Brevet FR2558963A1 — publié le 19850802

PROCEDE DE MESURE MAGNETO-OPTIQUE DE CHAMPS MAGNETIQUES, SYSTEME DE MESURE ET CELLULE DE MESURE UTILISANT UN TEL PROCEDE L'invention concerne un procédé de mesure magnéto-optique de champs magnétiques. Elle concerne également un système - mettant en oeuvre ce procédé ainsi qu'une cellule de mesure adaptée à ce système. On sait mesurer avec précision la valeur d'un champ magnétique en un point donné. Cette exigence de précision conduit à concevoir des appareils d'une sensibilité telle que leurs mesures peuvent être affectées par les fluctuations du champ magnétique ambiant. C'est ainsi par exemple que certains magnétomètres permettent de mesurer de faibles champs magné- tiques de l'ordre du nano-Tesla alors qu'il est courant que le champ magnétique ambiant présente des amplitudes de variations atteignant quel- ques dizaines à quelques centaines de nano-Teslas dans un spectre de fréquences s'étendant du continu à quelques dizaines de Hertz. Pour effectuer des mesures de champs magnétiques précises et pouvoir les corriger en fonction du champ magnétique ambiant, on a la possibilité d'utiliser plusieurs magnétomètres. On doit alors prendre des précautions pour que ces magnétomètres n'agissent pas les uns sur les autres. La demande de brevet français N 2 471 608 publié le 13 août 1982, la première addition N 2 517 831 à cette demande de brevet publiée le 10 juin 1983 ainsi que la demande de brevet N0 83 110 73 déposée le 4 juillet 1983 décrivent des magnétomètres dont la cellule commune de base est consti- tuée d'une source de lumière polarisée, d'une couche mince possédant un effet magnétooptique important, d'un analyseur et d'un système de détection et de conversion lumière-courant électrique. A ces éléments s'ajoutent un solenoïde de modulation et de contre-réaction ainsi qu'une paire de bobines ou d'aimants de saturation créant un champ magnétique de polarisation. Quand plusieurs magnétomètres sont employés dans un volume réduit, c'est le cas pour la mesure triaxe, ou quand les cellules de bases sont utilisées pour la mesure de vecteurs de gradient de champ magnétique la sensibilité de la mesure est affectée par l'existence des champs magnétiques continu de polarisation qui déforme mutuellement les lignes de champs magnétiques. Aussi, les hommes de l'art essaient-ils de réduire ou d'éliminer ces champs magnétiques continus de polarisation. L'invention fournit une solution permettant d'éliminer le champ magnétique de polarisation du magnétomètre. Elle présente de plus l'avan- tage de fonctionner avec une sonde de magnétomètre de conception simplifiée et d'encombrement réduit. L'invention a donc pour objet un procédé de mesure de champ magnétique utilisant une couche d'un matériau ferrimagnétique dans laquelle on fait circuler, selon un axe déterminé, un faisceau lumineux polarisé selon un plan déterminé de telle façon qu'un champ magnétique orienté selon l'axe du faisceau ait un effet de rotation par effet Faraday du plan de polarisation de la lumière, cactérisé en ce qu'il comporte: une première étape d'induc- tion dans la couche de matériau ferrimagnétique, selon l'axe du faisceau lumineux, d'un champ magnétique de modulation alternatif d'amplitude supé- rieure à la limite de saturation de la couche de matériau ferrimagnétique et celà durant un temps suffisant pour entretenir une oscillation cohérente de l'aimantation dans la couche de matériau ferrimagnétique donnant lieu à une oscillation du plan de polarisation du faisceau lumineux, symétrique par rapport audit plan déterminé; et une deuxième étape comprenant les opérations suivantes exécutées simultanément: diminution progressive de l'intensité du champ de modulation, - détection de toute dissymétrie de l'oscillation du plan de polarisation du faisceau lumineux par rapport audit plan déterminé, - induction selon l'axe du faisceau lumineux, d'un champ magnétique correspondant à la détection réalisée et ayant pour rôle de rétablir la symétrie de l'oscillation. L'invention a également pour objet un système de mesure, mettant en oeuvre le procédé précédent, comportant un dispositif d'émission permettant d'émettre un faisceau lumineux polarisé linéairement se propageant suivant un axe de propagation déterminé; une plaquette en matériau magnétique, alignée selon l'axe du faisceau de lumière et permettant, en son sein, une propagation guidée du faisceau ainsi qu'une rotation de la direction de polarisation du faisceau pendant sa propagation; des moyens de mesure de rotation de polarisation associé à la plaquette selon l'axe du faisceau lumineux, recevant le faisceau après traversée de la plaquette associée et fournissant un signal de mesure de rotation de polarisation, caractérisé en ce qu'il comporte également un solénoïde placé autour de la plaquette de façon à pouvoir induire un champ magnétique selon l'axe du faisceau lumineux ainsi que des circuits de commande et d'alimentation permettant, durant un temps correspondant à la première étape, d'alimenter ledit solénoïde à l'aide d'un courant alternatif d'amplitude élevée de façon à ce que le champ induit sature la plaquette, puis durant un temps correspondant à la deuxième étape, de diminuer progressivement le niveau d'alimentation du solénoïde en courant alternatif, et de l'alimenter simultanément à l'aide d'un courant continu de contre réaction en fonction du signal de mesure de rotation de polarisation fourni par les moyens de mesure, pour permettre de contrebalancer un champ magnétique continu existant le long de l'axe du faisceau. Enfin, l'invention a pour objet une cellule de mesure applicable dans le procédé et le système précédents. Cette cellule comporte notamment une couche de matériau ferrimagnétique d'une- forme allongée et est disposée de telle façon que le faisceau lumineux la traverse selon sa petite dimension, de telle façon que le champ démagnétisant est perpendiculaire à la direction du faisceau lumineux. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparal- tront à l'aide de la description qui suit faite en référence aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure I représente un magnétomètre selon l'art connu, - la figure 2 représente un magnétomètre selon l'invention, - la figure 3 représente un exemple de réalisation de l'invention. En se reportant à la figure 1, on va tout d'abord décrire un magnéto- mètre connu dans la technique. Ce magnétomètre comprend une source laser à semiconducteur ou diode laser 1, un polariseur 2, une plaquette 3, un analyseur 4 et une diode photodétectrice 5, l'ensemble étant situé selon un plan yOz. La plaquette 3 est placée à l'intérieur d'un bobinage de modulation 6 et d'un bobinage de compensation 7 tous deux concentriques. Deux pièces polaires 8 et 9 situées de part et d'autre de la plaquette 3 induisent un champ magnétique continu dans la plaquette 20 selon le plan principal de la plaquette et transverse à la direction de propagation de la lumière dans la plaquette. La diode laser I émet à partir de l'une de ses faces un faisceau lumineux F1 collimaté. La surface de la face d'émission a typiquement pour dimensions 0,2 micron par 15 microns. Une telle diode est alimentée par une tension électrique déterminée. La plaquette 3 est taillée dans un grenat de gadolinium et de gallium dit GGG. Sur la surface de GGG on a fait pousser par épitaxie une couche relativement épaisse de YIG répondant sensiblement à la composi- tion Gd0,45 Y2,55 Ga0,9 Fe4 1012' L'épaisseur obtenue peut être comprise entre 5 et 110 microns et une valeur typique est de 20 microns. Une telle épaisseur de YIG permet de faire propager la lumière de manière guidée mais multimode, et dans ces conditions l'effet Faraday dû au champ magnétique se manifeste uniquement par une rotation du plan de polarisation de la lumière et non plus par une conversion du mode TM en mode TE. Ceci permet de coupler le faisceau lumineux par les faces terminales de la couche YIG. Dans la description qui va suivre on consi- dèrera dans l'utilisation de la plaquette 3, le rôle fonctionnel de la cou- che de YIG. On va maintenant décrire le fonctionnement du magnétomètre de la figure 1. La diode laser 1 est alimentée par ses bornes d'entrée El0 et Ell à l'aide d'une source appropriée non représentée. Elle fournit un faisceau lumineux F1 d'une puissance de quelques milliwatts à la longueur d'onde de 1,3 microns. Après traversée du polariseur 2, le faisceau F1 est couplé à la plaquette 3 par la face d'entrée 60. La plaquette 3 joue le rôle de guide d'onde. Le champ magnétique à mesurer a pour effet d'induire, dans la plaquette 3, un effet Faraday qui se manifeste par une rotation du plan de polarisation de la lumière. Cette rotation est proportionnelle à l'intensité de la composante du champ magnétique selon la direction de propagation de la lumière, c'est-à-dire l'axe Oz. On a donc intérêt à orienter l'ensemble de la tête de mesure représentée en figure I dans le champ magnétique à mesurer de telle façon que le faisceau FI soit dirigé selon les lignes de ce champ magnétique. Par ailleurs, pour obtenir une détection optimale, il est nécessaire que le vecteur aimantation soit dans le plan de la couche, et qu'en absence de champ magnétique à détecter suivant la direction de la propagation lumi- neuse, il soit normal à celle-ci. La couche est saturée suivant cet axe au moyen des pièces polaires 8 et 9 ou de bobines en configuration d'Helmotz. La valeur de ce champ magnétique de saturation est inférieure à 1 oersted. La composante du champ magnétique suivant l'axe de propagation de la lumière a pour effet de désorienter cette aimantation et de provoquer une rotation du plan de polarisation de la lumière. Les effets mis en jeu ne sont pas linéaires et rendent difficile la rmesure directe du champ magnétique. La rotation du plan de polarisation de la lumière n'étant pas une fonction linéaire du champ magnétique à mesurer le long de la direction de propagation du faisceau FI (axe Oz), il est difficile de traduire le résultat de mesure obtenu sur la sortie S5 en valeur de champ magnétique mesuré. On utilise donc une méthode de zéro. Pour cela, un circuit d'alimentation et de commande 11 alimente le bobinage d'excitation 6 à l'aide d'un courant alternatif par les connexions d'entrée E60 et E61. Le bobinage 6 induit dans la plaquette 3 un champ magnétique alternatif parallèle à la direction de propagation du faisceau F1, c'est-à-dire selon l'axe Oz, et donc parallèle au champ à mesurer. Celui-ci est modulé par le champ alternatif fournit par le bobinage 6. L'intensité de la lumière détectée par la diode photodétectrice 5 est donc modulée. En l'absence de champ magnétique à mesurer, l'intensité de la lumière varie selon une loi ne contenant que des harmoniques paires du signal d'excitation appliqué au bobinage 6. La présence d'un champ magnéti- que à mesurer selon l'axe Oz donne lieu à l'apparition d'harmoniques impaires. L'amplitude du fondamental varie en fonction de la valeur du champ à mesurer. Lorsque la plaquette 3 est soumise à un champ magnétique à mesurer orienté selon l'axe Oz, la diode photodétectrice 5 détecte le signal lumineux, transmet un signal électrique de forme équivalente sur sa sortie 55 vers l'amplificateur 10 qui le retransmet sur sa sortie S1 vers le circuit d'alimen- tation et de commande 11. Celui-ci détecte les harmoniques impaires et commande l'alimentation en courant continu du bobinage de compensation 7 par les connexions d'entrée E70 et E 71. Le bobinage 7 induit dans la plaquette 3, un champ magnétique continu selon la direction du faisceau lumineux, c'est-à-dire selon la direction du champ à mesurer. En réglant la valeur du courant continu en sens et en amplitude de façon appropriée telle que le champ continu induit compense le champ à mesurer, celui-ci n'a plus d'effet sur la rotation du plan de polarisation du faisceau lumineux Fl. Il suffit alors de mesurer la valeur du courant continu fourni au bobinage 7 pour en déduire la valeur du champ mesuré. Le magnétomètre de la figure 1 a donc permis de mesurer un champ magnétique. Cependant, il arrive qu'on ait besoin de disposer plusieurs cellules de mesure de magnétomètres proches les unes des autres pour dresser une carte du magnétisme en un point donné par exemple. L'utilisation de magné- tomètres tel que celui décrit précédemment présente l'inconvénient que les pièces polaires 8 et 9 des différents magnétomètres induisent des champs magnétiques pouvant perturber les mesures des autres magnétomètres. L'invention fournit un procédé de mesure et un magnétomètre mettant en oeuvre ce procédé, permettant de s'affranchir du champ magnétique produit par les pièces polaires 8 et 9. De plus, le magnétomètre selon l'invention présente l'avantage d'être de dimensions réduites. La figure 2 représente un magnétomètre selon l'invention. Ce magnétomètre comporte une diode laser 1, un polariseur 2, une plaquette 3 de constitution identique à celle décrite en relation avec la figure 1, un analyseur 4, une diode photodétectrice 5, un solénoïde 12 selon l'axe duquel est placée la plaquette 3, des circuits de commande 10, 11, 13, 14 et 15. Comme dans le magnétomètre de la figure 1, la diode laser 1 émet un faisceau lumineux Fl qui est polarisé par le polariseur 2 et est transmis par la plaquette 12 et l'analyseur 4 à la diode photodétectrice 5. Le procédé de l'invention prévoit d'induire, durant un premier inter- valle de temps tl, un champ magnétique alternatif de modulation saturant la couche selon la direction de propagation de la lumière ce qui engendre une rotation cohérente de l'aimantation. Celle-ci oscille autour de son axe de symétrie qui est perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière. Le plan de polarisation de la lumière oscille également de manière symé- trique. A l'issue de ce temps tl, lorsque le phénomène d'oscillation est établi de manière stable, le procédé de l'invention prévoit de diminuer progres- sivement l'amplitude du champ magnétique alternatif de modulation. Lors- que le champ magnétique devient inférieur à la limite de saturation de la plaquette 3, un champ continu à mesurer, orienté selon la direction de propagation de la lumière, est mis en évidence par la dissymétrie de l'oscillation du plan de polarisation. Cette dissymétrie est d'autant plus perceptible que l'on diminue l'amplitude du champ magnétique alternatif de modulation. Dans ces conditions, pendant que l'on diminue l'amplitude du champ magnétique alternatif de modulation et dès que l'on constate une dissy- métrie dans l'oscillation du plan de polarisation du faisceau F1, on induit un champ magnétique de contre-réaction ayant pour effet de contrebalancer l'effet du champ magnétique à mesurer. Au fur et à mesure que le champ magnétique de modulation diminue, le système devient plus sensible et on peut ajuster la valeur du champ magnétique de contreréaction à une valeur annulant avec précision l'effet du champ à mesurer. Le magnétomètre de la figure 2 fonctionnera donc de la manière suivante. Un circuit de base de temps 13 est mis en fonctionnement sous la commande d'un signal CI fournit soit manuellement, soit au moyen d'un dispositif non représenté. Le circuit de base de temps fournit un signal tl de durée déterminée à l'entrée E 34 du circuit d'alimentation 11. Celui-ci, en réponse, fournit, sur ces sorties E30 et E31, un courant alternatif alimentant le solénoïde 12. Le courant alternatif est d'une amplitude telle qu'un champ magnétique de modulation induit par le solénoïde 12 dans la plaquette 3 a pour effet de saturer la plaquette. Un faisceau lumineux émis par la diode laser 1, polarisé par le polariseur 2 et traversant la plaquette 3, a donc son plan de polarisation qui oscille sous l'effet du champ magnétique de modulation. La diode 5 recueille un faisceau lumineux dont la luminosité oscille de façon régulière. Au terme du temps tl, le circuit de base de temps 13 cesse de fournir le signal tl et fournit un signal t2 à l'entrée E35 du circuit d'alimen- tation 11. Celui-ci commande la diminution régulière de l'amplitude du courant alternatif fournit sur les sorties E30 et E31 et donc du champ magnétique de modulation. Le signal t2 est également fournit à un circuit à. porte 14 de façon à le rendre passant. S'il existe un champ magnétique continu ou lentement variable ou une composante d'un tel champ magnétique dirigé le long de la direction de propagation du faisceau lumineux, lorsque le champ magnétique de modu- lation diminue suffisamment, la diode photodétectrice 5 détecte un signal comportant des harmoniques impaires. Ce signal est amplifié par l'ampli- ficateur 10 qui le retransmet au détecteur 15. Celui-ci détecte les harmo- niques impaires et fournit un signal de commande CRI au circuit à porte 14. Ce circuit à porte étant passant, un signal de commande CR2 est appliqué à l'entrée E36 du circuit d'alimentation. Le circuit d'alimentation 11 fournit entre ses sorties E32 et E33 un courant de contre-réaction dont l'amplitude est fonction du signal de commande CR2. Ce courant alimente le solé- noide 12 et a pour rôle d'induire un champ magnétique qui contre-balance l'effet du champ magnétique détecté. Pendant ce temps, le courant alternatif, fourni sur les sorties E30 et E31 par le circuit d'alimentation 11, continu à diminuer. La sensibilité du système augmente donc et le détecteur 15 peut détecter des harmoniques impaires correspondant à un signal à détecter plus faible compte-tenu du courant de contre-réaction fourni au solénoYde. Le processus continu ainsi jusqu'à ce que l'amplitude du courant alternatif atteigne une valeur corres- pondant à la sensibilité que l'on désire obtenir. La valeur du courant de contre-réaction, fourni au solénoYde 12 pour contrebalancer le champ magnétique à mesurer, est affichée sur un appareil de mesure 16. Cet appareil, convenablement gradué fournit la valeur du champ magnétique de contre-réaction et donc du champ à mesurer. Il est à noter que les sorties E30 et E32 d'une part et E31 et E33 sont découplées par des moyens non représentés. Le temps tl durant lequel est fourni un champ de modulation d'inten- sité élevée sera de l'ordre de 1 seconde par exemple. Par ailleurs, pour améliorer le fonctionnement du magnétomètre, l'invention prévoit également de donner à la plaquette 3 une forme allongée telle que l'axe de l'aimentation dû au champ démagnétisant soit perpendi- culaire à la direction de propagation de la lumière. La longueur et la largeur de la plaquette seront par exemple dans un rapport de 5 et la plaquette sera disposée sur le trajet du faisceau lumineux de telle façon qu'elle soit traversée selon sa largeur par le faisceau lumineux Fl.. Dans ces conditions, lorsque le champ de démodulation prendra une valeur faible, l'oscillation de ce champ se fera de préférence de façon symétrique par rapport à la direction du champ de démagnétisation, et celà notamment en l'absence de champ à mesurer le long de la direction de propagation du faisceau lumineux. De plus, les composantes de champs magnétiques perpendiculaires à l'axe de la lumière auront un effet coopératif avec le champ démagnétisant pour maintenir l'oscillation de l'aimantation symétrique. La cohérence et la symétrie de l'oscillation étant assurées ainsi, il suffit de diminuer l'amplitu- de du champ de modulation pour avoir le maximum de sensibilité. La figure 3 représente une vue isométrique d'une sonde de magnéto- mètre réalisée conformément à l'invention. On retrouve sur cette figure la diode laser 1, la plaquette 3, l'ana- lyseur 4, la diode photodétectrice 5, le solénoïde 12. La diode I est une diode semiconductrice qui émet un faisceau polarisé. C'est pourquoi on ne retrouve pas le polariseur 2 de la figure 2. La plaquette 3, selon cet exemple de réalisation à 20 mm de longueur sur 5 mm de largeur. L'ensemble est monté dans un boîtier 16 de forme générale cylindrique de 30 mm de diamètre et de 45 mm de longueur environ. Les circuits de commande et d'alimentation (11, 13, 14) ainsi que les circuits de détection (10, 15) ne sont pas représentés sur la figure 3. Ils sont connectables à la sonde du magnétomètre et notamment aux diodes 1, 5 et au solénoïde 12 par un connecteur 17 prévu dans le boîtier 13 et d'une prise enfichable 18. Il apparaît donc que la construction d'une telle sonde est particu- lièrement simple. De plus, la simplicité de la structure permet d'envisager aisément une sonde de très petite dimension. la REVENDICATIONS I. Procédé de mesure de champ magnétique utilisant une couche (3) d'un matériau ferrimagnétique dans laquelle on fait circuler, selon un axe déterminé, un faisceau lumineux polarisé selon un plan déterminé de telle façon qu'un champ magnétique orienté selon l'axe du faisceau ait un effet de rotation par effet Faraday du plan de polarisation de la lumière, caractérisé en ce qu'il comporte: une première étape d'induction dans la couche de matériau ferrimagnétique, selon l'axe du faisceau lumineux, d'un champ magnétique de modulation alternatif d'amplitude supérieure à la limite de saturation de la couche (3) de matériau ferrimagnétique et celà durant un o10 temps suffisant pour entretenir une oscillation cohérente de l'aimantation dans la couche de matériau ferrimagnétique donnant lieu à une oscillation du plan de polarisation du faisceau lumineux, symétrique par rapport audit plan déterminé; et une deuxième étape comprenant les opérations suivantes exécutées simultanément - diminution progressive de l'intensité du champ de modulation, - détection de toute dissymétrie de l'oscillation du plan de polarisation du faisceau lumineux par rapport audit plan déterminé, - induction selon l'axe du faisceau lumineux, d'un champ magnétique correspondant à la détection réalisée et ayant pour rôle de rétablir la symétrie de l'oscillation. 2. Système de mesure mettant en oeuvre le procédé de la revendi- cation 1, comportant un dispositif d'émission (1) permettant d'émettre un faisceau lumineux (F1) polarisé linéairement se propageant suivant un axe de propagation déterminé; une plaquette en matériau magnétique, alignée selon l'axe du faisceau de lumière et permettant, en son sein, une propa- gation guidée du faisceau ainsi qu'une rotation de la direction de polarisation du faisceau pendant sa propagation; des moyens (5, 10, 15) de mesure de rotation de polarisation associé à la plaquette (3) selon l'axe du faisceau lumineux, recevant le faisceau après traversée de la plaquette associée, et fournissant un signal de mesure de rotation de polarisation (CRI), carac- térisé en ce qu'il comporte également un solénoïde (12) placé autour de la plaquette de façon à pouvoir induire un champ magnétique selon l'axe du faisceau lumineux ainsi que des circuits de commande et d'alimentation 11 permettant durant un temps correspondant à la première étape, d'alimenter ledit solénoïde à l'aide d'un courant alternatif d'amplitude élevée de façon à ce que le champ induit sature la plaquette (3), puis durant un temps correspondant à la deuxième étape, de diminuer progressivement le niveau d'alimentation du solénoïde (12) en courant alternatif, et de l'alimenter simultanément à l'aide d'un courant continu de contre réaction en fonction du signal de mesure (CRI) de rotation de polarisation fourni par les moyens de mesure (5, 10) pour permettre de contrebalancer un champ magnétique continu existant le long de l'axe du faisceau. 3. Système de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que les circuits de commande et d'alimentation comportent: un circuit d'alimen- tation (11) possédant une première, une deuxième et une troisième entrées (E34, E35, E36) de commande et permettant d'alimenter en courant le solénoïde (12) selon les signaux reçus sur ses trois entrées; un circuit à porte 14 connecté à la troisième entrée (E36) du circuit d'alimentation et permettant de lui transmettre un signal de mesure de rotation de polari- sation (CR2) reçu des moyens de mesure (5, 10, 15); un ciruit de base de temps (13) connectés aux première et deuxième entrées (E34, E35) du circuit d'alimentation (11) ainsi qu'au circuit à porte (14), fournissant durant un temps déterminé correspondant à la première étape, un premier signal (tl) sur la première entrée (E34) du circuit d'alimentation (11) pour commander l'alimentation du solénoïde (12) à l'aide d'un courant alternatif de modulation de forte amplitude; puis durant un temps, correspondant à la deuxième étape, un deuxième signal (t2) d'une part sur la deuxième entrée (E35) du circuit d'alimentation (11) et commandant la diminution progressive du courant alternatif de modulation, et d'autre part au circuit à porte (14) de façon à le rendre passant et à permettre la transmission du signal de mesure de rotation de polarisation (CRI) à la troisième entrée (E36) du circuit d'ali- mentation (11) pour commander par celui-ci l'alimentation du solénoïde (12) à l'aide d'un courant de contre réaction induisant un champ magnétique annulant l'effet du champ magnétique à mesurer. 4. Cellule de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la couche de matériau ferrimagnétique (3) a une forme allongée et qu'elle est disposée de telle façon que le faisceau lumineux (F1) la traverse selon sa petite dimension, le champ démagnétisant étant alors perpendiculaire à la direction du faisceau lumineux.