6c) étant 5 orientés parallèlement entre eux, e*. les axes principaux de là partie centrale étant tournés de 90° par rapport aux autres ; et en ce que l'épaisseur de la partie centrale (6b) est égale à la somme des épaisseurs des deux autres parties (6a, 6c),les surfaces extérieures des deux parties extérieures (6a, 6c) 10 étant métalliques pour obtenir une réflexion multiple du rayon lumineux à travers l'ensemble des trois parties (6a, 6b, 6c), 5. Sonde selon la revendication 1 caractérisée en ce que les épaisseurs des milieux partiels (6a, 6b, 6c, ....) sont choisies suffisamment minces pour que la 15 différence de cheminement (1-n - l.n^^) soit infé- ^ x x x y rieure à (0,1/2 ) fois la longueur d'onde dans le vide ( >o) de la lumière.