Brevet FR2473729A1 — publié le 19810717

La présente invention concerne les dispositifs de mesure de la tension et du champ électrique utilisant la pola- risation optique. Plus partilièrement, l'invention se rapporte à un tel dispositif de mesure de tension et de champ électrique dont la caractéristique de température est améliorée. Fondamentalement, les dispositifs de mesure du type général auquel l'invention se rapporte fonctionnent en mesu- rant la tension appliquée à un cristal électro-optique. Un dispo- sitif de ce type peut être utilisé comme dispositif de mesure de tension si des électrodes, connectées aux deux surfaces du cristal électrooptique, sont connectées directement à des bornes entre lesquelles est appliquée une tension à mesurer, et il peut être uti- lisé comme dispositif de mesure de champ électrique si on le place dans un champ électrique à mesurer après avoir retiré les électrodes. Un exemple de dispositif de mesure de tension utilisant la lumière est présenté sur la figure lA. Un polariseur 2, un cristal électro-optique 3, une lame quart d'onde 4et un analyseurS sont disposés dans l'ordre indiqué dans le sens de déplacement de la lumière à partir d'une source lumineuse 1. La tension à mesurer, produite par une source de tension 6, est appliquée au cristal électro-optique 3. Le polariseur 2 transforme la lumière de la source 1 en une lumière linéairement polarisée et le cristal électro- optique 3 soumet la lumière linéairement polarisée à un déphasage conduisant à une lumière elliptiquement polarisée. Lorsque la ten- sion à mesurer, qui sera ci-après désignée par l'expression "tension de mesure" dans les cas o cela sera applicable, est nulle, le cris- tal électro-optique présente les indices de réfraction n et n et, lorsque la tension de mesure est égale à V, les indices de réfrac- tion deviennent respectivement n x-kV et ny-kV, o les indices de réfraction nx et n sont ceux respectivement associés à la polarisa- tion linéaire dans la direction x et à la polarisation linéaire dans la direction y, tandis que k est une constante. Si la polari- sation linéaire dans une direction x1 est décomposée en ses compo- santes vectorielles dans les directions x et y, les indices de réfrac- tion relatifs aux directions x et y sont différents, de sorte que la vitesse de la lumière est différente pour les deux directions. De ce fait, la lumière linéairement polarisée est transformée en lumière elliptiquement polarisée par suite du déplhasage existant entre les composantes des directions x et y. L'analyseur 5, qui est disposé en position de nicols croisés par rapport au polariseur 2, modifie l'amplitude de la lumière elliptiquement polarisée. Si la puissance lumineuse incidente sur le pola- riseur 2 est donnée par Pin et si l'amplitude de perte à la section de mesure est représentée par È, on peut exprimer la relation entre la puissance lumineuse sortante Pout et une tension Vin à mesurer par l'équation (1) suivante en l'absence de la lame quart d'onde 4 2 lf in Pout P sin2V (l) o V. est la tension demi-onde, qui dépend du type de cristal uti- lisé et de son orientation dans le montage. Il est souhaitable de travailler sur une partie presque linéaire de la courbe caractéristique de l'équation (1). A cet effet, il est nécessaire d'amener le fonctionnement au point X/4, tel qu'indiqué sur la figure 1B. A-cet effet, on met en place la lame quart d'onde 4, qui fait fonction de moyen retardateur optique. Lorsque la lame quart d'onde 4 a été insérée, on peut obte- nir, en modifiant l'équation (1), l'équation donnée ci-après 2 in P L -P. sin -. +) - out in (2 Vif 4 = Pit [l+ sin(1-V n)]. 2 in V Dans l'intervalle o -Vin/VlrC photodiode PIN (type n vers p). On effectue la masure de tension selon les principes décrits ci-dessus. Pour mesurer une tension, des cristaux tels que KDP, ADP (adénosine diphosphate), LiNbO3 et LiTaO3 peuvent servir de cristal électro-optique 3. Toutefois, l'emploi de ces cristaux n'est pas avantageux parce que le dispositif de mesure aura alors une caractéristique de température non satisfaisante du fait que les indices de réfraction n et n sont quelque peu différents x y et ont généralement des caractéristiques de température différentes. En d'autres termes, ces cristaux ont une biréfringence naturelle du type nx = ne - kV et n y nD + kV, chacun présentant une caractéris- tique de température différente. Ceci peut être compris à partir des graphes des figures 3A à 3C qui présentent des exemples de la façon dont les rayons ordinaires et les rayons extraordinaires dépendent de la température. Pour compenser cette instabilité vis-à-vis de la température, il a été proposé une méthode dite de "compensation de température", selon laquelle deux cristaux A et B sont couplés ensemble de façon que leurs axes soient orientés dans des directions différentes. Avec cette méthode, la lumière traversant l'analyseur 5 pe u t être décrite dans l'équation suivante (3) 2 2Y'n i'c 2 2 if A s 2 X V d d)X(no i 2+ V3e o:J' est l'angle de polarisation de la lumière ordinaire, Te' est l'angle de polarisation de la lumière extraordinaire, et y est la constante de Pockel. Si les cristaux sont usinés avec précision de façon que la longueur t1 du cristal A soit égale à la longueur (2 du cristal B, la dépendance, relativement à la température, du terme comportant la différence entre l'indice de réfraction n da rayon ordinaire et l'indice de réfraction n du rayon extraordinaire peut e être éliminée théoriquement. On note que d1 et d2 sont les dimensions transversales respectivement associées à et ', comme le montre la figure 4. On considère toutefois, en pratique, qu'il est extrêmement difficile d'usiner avec précision les cristaux de façon quie les longueurs iL et Z 2 soient égales, de coupler les cristaux ensemble et de les monter, ainsi couplés, dans un boîtier sans leur - appliquer de contraintes. Ainsi, il est extrêmement difficile de fabriquer un dispositif du type à compensation de température. La figure 5 montre une courbe caractéristique de température d'un dispositif de mesure de tension du type à compen- sation de température utilisant un cristal de LiNbO3. Sur la figure 5, les valeurs relatives portées suivant l'axe vertical sont des valeurs moyennes du rapport puissance lumineuse reçue-puissance électrique de V1in 1 in sortie, à savoir 2P ' G-/(- P.) 11'-, à partir de l'équation(2). 2 in VI,, 2 i Etant donné les difficultés décrites ci-dessus, qui sont associées aux dispositifs classiques de mesure de la tension et du champ électrique, l'objet de l'invention est de proposer un dispositif de mesure de tension et de champ électrique dans lequel le cristal électro- optique possède une stabilité en température élevée et peut être aisément fabriqué. Selon l'invention, est proposé un dispositif de mesure de tension et de champ électrique comportant un polariseur, un cristal électro-optique, une lame optique et un analyseur disposés dans cet ordre suivant la direction de déplacement de la lumière qui lui est appliquée et o, selon l'invention, le cristal électro- optique est constitué d'oxyde de bismuth et de silicium (Bi12SiO20, Bi4Si 3O0), ou d'oxyde de bismuth et de germanium (Bi 2GeO20, Bi4Ge3012). L'oxyde de bismuth et de silicium et l'oxyde de bismuth et de germanium ont des caractéristiques physiques analogues, ainsi que cela apparaîtra dans la suite de la description. La description suivante, conçue à titre d'illus- tration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels - la figure IA est un schéma explicatif présen- tant le montage d'un dispositif classique de mesure de tension et de champ électrique; - la figure 1B est une forme d'onde associée à la description d'une lame quart d'onde; - la figure 2 est un graphe montrant la puissance lumineuse de sortie en fonction des grandeurs énergétiques d'entrée, selon l'équation (2); - les figures 3A à 3C sont des représentations graphiques montrant trois exemples de caractéristiques de tempéra- ture pour les rayons ordinaires et les rayons extraordinaires; - la figure 4 est un schéma explicatif montrant le montage d'un cristal électro-optique du type à compensation de température; - la figure 5 présente une caractéristique de température selon la technique antérieure, indiquant la variation du rapport tension de sortie-puissance lumineuse reçue moyenne en fonction de la température; - la figure 6 est un schéma explicatif montrant un exemple de dispositif de mesure de tension utilisant un cristal d'oxyde de bismuth et de silicium (Bi12SiO20) selon l'invention; - la figure 7 est une représentation graphique montrant la variation. avec la longueur d'onde, du facteur de varia- tion de l'indice de réfraction avec la température; - la figure 8A est un schéma simplifié montrant un circuit d'essai; - la figure 8B est une représentation graphique montrant la caractéristique tension de sortietension d'entrée du circuit d'essai de la figure 8A; - la figure 9 est un diagramme de forme d'onde montrant la tension d'entrée et la tension de sortie; - la figure 10 est une caractéristique de tempé- rature montrant la variation du rapport tension de sortie-puissance lumineuse reçue moyenne avec la température selon l'invention; et - la figure 11 est une représentation graphique montrant une caractéristique tension de sortie-tension d'entrée selon l'invention. La technique antérieure a été brièvement décrite en relation avec les figures 1 à 5. En relation avec les figures 6 à 9, on va décrire maintenant un mode de réalisation préféré de dispositif de mesure selon l'invention. Sur la figure 6, est présenté un système optique constitué d'un polariseur 2, d'un cristal électro-optique 7, d'une lame quart-d'onde 4 et d'un analyseur 5. Dans ce système, le cristal électro-optique 7 est constitué d'oxyde de bismuth et de silicium (Bi12SiO20, Bi4Si3012) ou d'oxyde de bismuth et de germanium (Bi12GeO20o Bi4Ge3012). La manière dont un cristal électro-optique constitué d'oxyde de bismuth et de silicium ou d'oxyde de bismuth et de germanium dépend de la température révèle une réduction par rapport aux structures de la technique antérieure pour les raisons suivantes: (1) L'oxyde de bismuth et de silicium et l'oxyde de bismuth et de germanium appartiennent à un système cubique n'ayant pas de biréfringence naturelle. Par conséquent, il n'est pas néces- saire de faire appel à la technique de compensation de température décrite ci-dessus lorsqu'on utilise un cristal du type préféré. (2) Comme le montre clairement l'équation (2), il faut prendre en considération la dépendance du terme Vravec la température. Dans le cas de l'oxyde de bismuth et de silicium et de l'oxyde de bismuth et de germanium, V-, est égal à X /(2n 341) pour l'orientation cristalline utilisée effectivement, o y41 est la constante de Pockel des cristaux du sytème à réseau cubique. Ainsi, il faut prendre en considération la dépendance des termes n et y41 avec la température. Aucune donnée de mesure réelle ne semble avoir été publiée à ce jour pour y41. Toutefois, pour n, selon les publications disponibles, ainsi que le montre la figure 7, le facteur de variation de l'indice de réfraction avec la tempéra- ture est: -5 dn/dT - 3 x 10, et dV o -3 dn -3 dn -5 dT 2y- n 4 dT v. n dT-i0 2y41 n0 Ainsi, alors qu'aucune donnée de mesure réelle n'est disponible pour la dépendance de -y41 avec la température, on peut estimer qu'il existe une variation de l'ordre de 0,01% par degré dans le terme dV/ dT. 24 73729 Des mesures de tension ont été effectuées à l'aide d'un circuit tel que celui présenté sur la figure 8A, ce qui a permis d'obtenir une caractéristique tension d'entrée V in-tension de sortie Vout d'une excellente linéarité, comme le montre la figure 8B. En ce qui concerne la figure 8A, on note que les numéros de référence utilisés sont identiques à ceux de la figure 6, la référence 1 désignant la source lumineuse, la référence 10 dési- gnant le récepteur de lumière, et la référence P désignant la puissance lumineuse moyenne reçue. De plus, il a été confirmé que la caractéristique de température du rapport tension de sortie-puissance lumineuse reçue moyenne, sur un intervalle de température de -15'C à +60'C, avec un cristal d'oxyde de bismuth et de silicium (Bi 2SiO 20), était sensiblement plate, comme le montre la figure 5, et que sa varia- tion était inférieure à quelques unités pour cent. Selon l'invention, lorsqu'un rayon lumineux linéairement polarisé par le polariseur 2 est appliqué au cristal d'oxyde de bismuth et de silicium ou d'oxyde de bismuth et de germa- nium, les indices de réfraction mesurés suivant les axes x et y du cristal, par exemple d'oxyde de bismuth et de silicium, sont trans- formés respectivement en nx = n - 4n et ny = n + En par la tension appliquée, si bien que la vitesse de la lumière dans le cristal varie. Toutefois, ce cristal ne présente pas de biréfringence natu- relle, par conséquent, la valeur n sur les axes x et y ne varie pas du tout. La lumière sortant du cristal présente un déphasage dans la direction des axes x et y et la lumière sortante qui a tra- versé la lame quart-d'onde 4 et l'analyseur 5 a subi une variation d'amplitude proportionnelle à la tension appliquée. La partie inférieure et la partie supérieure de la figure 9 représentent respectivement des exemples de formes d'onde d'une tension d'entrée sinusoïdale de 200 Hz et de la tension de sortie correspondante. Il est possible d'appliquer le système optique de l'invention comportant un cristal d'oxyde de bismuth et de sili- cium ou d'oxyde de bismuth et de germanium à la transmission par fibres optiques en utilisant la propagation spatiale de la lumière. La figure 10 montre la manière dont un cristal électro-optique d'orthosilicate de bismuth (Bi4Si3012) qui est l'un des oxydes de bismuth et de silicium, dépend de la température, tandis que la figure 11 présente un diagramme de formes d'onde montrant une tension d'entrée et la tension de sortie associée. Ainsi que cela a été décrit suivant des modes de réalisation de l'invention, il est fait appel, comme cristal électro-optique, à un cristal d'oxyde de bismuth et de silicium ou d'oxyde de bismuth et de germanium. Puisque ces cristaux appartiennent au système cubique, ils n'ont pas de biréfringence naturelle. Par conséquent, le problème posé dans la technique antérieure par la dépendance du cristal électro-optique vis-à-vis de la température se trouve éliminé, si bien qu'il n'est pas nécessaire de faire appel à un cristal électro-optique du type à compensation de température. De plus, la partie capteur, qui est l'ensemble comportant le cristal électro-optique, peut être construite de manière à ne comporter aucun métal. C'est pourquoi, avec le dispositif de mesure de l'invention, il est possible de mesurer un champ électrique de manière sûre, sans perturber ce champ électrique. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I 0 N S l - Dispositif de mesure de tension et de champ électrique utilisant la lumière, qui comprend un polariseur (2), un cristal électro-optique (7), une lame optique (4) et un analyseur (5) disposés dans cet ordre suivant la direction de déplacement de la lumière appliquée, le dispositif étant caractérisé en ce que le cristal électro-optique (7) est fait en un matériau appartenant au système cubique. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite lame optique comprend une lame quart-d'onde. 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que ledit matériau est choisi dans le groupe formé des oxydes de bismuth et de silicium. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit matériau est l'oxyde de bismuth et de silicium Bi12S iO20. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit matériau est l'orthosilicate de bismuth Bi 4SiYO2 6 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que ledit matériau est choisi dans le groupe formé des oxydes de bismuth et de germanium. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit matériau est l'oxyde de bismuth et de germanium Bil2 GeO20- 8 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit matériau est l'orthogermanate de bismuth Bi 4Ge30 12. 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une électrode couplée au cristal électro-optique afin qu'il puisse lui être appliquéeune tension.