Brevet FR2661003A2 — publié le 19911018

FR 2661003 A2 19911018 FR 9004731 A 19900412 i CAPTEUR DE CHAMP ELECTRIQUE A EFFET POCKELS DESCRIPTION La présente demande de certificat d'addition a pour objet un mode de réalisation du capteur de champ électrique à effet Pockels objet de la demande de brevet français n 89 17179 déposée le 26 décembre 1989 au nom du demandeur. Ce capteur permet de mesurer un champ électrique et de déterminer sa direction par une mesure purement optique à partir de la biréfringence induite par le champ (effet Pockels) dans un cristal initialement isotrope optiquement Cette biréfringence est mesurée à partir de l'ellipticité qu'acquiert un faisceau polarisé linéairement, traversant le cristal, en plaçant un analyseur après le cristal. Dans la demande de brevet principal, on a décrit 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 ellipsode. De préférence, ce cristal est taillé sous forme d'une sphère. En particulier, ce capteur comprend trois voies optiques de mesure destinées à 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. Chaque voie de mesure comprend notamment 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. Avantageusement, Le cristal est de symétrie 43 m et est constitué en particulier en Bi Ge O 4 3 12 Par ailleurs, le cristal comporte au moins deux couples de méplats parallèles, diamétralement opposés deux à deux, aux endroits o les axes cristallographiques émergent du cristal. Ce cristal peut fonctionner en transmission ou en réflexion En réflexion, l'un des méplats de chaque couple assure la pénétration du faisceau incident dans le cristal sonde ainsi que la sortie du faisceau ayant traversé le cristal, alors que l'autre méplat du couple sert à la réflexion du faisceau incident dans le cristal. Le fonctionnement en réflexion permet d'effectuer des mesures auprès d'une paroi. Sur la figure 1, annexée, on a représenté schématiquement le principe de fonctionnement d'un capteur de champ électrique décrit ci-dessus. Dans un cristal asymétrique cubique soumis à un champ électrique extérieur Eo parallèle à un axe d'ordre 4 du cristal, par exemple la direction cristallographique ( 001), la sphère des indices 31 du cristal devient un ellipsoide 33, comme représenté sur la figure 1, dont les axes principaux sont les axes ( 110), ( 110) et ( 001), notés respectivement X, Y, Z. Le champ électrique du faisceau polarisé incident reste dans le plan XY et n'est sensible qu'aux variations d'indice induites dans ce plan par le champ continu Ei régnant à l'intérieur du cristal, selon les 3 3 relations dn =r no Ei/2 et dn =r no Ei/2 avec r X Y représentant le coefficient électro-optique (de l'ordre de quelques pm/V) et no est l'indice du cristal en l'absence de champ électrique (c'est-àdire le rayon de la sphère 31). Sur la figure 1, on a représenté en outre les positions respectives du polariseur P et de l'analyseur On note X et Y les vecteurs unitaires selon les axes X et Y. Dans la configuration du capteur décrit dans la demande de brevet principal, le cristal est placé, pour chaque voie de mesure, entre un analyseur A et un polariseur P croisés à 90 orientés à 45 des axes principaux de l'ellipsoide des indices 33. Le polariseur P est orienté suivant une direction (X-Y)/Vf et l'analyseur A est perpendiculaire au polariseur P et est donc orienté suivant la direction (X+Y)/VT Entre l'analyseur et le polariseur de chaque voie de mesure, on intercale une lame quart d'onde dont les lignes neutres sont parallèles aux axes de l'ellipsode et donc à 45 des axes de polarisation du polariseur et de l'analyseur Ainsi, cette lame induit un déphasage de r/2 entre les composantes parallèles à X et à Y. Dans la configuration représentée dans la demande principale, cette lame est placée avant le cristal. On suppose maintenant que l'analyseur A n'est plus orienté perpendiculairement au polariseur P et on note k l'angle entre l'analyseur A et l'axe principal X de l'ellipsoïde des indices 33. On peut alors calculer l'expression de l'amplitude du faisceau lumineux en différents endroits d'une voie de mesure, en ne faisant figurer ni le facteur de phase commum aux deux composantes du faisceau selon X et Y, ni les coefficients de transmission, communs à ces deux composantes, à la traversée des différents éléments optiques et en particulier du polariseur, de l'analyseur, du cristal sonde et de la lame quart d'onde. Après le polariseur, Le champ électromagnétique Eml a pour amplitude: Ew Eml = (X-Y) E représente l'amplitude du champ électromagnétique initiale et W représente sa pulsation. Sous l'effet du champ électrique extérieur Ei à mesurer, le cristal sonde acquiert une biréfringence induite qui crée une avance de phase de la composante du champ électromagnétique parallèle à X et un retard de phase -4 de la composante du champ électromagnétique parallèle à Y valant (n//\)r no Ei. Apres la traversée du cristal, l'amplitude du champ électromagnétique Em 2 vaut donc: Ew Em 2 = (e X-e Y) f Après la traversée de la lame quart d'onde, la composante parallèle à X se déphase de W/2 par rapport à celle parallèle à Y et l'amplitude du champ Em 3 vaut alors: Ew Ew i(+ W/2)_, -if- Em 3 = (e X-e Y) ( 1) Dans L'expression ( 1) précédente, on remarque que r/2 commute avec e; autrement dit, la lame quart d'onde peut être positionnée indifféremment avant ou après le cristal sonde, ou même être scindée en deux lames huitième d'onde, L'une étant mise avant le cristal et L'autre après. L'amp Litude du champ électromagnétique Em 4 après L'analyseur est égale au produit scalaire P Em 3, o P représente le vecteur polarisation, soit: Ew Em 4 = à l (e (i 2 cosk) X-(e sink)Y Le carré de son module I Em 44 est proportionnel à l'intensité transmise après Le polariseur notée It, I Ew I étant proportionne L à l'intensité incidente li, avec le même coefficient de proportionnalité On en déduit: Ii It = ( 1 + sin 2 k sine) ( 2) Cette dernière expression ( 2) montre qu'en module, la variation relative d'intensité transmise avec *, c'est-à-dire avec Le champ électrique o à mesurer, est maximale pour k=(W/4)=m(K/2), o m est un entier, ces angles correspondent à une orientation de l'analyseur parallèle ou perpendiculaire au polariseur, sin 2 k prenant la valeur 1 ou -1 suivant le cas. Le présent certificat d'addition a pour objet un mode de réalisation amélioré du capteur de champ électrique décrit ci-dessus, dans lequel la direction de polarisation du faisceau incident et la direction B 10402 3 LC d'analyse du faisceau sortant du cristal, pour chaque voie de mesure, sont parallèles. Cette configuration a pour seule conséquence de changer le signe de la réponse en champ électrique fourni par le détecteur, par rapport au cas o les directions de polarisation et d'analyse sont perpendiculaires. En revanche, cette nouvelle configuration a des conséquences très importantes du point de vue réalisation pratique du capteur, en particulier lorsque ce dernier fonctionne en réflexion. En particulier, du fait de l'orientation commune des directions de polarisation et d'analyse, il est possible d'assurer ces fonctions de polarisation et d'analyse à l'aide d'un même éLément, pour chaque voie de mesure, disposé à l'entrée du cristal De même, le déphasage introduit entre le faisceau polarisé et le faisceau analysé en vue d'une réponse linéaire du détecteur peut être réalisé, pour chaque voie de mesure, par un double passage dans une lame huitième d'onde disposée en regard de l'élément unique de polarisation et d'analyse. Ainsi, on peut utiliser la même fibre optique pour chaque voie de mesure, assurant alternativement le transport du faisceau incident et le transport du faisceau sortant du cristal. Par ailleurs, pour chaque voie de mesure, une seule lentille de focalisation disposée en regard de l'élément de polarisation et d'analyse, d'axe perpendiculaire aux méplats du cristal, peut assurer alternativement la collimation du faisceau incident issu de la fibre puis la focalisation du faisceau sortant du cristal dans cette même fibre. L'utilisation d'une seule lentille servant respectivement à la collimation du faisceau incident et à la focalisation du faisceau sortant du cristal, au lieu de deux lentilles distinctes de collimation et de focalisation permet une réduction en diamètre des méplats Ceci permet de conserver le maximum de parties sphériques, allant ainsi dans le sens du maximum de symétrie. De plus, la polarisation et l'analyse s'effectuant au voisinage du cristal sonde, on peut utiliser à la place des fibres monomodes à maintien de polarisation, pour chaque voie de mesure, une fibre multimode (par exemple de 125 micromètres de diamètre extérieur avec un coeur de 50 micromètres) pour laquelle les problèmes de couplage sont beaucoup moins critiques (le coeur d'une fibre monomode à maintien de polarisation a des dimensions d'environ 7 micromètres). Cet avantage est indépendant du type de fonctionnement du capteur (transmission ou réflexion), contrairement à l'utilisation d'une même fibre optique, d'une seule lentille, d'une seule lame huitième d'onde et d'un même élément pour la polarisation et l'analyse qui est liée au fait que le cristal travaille en réflexion. Ainsi, le mode de réalisation du capteur du présent certificat d'addition est beaucoup plus simple que celui objet de la demande principale. 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 à la figure 2 annexée, qui représente un mode de réalisation d'un capteur conforme à l'invention, ce schéma ne montrant qu'une seule voie de mesure; la figure 1 donnant le principe du fonctionnement d'un capteur conforme à l'invention a déjà été décrite. Dans le mode de réalisation du capteur selon l'invention représenté sur la figure 2, les axes de polarisation et d'analyse pour chaque voie de mesure sont parallèles, ce qui correspond à sin 2 k=-1 dans l'équation ( 2). Sur la figure 2, on n'a représenté qu'une seule voie de mesure du capteur, destinée à ne mesurer qu'une seule composante d'un champ électrique o Les deux autres voies de mesure du capteur sont identiques à celle représentée En outre, le capteur est représenté fonctionnant en réflexion. Chaque voie de mesure comporte une source lumineuse 2 constituée par une diode laser, monomode ou multimode, émettant un faisceau lumineux monochromatique 4 destiné à être véhiculé par une fibre optique multimode 7 en silice du type 50 pm de diamètre de coeur et 125 pm de diamètre externe Cette fibre optique 7 est équipée, à une première extrémité, d'un coupleur bidirectionnel 3 comportant un embranchement 5 placé en vis-àvis de la diode laser 2 de façon à récupérer le faisceau incident 4. Conformément à l'invention, la fibre optique multimode sert aussi au transport du faisceau lumineux sortant du cristal sonde 14 qui est une sphère de Bi Ge O 4 3 12 A cet effet, le coupleur bidirectionnel 3 comporte un embranchement 15 placé en vis-à-vis du détecteur 32 du type photodiode, servant à diriger le faisceau de mesure analysé 29 sur le détecteur 32. L'extrémité de la fibre optique 7 opposée à celtle équipée du coupleur bidirectionnel 3 est équipée d'une lentille 9 du type lentille Selfoc de "Pitch" (ou "pas fractionnel") 0,25 servant alternativement pour collimater le faisceau incident 4 avant son entrée dans le cristal sonde 14, via le premier méplat 16 du cristal, puis à focaliser le faisceau lumineux sortant du cristal sonde 14, toujours via le méplat 16, dans la fibre optique multimode 7. Conformément à l'invention, la polarisation du faisceau incident et l'analyse du faisceau sortant du cristal sonde 14 sont assurées par un même élément 11 constitué par un film polarisant collé sur la face de la lentille 9 opposée à celle montée en bout de fibre Ce film polarisant 11 est par exemple une feuille du type polaroid d'environ 0,5 mm d'épaisseur. La linéarisation du signal de sortie est obtenue grâce à une seule lame 13 un huitième d'onde intercalée entre le film polarisant 11 et la sphère sonde 14 Cette lame 13 peut être maintenue en regard du méplat 16 par collage à sa périphérie sur le méplat. Conformément à l'invention, le faisceauincident 4 véhiculé par la fibre optique 7 est tout d'abord collimaté par la lentille 9 et polarisé par le film polarisant 11 selon la direction x ou y perpendiculaire à la direction z de propagation du cristal de champ électrique Eo a mesurer. Après un premier passage à travers la lame 13 un huitième d'onde, le faisceau collimaté et polarisé pénètre dans le cristal sonde 14 via le méplat 16 pour être réfléchi sur le méplat 18, diamétralement oppose, puis ressortir par le méplat 16 Le faisceau sortant du cristal 14 traverse à son tour la lame 13, puis l'élément polarisant 11, servant alors d'analyseur, pour être focalisé par la lentille 9 dans la fibre optique 7 et être dirigé par le coupleur 3 sur la photodiode 32 pour être détecté. Le capteur représenté sur la figure 2 peut être un capteur à trois couples de méplats, ou bien un capteur à deux couples de méplats comme décrit dans la demande principale En outre, son fonctionnement est identique à celui décrit dans la demande principale. Il convient de remarquer que la caractéristique principale de la présente demande de certificat d'addition, à savoir le para Llélisme de la direction de polarisation du faisceau incident et de La direction d'analyse du faisceau sortant du cristal, pour une voie optique de mesure de champ électrique par effet Pockels, n'est pas limitée à un cristal taillé sous forme d'un ellipsoïde et en particulier d'une sphère Cette caractéristique s'applique à tout cristal présentant deux faces opposées parallèles, aux points d'entrée et de sortie du faisceau lumineux, en particulier deux faces planes Cette caractéristique prend tout son intérêt lorsque l'on met en oeuvre une disposition originale du brevet de base, à savoir le fonctionnement en réflexion, puisqu'elle permet d'utiliser une seule et même fibre pour guider le faisceau incident et le faisceau sortant. 1 1 REVENDICATIONS 1 Capteur selon la revendication 1 ou 2 de la demande de brevet principal, comportant au moins une voie de mesure comprenant une source de lumière monochromatique ( 2) émettant un faisceau incident ( 4), un moyen de polarisation du faisceau incident selon une première direction cristallographique du cristal ( 14), des moyens d'introduction ( 9) 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 ( 32) du signal lumineux analysé, ce capteur étant caractérisé en ce que la direction de polarisation du faisceau incident ( 4) et la direction d'analyse du faisceau sortant du cristal ( 14) pour chaque voie de mesure, sont parallèles. 2 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cristal fonctionnant en réflexion, les moyens de polarisation du faisceau incident et les moyens d'analyse du faisceau sortant du cristal ( 14) consistent en un même élément ( 11) disposé à l'entrée du cristal et en ce que chaque voie de mesure comprend une fibre optique ( 7) assurant alternativement le transport du faisceau incident ( 4) et le transport du faisceau sortant du cristal ( 14). 3 Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque fibre optique ( 7) comporte un coupleur optique bidirectionnel ( 3) à l'une de ses extrémités comportant un premier embranchement ( 5) destiné à recevoir le faisceau incident ( 4) émis par la source ( 2) et un second embranchement ( 15) destiné à diriger le faisceau sortant du cristal sur le détecteur ( 32). 4 Capteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque voie de mesure comporte en outre une lentille ( 9) disposée en regard de l'élément ( 11) de polarisation et d'analyse assurant alternativement la collimation du faisceau incident sur le cristal ( 14) et la focalisation du faisceau de mesure sortant du cristal dans la fibre optique ( 7). Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que chaque voie de mesure comporte en outre une lame huitième d'onde ( 13) disposée en regard de l'élément de polarisation et d'analyse ( 11). 6 Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la lame huitième d'onde ( 13) est intercalée entre l'élément de polarisation et d'analyse ( 11) et le cristal ( 14). 7 Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que l'élément de polarisation et d'analyse ( 11) est constitué d'un film mince du type polarold.