Brevet FR2515811A1 — publié le 19830506

DISPOSITIF INTERFEROMETRIQUE DE MESURE DE CHAMP MAGNETIQUE ET CAPTEUR DE COURANT ELECTRIQUE COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF L'invention concerne un capteur de champ magnétique insensible aux paramètres extérieurs tels que la température et la pression par exemple. Dans un interféromètre en anneau, deux faisceaux parcourent en sens opposés un même trajet optique, et interfèrent à la sortie de ce trajet Pour autant qu'une perturbation de ce trajet présente les mêmes caractéristiques pour les deux sens de propagation et ne varie pas pendant la durée du transit de la lumière dans l'interféromètre, les deux faisceaux sont affectés identiquement et leur phase relative demeure inchangée Les perturbations de ce type sont dites "réciproques" Parce que le temps de transit dans un 1 o interféromètre est généralement très petit, les variations d'une perturbation pendant ce temps, sauf si celleci est introduite volontairement, sont généralement négligeables. Mais il existe des perturbations "non réciproques" qui présentent une amplitude différente aux deux sens de propagation, il s'agit d'effets phy- siques qui, en établissant son orientation complète, détruisent la symétrie de l'espace ou du milieu. Deux effets connus présentent cette propriété: l'effet Sagnac, ou effet inertiel relativiste, o la rotation de l'inter- féromètre par rapport à un repère galliléen détruit la symétrie des temps de propagation; l'effet Faraday, ou effet magnéto-optique colinéaire, o un champ magnétique crée une orientation préférentielle du spin des électrons du matériau optique. Un dispositif de l'art connu, décrit dans la demande de brevet européen publiée le 28 Janvier 1981 sous le numéro O 023 180 par la demanderesse, concerne un dispositif de mesure de courant comportant une fibre optique enroulée autour d'un conducteur dans lequel circule le courant I à mesurer, cette fibre optique comportant une ou plusieurs spires, les deux extrémités de cette fibre optique enroulée recevant chacune une onde optique issue par exemple d'un laser; ces deux ondes circulent en sens contraires dans la fibre Le courant circulant dans le conducteur induit un champ magnétique dans le même sens que le sens de propagation de l'une des ondes et en sens contraire de l'autre Les deux ondes émergeant de la fibre présentent un déphasage A& qui dépend de la constante de Verdet caractéristique de l'effet Faraday du milieu de propagation, de l'intensité I du courant circulant dans le conducteur, éventuellement du nombre N de conducteurs lorsque la fibre optique entoure plusieurs branches de conducteur dans lequel circule le même courant 1, et du nombre M de tours de la fibre optique entourant le conducteur. Pour mettre en évidence le déphasage entre les deux ondes, ce dispositif de mesure met en oeuvre une structure d'interféromètre de type "Sagnac", les deux ondes contrarotatives émergeant des extrémités de la fibre étant recombinées et le signal correspondant étant détecté par un photodétecteur Ainsi ces deux ondes subissent de la même manière les effets réciproques induisant dans le milieu des variations, dans les conditions de propagation, variant dans le même sens, et subissent par effet Faraday non réciproque des variations en sens contraires Ces variations en sens contraires sont susceptibles d'être détectées par une méthode inter- férométrique. Par rapport à ce dispositif de l'art connu, le dispositif de l'invention présente différents avantages tels que sa grande simplicité, son petit nombre de composants De plus, aucun alignement n'est nécessaire, si ce n'est celui de la source et de la fibre, ce qui fait partie de l'art connu Ce dispositif a en outre une grande souplesse géométrique en ce qui concerne notamment la longueur de guide d'onde et en ce qui concerne la disposition géométrique donnée à ce guide d'onde. Dans le dispositif de l'invention, seules des perturbations "non réci- proques" ont un effet sur le signal détecté Les variations dimensionnelles telles que fluage, dilatation thermique, variation de pression, o les varia- tions d'indice de réfraction n'ont, elles, aucun effet sur le signal détecté On dispose donc, en principe, d'un instrument de mesure des effets "non réciproques"i qui présente une stabilité parfaite. En pratique, pour que les perturbations réciproques aient un effet 25158 11 rigoureusement nul, il faut que les deux faisceaux de l'interféromètre parcourent exactement le même trajet Plus précisemment, il faut que les deux ondes soient deux solutions identiques de l'équation d'onde de l'inter- féromètre, le signe du paramètre "temps" étant inversé. Lorsque l'interféromètre est réalisé en propagation libre, et c'est le cas de l'utilisation d'éléments optiques discrets, cette condition n'est jamais strictement respectée: l'équation d'onde présente un "continuum" de solutions et le moindre désalignement des optiques conduit à l'obtention de solutions différentes, donc de fronts d'ondes non superposés; même pour des solutions identiques lorsque des ondes d'extension infinie sont considérées, ondes planes par exemple, la distribution d'inten- sité, forcément limitée en pratique, diffère, en fait, ne serait-ce qu'à cause de la diffraction, et rompt la réciprocité. Une solution de type monomode consiste donc en un dispositif réalisé en structure guide d'onde de bout en bout. L'invention a pour objet un dispositif interférométrique de mesure de champ magnétique comportant une source délivrant un faisceau de lumière polarisée rectilignement, un milieu de propagation positionné sur le trajet du faisceau, un élément séparateur par polarisation disposé entre cette source et ce milieu, un dispositif de détection couplé à cet élément séparateur par polarisation, caractérisé en ce que, le milieu de propagation étant un milieu magnétooptique, il comprend un miroir disposé perpendiculairement à la direction de propagation de ce faisceau après traversée de ce milieu. L'invention a également pour objet un capteur de courant électrique comportant un tel dispositif. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaî- tront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées: la figure l représente le dispositif de l'invention; les figures 2 et 3 représentent deux aspects particuliers du dispositif de l'invention. De la même manière que dans le cas de la propagation libre dans un milieu matériel, la composante du champ magnétique, colinéaire à la direction de propagation de la lumière dans une fibre optique induit une activité optique non réciproque proportionnelle à l'intensité du champ magnétique et à la constante de Verdet du matériau. Cette activité optique non réciproque, trouve son origine dans l'action du champ magnétique sur l'orientation du spin des électrons Cette action se traduit par une décomposition des raies spectrales en plusieurs composantes symétriques par rapport à la raie originale (effet Zeeman) Si l'observation est faite dans la direction du champ magnétique, on observe deux compo- santes polarisées circulairement dont l'espacement est proportionnel à l'intensité du champ magnétique, la raie de plus grande longueur d'onde ayant en général une polarisation circulaire de sens inverse au sens du courant créant le champ magnétique La courbe de dispersion initiale est donc remplacée par deux courbes décalés, l'une correspondant aux vibrations circulaires droites, l'autre aux vibrations circulaires gauches Aux longueurs d'ondes d'utilisation, en général très supérieures à la longueur d'onde de la bande d'absorption, apparaît donc une biréfringence circulaire proportion- nelle à l'intensité du champ magnétique et liée à son orientation et à celle de la propagation lumineuse, donc non réciproque Cet effet Faraday dépend du matériau considéré (constante de Verdet) S'il est très faible pour les matériaux diamagnétiques, il va en augmentant successivement pour les matériaux paramagnétiques puis ferromagnétiques Il est important de noter que seulement pour les matériaux diamagnétiques, la constante de Verdet est indépendante de la température La silice, matériau dont sont consti- tuées les fibres optiques à faible atténuation, faisant partie de cette classe, un capteur ampèremétrique réalisé à partir de telle fibres bénéficie de cette propriété intéressante pour l'utilisateur. Dans le cas de la propagatidn libre dans un milieu passif et dans le cas de la propagation guidée dans une fibre optique monomode idéale, c'est à dire dans laquelle les deux modes de polarisation polarisés quasi linéaire- ment, de répartitions d'intensité identiques et de polarisations orthogonales (solution H Eil) sont parfaitement dégénérés, en l'absence de champ magné- tique, les polarisations droite et gauche voient le même indice de réfraction. Ce n'est plus le cas en présence d'un champ magnétique, o les polarisations droite et gauche voient un indice différent Il en résulte qu'une polarisation 25158 1 1 linéaire incidente tourne d'un angle a L proportionnel au champ magnétique H. Il importe de différentier les propriétés de la biréfringence circulaire magnétique (effet Faraday) de celles de la biréfringence circulaire naturelle (pouvoir rotatoire naturel ou activité optique). L'effet Faraday dépend du sens de propagation de la lumière et est non réciproque, alors que le pouvoir rotatoire naturel est indépendant du sens de propagatiorr de la lumière et est réciproque (un matériau est dextrogyre ou lévogyre indépendamment du sens de propagation de la lumière) Il s'ensuit que si l'on renvoie la lumière à travers le matériau après une réflexion sur un miroir, la rotation est doublée dans le premier cas, alors qu'elle est annulée dans le second. La fibre optique est sensible aux variations de l'environnement qui peuvent en particulier induire une activité optique réciproque (principale- ment du fait des interactions élasto-optiques dans les phénomènes de torsion) susceptible d'évoluer dans le temps et qui pourrait naturellement être perçue comme une biréfingence circulaire magnétique dans une mé- thode de mesure basée sur la détermination de l'angle t L après une seule traversée de la fibre optique. Afin de pallier cet inconvénient, il importe d'utiliser une configuration du dispositif expérimental qui soit insensible aux effets réciproques pertur- bateurs La configuration de l'invention est particulièrement bien adaptée. L'invention proposée ici représentée à la figure 1, met à profit l'utilisation de l'effet magnétique dans un milieu guidant 4 tel qu'une fibre optique monomode par exemple. Cet effet correspond à un déphasage non réciproque entre deux ondes polarisées circulairement (l'une droite et l'autre gauche) sous l'action de la composante du champ magnétique parallèle à la direction de propagation. Ce déphasage peut s'exprimer sous la forme: AL =AVHL o V est la constante de Verdet du matériau, H le champ magnétique appliqué parallèlement à l'axe de la fibre et L la longueur d'interaction A est une constante dépendant en particulier de la longueur d'onde utilisée. 25158 1 1 Pour mettre en évidence le déphasage entre les deux ondes, le dispositif de mesure suivant l'invention met en oeuvre une structure d'interféromètre, les deux ondes émergeant du milieu 4 étant recombinées et le signal correspondant étant détecté par un photodétecteur 3. Cette structure d'interféromètre est une structure de type "Sagnac" dans laquelle on aurait applati la boucle de mesure. Si une onde lumineuse se propage dans le milieu 4, le champ magné- tique induit, par effet magnétooptique, des variations dans les conditions de propagation de l'onde lumineuse Lorsque le champ magnétique et la direction de propagation de l'onde lumineuse sont parallèles, l'effet magné- tooptique induit sur l'onde lumineuse est un effet non réciproque, effet Faraday, dépendant du sens de propagation de l'onde par rapport au sens du champ magnétique. Pour mettre en évidence par cet effet non réciproque une quantité mesurable qui soit directement liée au champ magnétique, et qui par conséquent n'intégre pas d'autres effets et en particulier les effets réci- proques produisant eux aussi des variations dans les conditions de propa- gation, (variation de température ou variation de pression par exemple), le dispositif suivant l'invention utilise deux ondes. Ces -deux ondes subissent de la même manière les effets réciproques induisant dans le milieu des variations dans les conditions de propagation variant dans le même sens, et subissent par effet Faraday non réciproque des variations en sens contraires Ces variations en sens contraires sont susceptibles d'être détectées par une méthode interférométrique. En effet la lumière polarisée linéairement issue du laser 1 après avoir traversé le prisme séparateur de polarisation 2 atteint le milieu magnéto- optique 4 dont les modes propres de polarisation sont polarisés droit et gauche Ces deux ondes polarisées circulairement droit et gauche atteignent le miroir 5 L'onde polarisée circulairement à droite après réflexion sur ce miroir devient polarisée circulairement à gauche, et réciproquement l'onde polarisée circulairement à gauche devient polarisée circulairement à droite comme représenté à la figure 2. Ainsi ce miroir 5 entraine un changement de direction et un change- ment de polarisation circulaire des ondes qui l'atteignent. Ce milieu 4 est réalisé avec n'importe quel milieu montrant de l'effet Faraday, c'est effet étant d'autant plus fort que le matériau est plus magnétique Avec un matériau ferromagnétique cet effet est plus important qu'avec un matériau diamagnétique, mais dans ce dernier cas, cet effet ne dépend pas de la température. Les ondes lumineuses de polarisations circulaires gauche et droite se propageant dans le milieu 4 subissent un déphasage induit par effet Faraday par le champ magnétique Le milieu magnétooptique induit sur les ondes lumineuses qui se propagent des variations de polarisation Ces effets sont réciproques et agissent sur les deux ondes de la même manière; par contre l'effet de polarisation rotatoire magnétique agissant seulement sur les ondes de polarisation circulaire pour introduire une avance ou un retard sur chacune des composantes, agit dans des sens différents sur les deux ondes et introduit donc entre elles un déphasage global AI En effet pour ces ondes l'établissement du champ magnétique parallèle à la direction de propagation avance la vibration circulaire dans le même sens que le courant magnétisant et retarde d'une quantité égale la vibration circulaire en sens contraire. Même si l'état de polarisation de l'onde lumineuse varie au cours de sa propagation le long de la fibre, les effets d'avance et de retard se cumulent le long de cette fibre et les deux ondes émergentes présentent un déphasage susceptible d'être détecté par interférométrie représentant directement les effets induits par le champ magnétique, les autres effets étant subis de manière identique par les deux ondes et n'introduisant donc pas entre elles de déphasage. Le dispositif de mesure représenté fournit sur le détecteur une intensité lumineuse I qui varie en fonction du déphasage Ah entre les deux ondes et donc du champ magnétique, comme représenté sur la courbe à la figure 3. Si on considère le schéma de principe de la figure 1 La lumière polarisée linéairement issue d'un laser 1 traverse tout d'abord un prisme séparateur de polarisation 2 Elle passe ensuite à travers le milieu magnéto- optique 4 dont on supposera que les modes propres de propagation sont polarisés droit et gauche Après traversée de ce milieu 4, ces ondes sont 25158 1 1 réfléchies sur un miroir 5 et repassent dans le milieu 4 pour être analysées par 2 La détection est assurée par un photodétecteur 3. Les ondes traversant le milieu 4 de gauche à droite ont des phases à la sortie: cc f nl L (onde polarisée droite) G cc n G L (onde polarisée gauche) Si on applique un champ magnétique H: on induit des déphasages AMH et MH: Dc n D L+ H D Go n GL -H Comme représenté à la figure 2, à la réflexion sur le miroir 5, l'onde droite devient gauche De même l'onde gauche devient droite Le sens relatif du champ et de la direction de propagation ayant été renversé, ces ondes émergent de nouveau du milieu 4 avec les phases: IDG " n DL + n GL + AH + ADH DGD î n GL + n DL MH ADH d'o h D = "DG "GD = 4 m H et les déphasages dus à la biréfringence naturelle du milieu et à des variations réciproques ont disparu. Ce déphasage AI) induit une apparition de signal lumineux sur le photodétecteur 3 traduisant l'action du champ magnétique H. Le senseur est donc sensible au champ magnétique et insensible aux paramètres réciproques du milieu. L'élément 2 peut être un cube séparateur de polarisation constitué de deux prismes collés, la surface de séparation constituée par l'hypoténuse de ces deux prismes étant traitée de façon à être séparatrice de polarisation. Cet élément présente un axe optique préférentiel Les rayons incidents ayant une direction de polarisation parallèle à cet axe sont transmis en totalité sans modification, parallèlement à la direction d'incidence Les rayons incidents ayant une direction de polarisation orthogonale à la direction précédente sont réfléchis en totalité suivant une direction ortho- gonale à la direction d'incidence Les faces du cube ont subi, en outre, un traitement de surface pour éviter les reflets parasites. 158 1 1 Cet élément 2 pourrait aussi être un circuit optique intégrée alimenté par la source 1 directement couplée par la tranche à la plaquette de circuit intégré, de la même façon que le milieu 4 et le détecteur 3. Après réflexion sur le miroir les deux ondes de polarisations circulaires suivent le chemin optique inverse et sont toujours polarisées circulairement. Mais le faisceau composite transmis au cube polariseur est à nouveau polarisé linéairement En effet, comme cela vient d'être expliqué, à la sortie du milieu, au retour des deux ondes, les déphasages dus à la biréfringence naturelle du milieu et à des variations réciproques ont disparu. Dans le milieu 4 le pouvoir rotatoire va se compenser entre l'aller et le retour, contrairement à l'effet Faraday qui va se cumuler. Ainsi sans champ électrique et donc sans effet Faraday on obtient au retour sur le séparateur de polarisation une même polarisation linéaire qu'à l'aller, et l'onde résultante est donc dirigé vers la source. Par contre, s'il existe un champ magnétique colinéaire avec la direction de l'onde lumineuse, la projection de l'onde linéaire résultante sur la polarisation à ir/2 n'est plus nulle, et une partie de l'onde lumineuse dépendant du champ magnétique va atteindre le détecteur, en effet à la traversée du cube séparateur par polarisation elle va être réfléchie par la face commune du cube. Pour réaliser le milieu 4, on peut considérer une fibre optique ayant peu ou pas de biréfringence linéaire Cette fibre peut être réalisée en un matériau ayant un effet Faraday plus prononcé tel que le grenat de fer et d'Itrium (Yig) Elle peut aussi ête réalisée en silice pour laquelle l'effet Faraday est faible mais indépendant de la température. Les fibres monomodes fabriquées habituellement pour les télécom- munications présentent toujours une petite quantité de biréfringfence liné- aire, et de biréfringence circulaire Par suite ces fibres ne conservent ni la polarisation linéaire, ni la polarisation circulaire. Il est possible de rendre la fibre très biréfringente linéaire en cassant la symétrie circulaire au profit d'une symétrie planaire. Il est également possible de considérer une méthode inverse, qui consiste à introduire une biréfringence circulaire ou pouvoir rotatoire, élevée de façon à conserver la polarisation circulaire. Une solution pour créer cette polarisation circulaire consiste à sou- mettre la fibre de verre à une contrainte statique de torsion, par exemple appliquée extérieurement par torsion entre ses deux extrémités: un effet de la torsion de cette fibre est d'introduire une biréfringence circulaire dans celle-ci Divers procédés de l'art connu permettent alors de conserver cet état de torsion Ce peut être, notamment, à l'aide d'une frette mécanique. Le senseur peut être réalisé avantageusement à l'aide d'une fibre monomode conservant la polarisation circulaire dont l'extrémité a été métallisée (ou traitée) de façon à être totalement réfléchissante Le laser utilisé peut être un laser semiconducteur La fibre optique conservant la polarisation circulaire peut être réalisée en torsadant une fibre monomode avec un taux de l'ordre de quelques dizaines de tours par mètre Cette fibre peut être, soit laissée libre, soit enroulée autour d'un conducteur pour réaliser un senseur de courant. On peut considérer une fibre pour laquelle chacun des éléments de diffusion; impureté ou discontinuité de cette fibre, constitue un élément réfléchissant. Si l'on envoie en entrée une impulsion lumineuse, générée par un laser impulsionnel par exemple, on peut alors effectuer une analyse temporelle de ces réflexions multiples, ce qui permet une exploration longitudinale de cette fibre Cette méthode de rétrodiffusion permet une mesure du champ magnétique le long de la fibre. On peut aussi opérer de façon contraire, en considérant le champ magnétique comme connu, et étudier les propriétés des éléments diffusant dans la fibre pour ainsi caractériser celle-ci. Il est bien évident que toute méthode classique de modulation de phase permettant de travailler autour d'un zéro décrite pour d'autres capteurs de l'art connu est applicable pour ce dispositif de l'invention. On peut utiliser ce dispositif de l'invention pour réaliser un capteur de courant en réalisant une boucle d'une ou de plusieurs spires à l'aide de cette fibre autour du conducteur dans lequel ce courant circule En effet pour chaque onde l'établissement du champ magnétique parallèle à la direction de propagation avance la vibration circulaire dans le même sens que le courant magnétisant et retarde d'une quantité égale la vibration circulaire en sens 25158 1 1 contraire Même si l'état de polarisation de l'onde lumineuse varie au cours de sa propagation le long de la fibre, les effets d'avance et de retard se cumulent le long de cette fibre et les deux ondes émergentes présentent un déphasage susceptible d'être détecté par interférométrie représentant direc- tement les effets induits par le courant I circulant dans le conducteur, les autres effets étant subis de manière identique par les deux ondes et n'introduisant donc pas entre elles de déphasage. 25158 1 1 REVENDICATIONS 1 Dispositif interférométrique de mesure de champ magnétique com- portant une source ( 1) délivrant un faisceau de lumière polarisée recti- lignement, un milieu de propagation ( 4) positionné sur le trajet de ce faisceau, un élément séparateur par polarisation ( 2) disposé entre cette source ( 1) et ce milieu ( 4), un dispositif de détection ( 3) couplé à cet élément séparateur par polarisation ( 2), caractérisé en ce que, le milieu de propagation ( 4) étant un milieu magnétooptique, il comprend un miroir ( 5) disposé perpendiculairement à la direction de propagation. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu magnétooptique ( 4) a ses modes propres de propagation polarisés droit et gauche, ce milieu conservant la polarisation circulaire. 3 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la source ( 1) est un laser semiconducteur. 4 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élé- ment séparateur par polarisation ( 2) comporte deux prismes réfringents accolés par leur hypothénuses de façon à former une surface séparatrice semi-réfléchissante. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élé- ment séparateur par polarisation est un élément optique intégré. 6 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu de propagation ( 4) est une fibre monomode conservant la polarisation circulaire. 7 Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la fibre est torsadée. 8 Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la fibre est en silice. 9 Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la fibre est en grenat de fer et d'Itrium. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'extré- mité de la fibre est métallisée. 11 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la source ( 1) est un laser impulsionnel. 12 Capteur de courant électrique à effet Faraday, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 11, la fibre optique formant au moins une boucle autour d'un conducteur dans lequel ce courant circule.