Brevet FR2656428A1 — publié le 19910628

CAPTEUR DE CHAMP ELECTRIQUE A EFFET POCKELS DESCRIPTION La présente invention a pour objet un capteur de champ éLectrique à effet Pockels comportant comme élément sensible un corps cristallin ayant des propriétés électro-optiques, traversé par un faisceau lumineux incident, de directions de propagation et de polarisation déterminées. Il permet de mesurer non seulement la valeur d'un champ électrique mais aussi sa direction. Dans La plupart des corps cristallins non centrosymétriques, les indices de réfraction, qui dépendent en général de la direction de propagation et de la polarisation du faisceau incident, varient linéairement avec un champ électrique extérieur appliqué. C'est L'effet Pockels, connu depuis la fin du siècle dernier. Cette variation d'indice peut être mise à profit pour changer la phase du faisceau lumineux ; celle-ci peut alors être mesurée par un système interférométrique comme ceci est effectué dans les modulateurs électro-optiques. De cette variation de phase on peut en principe remonter à la valeur du champ électrique. En utilisant un cristal isolant et en L'absence de pièce métallique dans le capteur, on peut ainsi mesurer le champ électrique sans trop le perturber. De plus, un tel système présente l'avantage de pouvoir être réalisé avec une source de lumière de faible puissance donc peu coûteuse. Malheureusement, les phénomènes sont rendus compliqués par le caractère tensoriel de l'effet Pockels. En outre, le tenseur de l'effet Pockels comprend en général 18 coefficients non nuls et la même variation de phase peut être obtenue pour plusieurs orientations et plusieurs valeurs de champ électrique. Des capteurs de champ électrique utilisant l'effet Pockels dans des cristaux de faible symétrie ont déjà été réalisés et ont fait L'objet d'une publication de J. Chang et C.N. Vittitoe "An electrooptical technique for measuring high frequency free space electric fields", Fast Electrical and Optical Measurements vol.1, Current and Voltage Measurements Martinus Nijhoff publishers, Dordrecht 1986, édité par J.E. Thompson et L.H. Luessen, pp.57-71 et d'une publication de K.D. Masterson "Photonic electric-field probe for frequencies up to 2 GHz", SPIE Proceedings, vol. 720 (1986), pp. 100-104. Ces capteurs ont l'inconvénient de ne permettre que la détermination de la valeur de champs électriques dont on connaît a priori la direction. Cependant, cet inconvénient disparaît dans les cristaux de haute symétrie pour lesquels de nombreux coefficients du tenseur de Pockels sont identiquement nuls. En particulier, dans Le cas de cristaux cubiques, il n'y a plus que trois coefficients qui sont tous égaux. Dans ce cas de symétrie, I.P. Kaminow a montré en 1974 dans "An Introduction to Elect roopti c Devi ces", Academi c Press, New-York, pp. 40-51, quelles directions de propagation et de polarisation pouvaient être utilisées pour mesurer te champ électrique dans trois directions perpendiculaires, d'une façon indépendante. Des capteurs basés sur cette méthode de mesure du champ électrique par effet Pockels dans des cristaux cubiques, ont été décrits dans le document de B.N. Nelson et al. "Fiber optic electric fie Id sensor configurations for high bandwidth lightning research measurement applications", SPIE vol.720 (1986), pp.85 90. Ces capteurs utilisent des fibres optiques pour guider le faisceau incident entrant dans le cristal et pour guider le faisceau sortant de ce dernier. La polarisation du faisceau incident est réalisée par des polariseurs placés juste avant Le cristal et l'analyse du faisceau sortant du cristaL est réalisée avec un analyseur placé juste après le cristal. Ces polariseurs et analyseurs sont situés dans la sonde de mesure, ce qui a pour inconvénient d'augmenter les dimensions de celle-ci et donc d'empêcher la mesure de champ électrique dans des endroits exigus. En outre, le cristal fonctionne en transmission, ce qui interdit d'effectuer des mesures de champ électrique près d'une paroi. Par ailleurs, et ce qui est beaucoup plus grave, aucun souci n'a été pris quant à la symétrie géométrique macroscopique du cristal sonde. Or les cristaux électro-optiques utilisés ont une constante diélectrique supérieure à 10 (16 dans le cas du germanate de bismuth Bi Gc O ). Aussi, un tel cristal 4 3 12 de forme quelconque peut induire des distorsions dans les lignes de champ électrique, ce qui fait que de tels capteurs donnent un bon ordre de grandeur du champ électrique mesuré, mais que la valeur réelle et la direction de ce champ fournies par ces capteurs ne sont nullement garanties. Ces capteurs ne sont donc pas fiables. En outre, les cristaux sondes utilisés ont une forme cubique et présentent une très forte résonance dans Leur réponse à leur fréquence propre de vibration, valant c/2a où c est la vitesse du son dans le cristal et a le côté du cube. Pour reprendre L'exemple d'une sonde de 1 cm de côté en germanate de bismuth, cette fréquence propre est d'environ 400 kHz et induit d'importantes perturbations dans les études de chocs électriques. L'invention a justement pour objet un capteur de champ électrique à effet Pockels permettant de remédier aux différents inconvénients mentionnés cidessus. En particulier, ce capteur permet une mesure précise de la valeur du champ électrique et une détermination précise de l'orientation de ce champ. Par ailleurs, ce capteur peut assurer une mesure de champ électrique auprès d'une paroi et La partie sonde de ce capteur peut être réalisée avec des dimensions plus faibles que celles des sondes de l'art antérieur. En outre, L'influence des fréquences de résonance du cristal est très sensiblement réduite. De façon plus précise, L'invention a pour objet un capteur de champ électrique à effet Pockels comportant comme élément sensible un cristal de symétrie cristallographique cubique à propriétés électro-optiques, traversé par un faisceau lumineux de directions de propagation et de polarisation déterminées, caractérisé en ce que Le cristal est taillé sous forme d'un elLipsoide. L'utilisation d'un cristal sonde tailLé sous forme d'un ellipsoïde et en particulier sous forme d'une sphère permet d'éliminer les distorsions géométriques du champ électrique à mesurer produites par le cristal, du fait que ces formes respectent toutes les symétries du champ électrique préexistantes. Le capteur de l'invention comprend trois voies optiques de mesure permettant de mesurer indépendamment les trois composantes perpendiculaires du champ électrique. En particulier, les parties des voies de mesure situées dans le cristal sont orientées respectivement selon trois axes cristallographiques tri rectangles de ce dernier. Selon un mode particulier de réalisation du capteur de l'invention, chaque voie de mesure comprend une source de lumière monochromatique émettant un faisceau incident, un moyen de polarisation du faisceau incident selon une première direction cristallographique du cristal, des moyens d'introduction du faisceau incident polarisé dans le cristal selon une seconde direction cristallographique, un moyen d'analyse du faisceau lumineux sortant du cristal et un élément de détection du signal lumineux analysé. Au lieu d'utiliser une source de lumière et un détecteur par voie de mesure, il est éventuellement possible d'utiliser une unique source et un unique détecteur pour l'ensemble des voies de mesure. Dans ce cas, un commutateur optique doit être prévu respectivement en sortie de la source lumineuse et en entrée du détecteur. De façon avantageuse, chaque voie de mesure comprend une fibre optique d'entrée à maintien de polarisation pour le transport du faisceau incident et une fibre optique de sortie à maintien de polarisation pour le transport du faisceau sortant du cristal. Ce type de fibres permet de placer le moyen de polarisation directement en sortie de la source lumineuse et le moyen d'analyse directement à l'entrée de l'élément de détection. Ceci permet une réduction importante de la partie sonde du capteur par rapport à celle de l'art antérieur, qui est constituée selon L'invention du cristal seul. L'utilisation de fibres à maintien de polarisation permet d'éloigner les moyens de polarisation et d'analyse du cristal et donc d'éviter de perturber les lignes du champ électrique à mesurer. De façon à pouvoir effectuer des mesures auprès d'une paroi, le cristal travaille en réflexion. En particulier, pour chaque voie de mesure, le faisceau incident entrant dans le cristal et le faisceau sortant de ce cristal forment un angle de 50 au plus. L'amplitude de l'onde lumineuse transportée par la fibre optique de sortie varie linéairement avec le champ électrique à mesurer. Il en résulte que l'intensité lumineuse détectée par le détecteur varie quadratiquement avec le champ électrique. Aussi, pour réaliser une détection linéaire, on peut avantageusement interposer une lame quart-d'onde après la fibre d'entrée pour polariser le faisceau lumineux incident circulairement avant son entrée dans le cristal. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure I est un schéma de principe d'un capteur conforme à l'invention, ne montrant qu'une seule voie de mesure, - les figures 2a et 2b donnent le principe de fonctionnement d'un capteur conforme à l'invention, - la figure 3 représente un mode de réalisation d'un capteur selon l'invention dans lequel le cristal sonde comporte trois couples de méplats, - la figure 4 représente schématiquement un autre mode de réalisation d'un capteur conforme à l'invention dans lequel le cristal sonde comporte deux couples de méplats, et - la figure 5 complète La figure 4. Le schéma de principe du capteur de l'invention représenté sur la figure 1 montre une seule voie de mesure du capteur destinée à mesurer une seule composante d'un champ électrique. Les trois voies de mesure du capteur sont similaires. Chaque voie de mesure comporte une source lumineuse 2 constituée par une diode laser monomode émettant un faisceau lumineux monochromatique 4. Ce faisceau 4 est polarisé recti lignement selon une première direction x ou y par un polariseur 6 puis focalisé dans une fibre d'entrée monomode 8 à maintien de polarisation par une lentille de focalisation 10 du type lentille Selfoc de "pitch" 0,25. L'axe de polarisation de la fibre 8 est orienté selon la première direction. A la sortie de la fibre optique 8 on trouve une lentille de collimation 12 du type lentille Selfoc de "pitch" 0,25 servant à collimater le faisceau incident polarisé avant son entrée dans le cristal sonde 14 via un premier méplat 16. Le faisceau incident collimaté entrant dans le cristal sonde porte la référence 17. Selon L'invention, le cristal sonde est un cristal cubique à propriétés électro-optiques de symétrie 43 n tel que le Bi4Ge O tailLé sous forme d'une sphère. Le faisceau incident 17 qui pénètre dans le cristal 14 par le méplat 16 est ensuite réfléchi sur un second méplat 18 du cristal pour ressortir par le méplat 16. Les méplats 16 et 18 sont diamétralement opposés et constituent un couple de méplats. Ils sont polis selon une qualité optique et disposés à l'endroit où l'un des trois axes cristallographiques tri rectangles (100), (010) ou (001) du cristal émerge de la sphère 14. Selon l'invention, l'injection du faisceau incident 17 dans le cristal se fait selon une seconde direction z perpendiculaire à la première direction de polarisation x ou y. En outre, le faisceau incident 17 entrant par le méplat 16 dans le cristal sonde et le faisceau 20 sortant du cristal par ce méplat 16 forment entre eux un angle au plus égal à 50. Le faisceau 20 sortant du cristal 14 est focalisé à l'aide d'une lentille de focalisation 24 aussi du type lentille Selfoc de "pitch" 0,25 dans une seconde fibre à maintien de polarisation 26 qui est parallèle à la fibre d'entrée 8 et située du même côté du cristal sonde 14. De plus, l'axe de polarisation de la fibre de sortie est perpendiculaire à celui de la fibre d'entrée 8 et perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau lumineux ; si la première direction est la direction x, l'axe de polarisation de la fibre 26 est orienté selon la direction y et si la première direction est la direction y, l'axe de polarisation de la fibre 26 est orienté selon la direction x. Selon L'invention, les directions x, y et z sont parallèles à trois axes trirectangles du cristal. A la sortie de la fibre 26, on trouve une autre lentille de collimation 28 du type lentille Selfoc. Le faisceau de mesure collimaté 29 est alors reçu par un analyseur 30 croisé à 900 par rapport au polariseur 6, puis détecté par un détecteur 32 du type photodiode. Pratiquement, les lentilles 10 et 12 sont collées aux deux extrémités de la fibre 8 et Les lentilles 24 et 28 sont collées aux deux extrémités de la fibre 26. En outre, les lentilles 12 et 24 sont collées directement sur la sphère 14 en regard du méplat 16. Les figures 2a et 2b illustrent le principe de fonctionnement du capteur de l'invention. Dans un cristal à symétrie cubique soumis à un champ électrique 2 parallèle à la direction cristallographique (001) ou direction z (figure 2a), la sphère des indices 31 devient un ellipsoide 33 dont les axes principaux sont les axes (001), (110) et (110). La figure 2a montre l'ellipticité créée dans le plan xy en présence d'un champ Eo selon z et la figure 2b est une section de I'cllipso;de des indices 33 dans le plan xy. Les directions X et Y représentent les axes (110) et (110) contenus dans le plan xy. L'ellipticité créée est directement proportionnelle à la valeur du champ Eo. Lorsque le faisceau incident 17 se propage suivant la direction (001), ou z, et est polarisé parallèlement à la direction (100), ou x, le faisceau 20 émergeant du cristal sonde 14 ressort avec une polarisation elliptique dans le plan xy perpendiculaire à la direction z de propagation puisque les axes XY de l'ellipsoide des indices 33 sont les bissectrices de l'angle xy. Cette polarisation elliptique est détectée aisément par l'analyseur 30 orienté perpendiculairement aux directions de propagation et de polarisation du faisceau incident 17, c'est-à-dire suivant la direction (010) ou y. Pour réaliser une détection linéaire selon une direction x ou y, on peut interposer une lame quart-d'onde 34 en sortie de la fibre d'entrée 8, entre la lentille de collimation 12 et le cristal 14, pour polariser circulairement le faisceau incident 17 dans le plan xy. Lorsque le cristal sonde est soumis à un champ électrique 2 parallèle à la direction (100) ou (010), ce qui correspond à une rotation de 900 par rapport au cas précédent, le faisceau émergeant 20 reste polarisé dans le plan xz, défini par Le vecteur d'onde incident et le polariseur, qui est un plan principal du cristal. Ce plan xz étant perpendiculaire au plan yz qui est l'autre plan principal du cristal de l'analyseur, aucun signal n'est détecté. Ainsi, le capteur de l'invention permet de mesurer non seulement la valeur du champ électrique mais aussi sa direction. En effet, contrairement à un cristal sonde de forme quelconque l'utilisation d'un cristal de forme sphérique permet de relier d'une façon univoque le champ Eî à l'intérieur du cristal 14 de forme sphérique au champ électrique extérieur Eo à mesurer qui préexistait avant l'introduction de la sonde : Dans cette expression, est la constante e diélectrique relative du milieu ambiant, généralement voisine de l'unité (cas de l'air) et E. est la constante diélectrique du cristal sonde. Ainsi, Le champ E7 dans le cristal est relié directement par un simple facteur de proportionnalité au champ Eo à mesurer. La réflexion du faisceau incident 17 sur le méplat 18 est possible car l'indice de réfraction des cristaux électro-optiques minéraux et relativement élevé (2 dans le cas du Bi Gc O ). 4 3 12 De plus la perte d'intensité lumineuse due au facteur de réflexion inférieur à 1 est partiellement compensée par le doublement de L'ellipticité du fait du doublement du trajet optique dans le cristal sonde. Le schéma de principe de La figure 1 montrait une seule voie optique de mesure. Sur la figure 3, on a représenté un exemple de réalisation du capteur de l'invention comportant trois voies optiques au niveau du cristal sonde 14 respectivement 40, 42 et 44. Chaque voie de mesure n'est sensible qu'à la composante du champ électrique parallèle à la propagation du faisceau lumineux incident 17 (ou émergeant du capteur 20). En particulier la voie de mesure 40 est sensible à la composante (001) du champ électrique, là voie de mesure 42 est sensible à la composante du champ électrique selon la direction (010) et la voie optique 44 est sensible à la composante du champ électrique orientée selon la direction (100). Dans ce mode de réalisation, le cristal sonde 14 comporte trois couples de méplats respectivement 16a-18a, 16b-18b et 16c-18c, polis optiquement, les méplats 18a, 18b et 18c étant diamétralement opposés aux méplats 16a, 16b et 16c. Les couples de méplats 16a-18a, 16b-18b et 16c-18c sont disposés respectivement aux endroits où les axes cristallographiques (001), (010) et (100) émergent du cristal. Les méplats 16a, 16b et 16c servent à l'entrée et à La sortie des faisceaux incidents et pertubés par le cristal ; les méplats 18a, 18b et 18c assurent La réflexion des faisceaux incidents dans le cristal. Sur la figure 3, sont indiquées les directions de polarisation P et d'analyse A des faisceaux incidents 17 et sortants 20, correspondant à l'orientation des axes de polarisation des fibres d'entrée et de sortie et donc à celle de la composante du champ électrique à détecter. Pour la voie de mesure 40, le polariseur est orienté selon la direction (100) et l'analyseur est orienté selon la direction (010) ; pour la voie de mesure 42, le polariseur est orienté selon la direction (001) et l'analyseur selon une direction (100) ; pour la voie de mesure 44 le polariseur est orienté selon la direction (001) et l'analyseur selon une direction (010). En fait, pour une voie de mesure, les directions de polarisation et d'analyse peuvent être permutées. Sur la figure 4, le capteur représenté ne comporte que deux couples de méplats respectivement 16A-18A et 16B-18B diamétralement opposés, orientés respectivement selon les plans cristallographiques (110) et (110) du cristal sonde 14, mais toujours trois voies optiques de mesure respectivement 46, 48 et 50 dont des parties situées dans le cristal sont orientées selon des axes cristallographiques trirectangles du cristal. Ces trois voies 46, 48 et 50 servent à mesurer indépendamment les trois composantes du champ électrique respectivement El, E2 et E3. Dans ce mode de réalisation, la direction de propagation (110) des faisceaux incidents 17 et émergeant 20 est utilisée pour mesurer les composantes El et E2 du champ électrique parallèles aux directions (110) et (001). A cet effet, on utilise deux couples de polariseurs et d'analyseurs P46-A46 et P48-A48 orientés à 450 L'un de L'autre pour Les voies de mesure 46 et 48 qui sont parallèles. Autrement dit, les polariseurs P46 et P48 forment entre eux un angle de 450 et les analyseurs A46 et A48 forment entre eux un angle de 450, les polariseur P46 et analyseur A46 étant croisés à 900 et les polariseur P48 et analyseur A48 étant aussi croisés à 900. Cette configuration est représentée sur la figure 5, dans Le plan du méplat 16 (plan cristallographique (110)). La troisième composante E3 du champ électrique orientée selon la direction (110) est mesurée en faisant propager le faisceau- incident suivant la direction (110) grâce à la voie de mesure 50. L'intérêt de ce mode de réalisation est de placer le plus possible de fibres optiques d'un même côté de la sonde de façon à pouvoir effectuer aisément des mesures dans des endroits difficiles d'accès. En particulier, les voies de mesure 46 et 48 sont parallèles. Dans les modes de réalisation représentés sur les figures 3 et 4, on n'a représenté que la partie sonde du capteur en vue d'une simplification. Pour cette même raison, on a omis la lame quart-d'onde 34 en sortie des fibres d'entrée. REVENDICATIONS 1. Capteur de champ électrique à effet Pockels comportant comme élément sensible un cristal de symétrie cristallographique cubique (14) à propriétés électro-optiques, traversé par un faisceau lumineux (17, 20) de directions de propagation et de polarisation déterminées, caractérisé en ce que le cristal est taillé sous forme d'un ellipsoide. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cristal est taillé sous forme d'une sphère. 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend trois voies optiques (40-42-44 ; 46-48-50) de mesure pour mesurer indépendamment les trois composantes perpendiculaires du champ électrique, les parties de ces voies de mesure situées dans le cristal étant orientées selon trois axes cristallographiques trirectangles du cristal. 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le cristal comporte au moins deux couples de méplats (16a-18a, 16b-18b, 16c-18c, 16A-18A, 16B-18B) parallèles, diamétralement opposés deux à deux, aux endroits où les axes cristallographiques émergent du cristal. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le cristal est de symétrie 43 n, et en particulier du Bi4Ge3 012 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que chaque voie de mesure comprend une source de lumière monochromatique (2) émettant un faisceau incident (4), un moyen de polarisation (6) du faisceau incident selon une première direction cristallographique du cristal (14), des moyens d'introduction t12) du faisceau incident polarisé (17) dans le cristal selon une seconde direction cristallographique, un moyen d'analyse (30) du faisceau lumineux (20) sortant du cristaL et un élément de détection (32) du signal lumineux analysé. 7. Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen de polarisation (6) de chaque voie de mesure est placé directement en sortie de la source lumineuse (2), en ce que le moyen d'analyse (30) est placé directement à l'entrée de l'élément de détection (32) et en ce que chaque voie de mesure comprend en outre une fibre optique d'entrée (8) à maintien de polarisation pour le transport du faisceau incident et une fibre optique de sortie (26) à maintien de polarisation pour le transport du faisceau sortant du cristal. 8. Capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque voie de mesure comprend de plus une première lentille de focalisation (10) disposée à la sortie du moyen de polarisation (6) pour focaliser le faisceau incident dans la fibre d'entrée (8), une première lentille de collimation (12) disposée à La sortie de La fibre d'entrée (8) pour collimater le faisceau incident (17) entrant dans le cristal, une seconde lentille de focalisation (24) placée à ta sortie du cristal pour focaliser le faisceau (20) sortant du cristal dans la fibre de sortie (26à et une seconde lentille de collimation placée à la sortie de la fibre de sortie (26) pour collimater le faisceau sortant du cristal sur le moyen d'analyse (30). 9. Capteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la première lentille de collimation (12) et la seconde lentille de focalisation (24) sont disposées du même côté du cristal (14). 10. Capteur selon L'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que pour chaque voie de mesure, le faisceau incident (17) entrant dans le cristal et le faisceau (20) sortant du cristal forment un angle de 50 au plus. 11. Capteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les fibres optiques d'entrée et de sortie de deux voies de mesure (46, 48) sont disposées d'un même côté du cristal.