Brevet FR2668862A1 — publié le 19920507

- La présente invention concerne tout d'abord un procédé de détermination de l'amplitude d'un champ magnétique par pompage optique par laser d'une cellule d'un gaz soumis au champ à déterminer, avec précession du moment magnétique du gaz à une fréquence f L' procédé dans lequel, par modulation d'un paramètre définissant l'environnement des atomes du gaz de la cellule, à une fréquence fm = nf L, N étant au moins égal à 1, on provoque un phénomène résonant dans les propriétés optiques de la cellule. Considérons une cellule d'hélium isotopique 4 He dont les atomes se trouvent au niveau électronique quantique fondamental symbolisé 1 SO Sous l'action d'une décharge électrique douce, il y a peuplement du niveau immédiatement supérieur métastable 3 Sî La transition l So-3 Sî n'est pas une transition dipolaire électrique, en ce sens qu'il ne peut pas y avoir absorption de photons du niveau fondamental au niveau supérieur ni, inversement, d'émission spontanée de photons du niveau supérieur au niveau fondamental, c'est-à-dire de fluorescence Par contre, si on soumet une cellule d'atomes 4 He au niveau 351 à un pompage optique par une source de lumière convenablement polarisée et de longueur d'onde appropriée, il y a peuplement de niveaux encore supérieurs et notamment des niveaux 3 P 0,1 ou 2 reliés au niveau 351 par des transitions dipolaires électriques de longueur d'onde de pompage sensiblement de 1,08 1 m. Après fluorescence, le gaz d'atomes au niveau 35, est doté d'une aimantation macroscopique électronique définie par un moment M. -2 - On a depuis longtemps proposé d'appliquer les phénomènes du pompage optique à la magnétométrie et notamment à la détermination de l'amplitude d'un champ magnétique B, par exemple pour la détection d'anomalies magnétiques. Sous l'action du champ magnétique à mesurer, ce moment M précesse à la fréquence f L dite de Larmo ', caractéristique du système atomique mis en oeuvre et proportionnelle à B. on peut forcer cette précession de la même manière que l'on peut forcer l'oscillation d'un pendule et faire apparaître le phénomène de résonance lorsque la fréquence excitatrice est égale à celle caractéristique du pendule. Plusieurs méthodes permettent cette excitation forcée. La première méthode consiste à soumettre les atomes simultanément au champ statique à mesurer B et à un champ magnétique alternatif Bm de fréquence fm ajustable Ce champ est appelé champ de radiofréquence. A l'égalité f M = f L' il y a résonance que l'on peut détecter par voie optique. on détecte le signal lumineux créant le pompage optique après traversée de la cellule contenant les atomes d'hélium soumis à la décharge douce La résonance se manifeste par une chute brutale du signal de sortie d'un photodétecteur recevant la lumière transmise par la cellule Connaissant f , et par conséquent f L' on en déduit IBI, comme parfaitement expliqué dans le document "Resonance Magnetometers, F Hartmann, IEEE Trans fin Magnetics, vol Mag-8, No 1, march 1972 ". Schématiquement, et en référence à la figure 1, le -3 - magnétomètre comportait donc une cellule de mesure 21, soumise à l'action d'une source de décharge 22, d'une source de lumière de pompage 23, à travers un polariseur 24, et d'une source magnétique de modulation 25, un photodétecteur 26 et, à la sortie du photodétecteur, un module de traitement 27. On peut aussi détecter la résonance par une analyse fréquentielle de l'intensité de la lumière transmise par la cellule. On peut encore détecter des variations résonantes des propriétés électriques de la décharge; c'est la détection opto-galvanique. Pour l'application magnétométrique du pompage optique, il fallait encore résoudre le problème de l'émission de la lumière de pompage, à une longueur d'onde de 1,08 / m pour l'hélium. on a commencé par proposer, comme source de pompage, une lampe à hélium. Mais les trois raies associées aux trois niveaux 3 P précédemment évoqués sont très proches les unes des autres, sans possibilité de les filtrer, si bien qu'avec une lampe à hélium, les trois niveaux 3 P sont simultanément excités Cela a pour résultat de réduire l'efficacité de la mesure En outre, la lampe doit être très proche de la cellule, ce qui conduit à un montage volumineux Enfin, la durée de vie des lampes à hélium n'est pas des meilleures Ces inconvénients de la lampe à hélium ont bien été rappelés dans le brevet US-4 780 672. 4 - C'est alors qu'il a été proposé, dans le brevet FR-2 598 518, de substituer à la lampe à hélium un laser Le brevet US-4 780 672 concerne d'ailleurs aussi un magnétomètre à hélium pompé par laser L'avantage du laser réside dans son aptitude à être accordé sur l'une des trois raies, et donc dans le choix de la plus efficace des trois, avec un gain de 500 à 1000 par rapport à la lampe à hélium, dans la possibilité d'utiliser une fibre optique et de déporter la source de pompage par rapport à la cellule, donc dans la miniaturisation du montage, et dans sa durée de vie, et donc dans l'amélioration des conditions de maintenance. On notera que l'adoption du laser comme source de pompage d'une cellule d'hélium, à 1,08 t m de longueur d'onde, a surtout été permise par la synthèse de cristaux d'aluminate de lanthane-neodyme LNA et la mise au point du laser monomode LNA pompé par diode laser, tel que décrit, par exemple, dans l'article "J J Aubert et al, Opt Comm 69, 299, 1989 ". La précision de la détermination de la résonance par résonance magnétique est altérée par: élargissement et déplacement des courbes de résonance par la radiofréquence; effets d'anisotropie spatiale importants; déplacement de position de résonance en fonction du flux lumineux et de la polarisation. La deuxième méthode, permettant de forcer la precession du moment M, consiste, comme proposé dans le document lW.E Bell et A L Bloom, Phys Rev Lett 6, 280 ( 1961)l, à moduler, non pas le champ magnétique, par superposition d'un champ R F, mais l'intensité de la lumière de pompage On s'affranchit, par ce procédé, de -5 - l'élargissement des raies dû à la radiofréquence mais non de l'élargissement dû à l'intensité de la source de pompage optique, ce procédé présentant les mêmes inconvénients que le procédé par résonance magnétique quant à l'anisotropie spatiale et les décalages de la position de résonance. Bref, depuis une vingtaine d'années, on cherche à définir un magnétomètre à pompage optique satisfaisant en précision et sensibilité et, aussi, qui soit convenablement isotrope, ce que n'était aucun de ceux proposés jusqu'ici, tout du moins avec un rapport signal/bruit parfaitement exploitable selon n'importe quelle orientation du magnétomètre. La présente invention, a cet effet, concerne tout d'abord un procédé de détermination de l'amplitude d'un champ magnétique du type défini cidessus, caractérisé par le fait qu'on provoque le phénomène résonant en modulant la polarisation de la lumière de pompage incidente. De préférence, le gaz de la cellule est également soumis à une décharge électrique, le phénomène résonant étant provoqué dans les propriétés optiques et électriques de la cellule. Dans ce cas, et de préférence encore, le gaz de la cellule est constitué d'atomes 4 He. On notera que le champ magnétique auquel sont soumis les atomes du gaz est exclusivement le champ statique dont l'amplitude est à déterminer et que l'intensité de la lumière de pompage est rigoureusement constante Seule la direction du champ électrique caractérisant cette lumière est soumise à des variations de direction C'est cette modulation qui provoque la résonance. -6- L'activité inventive impliquée dans le procédé de l'invention doit d'emblée être ici reconnue. Ce procédé résoud un problème vieux d'une vingtaine d'années qu'on avait jusqu'ici résolu, mais de manière non pleinement satisfaisante, soit par résonance magnétique, soit par modulation de l'intensité de la lumière de pompagne, alors que, à l'époque o ce problème s'est posé pour la première fois, on connaissait déjà le principe de la modulation de la polarisation de la lumière de pompage optique. Toutefois, cette modulation de polarisation n'avait pas du tout été appliquée à la magnétométrie, et ne pouvait d'ailleurs pas l'être, s'agissant d'une modulation par rotation d'un polariseur au moyen d'un moteur, donc à des vitesses beaucoup trop lentes. Le mérite du demandeur a donc été de faire abstraction des solutions proposées jusqu'ici depuis longtemps, de reprendre entièrement le problème et de rechercher si un principe ancien qui aurait pu à l'origine être exploité, mais qui ne l'a pas été, ne pourrait pas être adapté aux besoins particuliers de l'application de l'invention pour lesquels ce principe n'avait finalement pas été prévu. On notera encore l'avantage du procédé de l'invention, induit par son isotropie, selon lequel, en l'absence de gaz dans la cellule, la lumière transmise par la cellule reste constante en intensité, ce qui n'est pas vrai dans le cas de la modulation de l'intensité de la lumière de pompage incidente. Dans la mise en oeuvre préférée du procédé de l'invention, on procède, après l'avoir détectée, à une analyse fréquentielle de l'intensité de la lumière -7 - transmise par la cellule en fonction de la fréquence de modulation de la polarisation. De préférence encore, on procède à cette analyse après filtrage fréquentiel au double de la fréquence de modulation de la polarisation et à cette fréquence de modulation. Cette mise en oeuvre préférée du procédé de l'invention s'appuie sur un constat expérimental, confirmé d'ailleurs par la théorie, qu'a fait le demandeur et qui confère finalement à l'invention tout son intérêt. Considérons les deux cas o le champ B est respectivement parallèle B// et perpendiculaire Bj_ au faisceau laser de pompage. p B 11 Dans ce cas, on observe la résonance pour deux valeurs de la fréquence de modulation f. La résonance la plus intense surgit pourfm = 2 f L On peut alors détecter une modulation sur le signal reçu par un photodétecteur aux fréquences fm et 2 fm. B.L On n'observe alors qu'une seule résonance, lorsque f. f L, et cette résonance donne lieu à des signaux modulés à fm et 2 fm. Pour fixer des ordres de grandeur, dans un champ magnétique voisin de 0,5 gauss, dans le cas B//, on peut détecter la résonance sur des signaux modulés à 4 f L, -8 - soit environ 5,6 M Hz Dans le cas de B,, on peut détecter la résonance sur des signaux modulés à 2,8 M Hz. Avantageusement, on peut mettre en oeuvre une logique de décision pour ne considérer que la meilleure des détections du point de vue du rapport signal/bruit. Finalement, le procédé de l'invention permet de déterminer l'amplitude du champ B quelle que soit l'orientation relative de ce champ et des moyens de mesure; même si le rapport signal/bruit n'est pas constant dans toutes les directions de l'espace, il n'en demeure pas moins que le procédé de l'invention dans sa mise en oeuvre préférée, quant à lui, est convenablement isotrope En outre, par effet de moyenne, les décalages de fréquence dus au pompage sont réduits. L'invention concerne également un magnétomètre destiné à déterminer l'amplitude d'un champ magnétique par le procédé de l'invention, comportant une cellule d'un gaz destiné à être soumis au champ magnétique, un laser d'émission d'une lumière de pompage du gaz de la cellule, des moyens pour polariser la lumière émise par le laser, des moyens, de fréquence ajustable, de modulation d'un paramètre définissant l'environnement des atomes du gaz de la cellule à une fréquence fm = nf L, N étant au moins égal à 1, pour faire précesser le moment magnétique du gaz à une fréquence f L et ainsi provoquer un phénomène résonant dans les propriétés optiques de la cellule, et des moyens de détermination par résonance de la fréquence de modulation et donc du champ, magnétomètre caractérisé par le fait que lesdits moyens de modulation sont agencés pour moduler la polarisation de la lumière de pompage incidente. -9 - De préférence, le magnétomètre comporte également une source dedécharge électrique à laquelle le gaz de la cellule est destiné à être soumis, le gaz de la cellule est constitué d'atomes 4 He et les moyens de modulation comprennent un modulateur électro-optique. De préférence encore, le modulateur électro-optique est commandé par un générateur de tension continue, fixant son point de fonctionnement, et un synthétiseur d'une tension sinusoïdale de modulation de fréquence variable superposée à la tension continue du générateur. Avantageusement, le synthétiseur de la tension de modulation est commandé par des moyens, accordés en fréquence, de détection du signal de sortie d'une photodiode de détection de la lumière transmise par la cellule pour asservir la fréquence du synthétiseur sur une valeur centrale de résonance. Dans ce cas, les moyens de commande du synthétiseur peuvent comporter deux détecteurs synchrones avec le synthétiseur, accordés respectivement sur la fréquence de modulation et sur le double de celle-ci, et reliés, par leurs sorties, à un circuit, commandant le synthétiseur, de sélection de la meilleure des mesures des détecteurs synchrones. L'invention sera encore mieux comprise à l'aide de la description suivante d'une forme de réalisation préférée du magnetomètre de l'invention, en référence au dessin annexé, sur lequel la figure 1 est une représentation schématique d'un magnetomètre de l'art antérieur et -10- la figure 2 est une représentation schématique du magnetomètre de l'invention. Le magnetomètre représenté sur la figure 2, destiné à déterminer l'amplitude d'un champ magnétique B, comporte une cellule 1, ici en pyrex, sphérique, en l'occurrence de 4 cm de diamètre, remplie d'atomes d'hélium 4 He sous une pression, ici encore, d'environ 100 Pa Des électrodes 2, 3, peintes en laque conductrice directement à la surface de la cellule, sont reliées à un oscillateur HF 4, fournissant quelques dizaines de milliwatts, pour créer un champ électrique HF et, par conséquent, une décharge douce et porter les atomes d'hélium au niveau excité métastable 351 Un faisceau de pompage optique est émis par un laser solide accordable et envoyé sur la cellule 1 à travers, successivement, une fibre optique 6, un polariseur 7 et un modulateur électro-optique 8 Le laser 5 est un laser LNA pompé par une diode émettant à 800 nm de longueur d'onde sous une puissance continue de 500 mw et accordé sur la raie DOl 3 S 3 P O l de 4 He de longueur d'onde 1 =,0829/ m. La longueur d'onde est asservie au moyen 'une photodiode à proximité de la cellule et d'une cale piézoélectrique dans le laser 5 Le modulateur 8, du type cellule de Pockels, se comporte comme une lame birefringente dont le déphasage le long des axes neutres ordinaire et extraordinaire, respectivement, est modulé. L'intensité du faisceau de pompage reste constante mais sa polarisation est modulée Elle est d'ailleurs assez complexe Elle change à la fréquence de la modulation et, périodiquement, de rectiligne elle devient elliptique puis circulaire En d'autres termes, les paramètres géométriques de l'ellipse de polarisation varient à la fréquence de modulation. -il- Le modulateur 8 est précédé du polariseur 7 qui est un polariseur rectiligne dont la direction de polarisation, après ajustage, est ici inclinée de 45 degrés sur les axes neutres du modulateur. Le modulateur 8 est commandé électriquement par un générateur 9 de tension continue, fixant son point de fonctionnement, et un synthétiseur 10 délivrant une tension sinusoïdale de modulation, superposée à la tension continue et de fréquence fm variable La lumière de pompage transmise par la cellule 1 est reçue sur un photodétecteur 11, en l'espèce une photodiode au germanium, dont le courant de sortie est converti en tension dans un amplificateur 12 La composante modulée du signal détecté par la diode 11, après conversion, est analysée dans deux détecteurs synchrones 13, 14 contrôlés par le synthétiseur 10 et accordés, l'un 13, sur la fréquence f et, l'autre 14, sur la fréquence 2 fm Un circuit de traitement de signal 15 est relié, par ses entrées, aux sorties des détecteurs 13, 14 et, par sa sortie, à une entrée de commande du synthétiseur , pour sélectionner la meilleure des deux mesures de l'intensité de la lumière transmise par la cellule 1 effectuées par les détecteurs 13, 14, selon la direction du champ B à déterminer, et pour ainsi asservir la fréquence du signal dé modulation du synthétiseur 10 sur une valeur centrale de résonance. On a décrit un magnétomètre avec une cellule remplie d'atomes d'hélium 4 He mais la cellule pourrait aussi être remplie d'atomes d'un gaz alcalin, mais avec, à la place de l'oscillateur 4, des moyens de régulation thermique. Au lieu de déterminer le champ par méthode optique, comme décrit ci-dessus, on pourrait procéder à une -12- méthode optogalvanique Dans ce cas, on analyse le courant de l'oscillateur de décharge qui varie rapidement à la résonance. On a décrit un magnétomètre avec un polariseur 7 entre le laser 5 et le modulateur 8, plus précisément entre la fibre optique 6 et le modulateur 8. Si on utilise une fibre optique à maintien de polarisation, on pourrait aussi disposer le modulateur entre le laser et la fibre On pourrait aussi, toujours dans le cas d'une fibre optique à maintien de polarisation, adopter, comme moyens de modulation de la polarisation de la lumière de pompage incidente, des moyens agissant directement sur la fibre, notamment par interaction d'une onde acoustique. -13- REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination de l'amplitude d'un champ magnétique par pompage optique par laser d'une cellule ( 1) d'un gaz soumis au champ à déterminer, avec précession du moment magnétique du gaz à une fréquence f L' procédé dans lequel, par modulation d'un paramètre définissant l'environnement des atomes du gaz de la cellule, à une fréquence fm = nf L, N étant au moins égal à 1, on provoque un phénomène résonant dans les propriétés optiques de la cellule, procédé caractérisé par le fait qu'on provoque le phénomène résonant en modulant ( 9, 10) la polarisation de la lumière de pompage incidente. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, le gaz de la cellule est également soumis à une décharge électrique ( 4), le phénomène résonant étant provoqué dans les propriétés optiques et électriques de la cellule ( 1). 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le gaz de la cellule ( 1) est constitué d'atomes 4 He. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel on procède, après l'avoir détectée, à une analyse fréquentielle ( 13, 14) de l'intensité de la lumière transmise par la cellule ( 1) en fonction de la fréquence de modulation de la polarisation. Procédé selon la revendication 4, dans lequel on procède à une double analyse après filtrage fréquentiel ( 14, 13) au double de la fréquence de modulation de la polarisation et à cette fréquence de modulation. -14- 6 Procédé selon la revendication 5, dans lequel on met en oeuvre une logique de décision ( 15) pour sélectionner la meilleure des deux analyses du point de vue du rapport signal/bruit. 7. Magnétomètre destiné à déterminer l'amplitude d'un champ magnétique par le procédé de la revendication 1, comportant une cellule ( 1) d'un gaz destiné à être soumis au champ magnétique, un laser ( 5)d'émission d'une lumière de pompage du gaz de la cellule, des moyens ( 7) pour polariser la lumière émise par le laser ( 5), des moyens ( 8-10), de fréquence ajustable, de modulation d'un paramètre définissant l'environnement des atomes du gaz de la cellule à une fréquence f = nf L, N étant au moins égal à 1, pour faire précesser le moment magnétique du gaz à une fréquence f L et ainsi provoquer un phénomène résonant dans les propriétés optiques de la cellule ( 1), et des moyens ( 11-15) de détermination par résonance de la fréquence de modulation et donc du champ, magnétomètre caractérisé par le fait que lesdits moyens de modulation ( 8) sont agencés pour moduler la polarisation de la lumière de pompage incidente. 8. Magnétomètre selon la revendication 7, dans lequel il est prévu une source ( 4) de décharge électrique à laquelle le gaz de la cellule ( 1) est destiné à être soumis. 9. Magnétomètre selon la revendication 8, dans lequel le gaz de la cellule ( 1) est constitué d'atomes 4 He. -15- 10. Magnétomètre selon l'une des revendications 7 à 9, dans lequel les moyens de modulation ( 8) comprennent un modulateur électro-optique. 11. Magnetomètre selon la revendication 10, dans lequel le modulateur électro-optique ( 8) est commandé par un générateur de tension continue ( 9), fixant son point de fonctionnement, et un synthétiseur ( 10) d'une tension sinusoïdale de modulation de fréquence variable superposée à la tension continue du générateur ( 9). 12. Magnetomètre selon la revendication 11, dans lequel le synthétiseur de la tension de modulation ( 10) est commandé par des moyens ( 13, 14), accordés en fréquence, de détection du signal de sortie d'une photodiode ( 11) de détection de la lumière transmise par la cellule ( 1) pour asservir la fréquence du synthétiseur ( 10) sur une valeur centrale de résonance. 13. Magnetomètre selon la revendication 12, dans lequel les moyens de commande du synthétiseur ( 10) comportent deux détecteurs ( 13, 14) synchrones avec le synthétiseur ( 10), accordés respectivement sur la fréquence fm et sur la fréquence 2 fm' 14. Magnetomètre selon la revendication 13, dans lequel les deux détecteurs synchrones ( 13, 14) sont reliés, par leurs sorties, à un circuit ( 15), commandant le synthétiseur ( 10), de sélection de la meilleure des mesures des détecteurs synchrones ( 13, 14). -16- 15. Magnétomètre selon la revendication 7, dans lequel il est prévu, entre le laser ( 5) et la cellule de gaz ( 1), une fibre optique ( 6). 16. Magnétomètre selon la revendication 15, dans lequel il est prévu, entre la fibre optique ( 6) et un modulateur électro-optique ( 8), un polariseur rectiligne ( 7) dont la direction de polarisation est inclinée de 45 degrés sur les axes neutres du modulateur ( 8). 17. Magnétomètre selon la revendication 15, dans lequel la fibre optique est à maintien de polarisation. 18. Magnétomètre selon la revendication 17, dans le quel il est prévu un modulateur entre le laser et la fibre optique. 19. Magnétomètre selon la revendication 17, dans lequel les moyens de modulation de la polarisation de la lumière de pompage incidente sont agencés pour agir directement sur la fibre optique. 20. Magnétomètre selon la revendication 19, dans lequel les moyens de modulation agissent sur la fibre optique par interaction d'une onde acoustique.