Brevet FR2682769A1 — publié le 19930423

MAGNETOMETRE LASER La présente invention a pour objet un appareil de mesure de la composante, suivant un axe sensible, d'un champ magnétique dans lequel il est placé et elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans la mesure des champs magnétiques faibles, tel que le champ magnétique terrestre. On connaît déjà de nombreux magnétomètres destinés à la mesure de champs faibles. On peut notamment citer les magnétomètres à pompage optique, utilisant en général l'hélium métastable ou la vapeur de cesium ou de rubidium comme milieu actif. On peut également citer les magnétomettes à résonance magnétique nucléaire. Les uns et les autres ont un fonctionnement défectueux lorsqu'ils sont placés dans un champ magnétique présentant un gradient élevé. On sait par ailleurs que la composante d'un champ magnétique dirigée suivant le trajet optique dans un laser sépare par effet Zeeman les raies d'émission + et ~, donc les courbes de dispersion associées et les fréquences propres correspondantes. L'effet d'un tel champ magnétique est expliqué par exemple dans l'article "Study of the dynamical behaviour of the polarization of a quasi isotropic laser in the earth magnetic field" par J.C. Cotteverte et coll., Optics Communications, volume 79, n" 5, ler novembre 1990, page 321, auquel on pourra se reporter. La présente invention vise notamment à fournir un magnétomètre optique directionnel utilisant l'effet Zeeman, présentant une sensibilité élevée et une zone aveugle réduite, susceptible de donner un signal représentatif de la valeur moyenne du champ magnétique même dans des zones où le champ présente un fort gradient. Dans ce but, l'invention propose notamment un magnétomètre optique comprenant une cavité résonante isotrope limitée par deux miroirs semi-transparents alignés suivant un trajet optique, contenant un milieu laser et munie de moyens d'excitation de raies d'émission laser dans le milieu suivant un mode unique avec un gain supérieur à 100 par passage, un transducteur placé de façon à recevoir le faisceau laser s'échappant par un des miroirs et fournissant un signal électrique contenant la fréquence de battement entre les émissions o+ et -, les miroirs ayant un coefficient de transmission suffisant pour que le milieu laser soit loin de la saturation. Il est souhaitable de rendre la cavité la plus isotrope possible, car toute anisotropie, notamment de pertes, tend à augmenter la zone aveugle, c'est-à-dire le seuil de champ magnétique au-dessous duquel le magnétomètre ne donne pas d'indications car les fréquences des deux ondes a restent accrochées. Cet accrochage résulte de la tendance à fixer la polarisation que donne toute biréfringence linéaire, de phase ou de pertes, alors que l'effet Faraday du champ magnétique tend au contraire à faire tourner la polarisation linéaire, c'est-a-dire à créer le phénomène qui fournit le signal utile. Pour assurer une quasi-isotropie, il est souhaitable d'éviter, dans la paroi de la cavité ou à l'intérieur de celle-ci, tout élément (tel qu'une fermeture) qui tendrait à créer une direction préférentielle. Comme on l'a indiqué plus haut, le fonctionnement du magnétomètre est basé sur l'effet Faraday créé par le champ magnétique. Cet effet augmente avec le gain et diminue quand le milieu laser est saturé. C'est pour cette raison qu'il est nécessaire de choisir un milieu laser et une cavité donnant un gain élevé, supérieur à 100 par passage. Dans la pratique, il sera souhaitable de dépasser largement cette valeur. Pour éviter la saturation, il est souhaitable de faire fonctionner le laser juste au-dessus du seuil d'effet laser. Pour cela, on donne à au moins un des miroirs un coefficient de réflexion de quelques pour cent seulement. Dans la pratique, on peut donner à chacun des miroirs un coefficient de réflexion de 3 t environ. Il est au surplus souhaitable d'éviter de revêtir les miroirs de couches diélectriques anti-reflet, car ces couches sont une source d'anisotropie potentielle. Bien que le magnétomètre puisse fonctionner avec des milieux actifs de natures très différentes, il est avantageux d'utiliser un laser à gaz et à excitation par décharge, similaire à ceux utilisés dans les gyromètres laser. Le signal de sortie fourni par un magnétomètre du type ci-dessus défini est représentatif de la valeur moyenne de la composante suivant l'axe du champ magnétique, dans l'ensemble de la cavité. Il peut fonctionner même dans un champ ayant un gradient magnétique dont la valeur serait trop élevée pour permettre le fonctionnement correct d'un magnétomètre RMN à protons. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère à la figure unique qui l'accompagne et qui est un schéma de principe d'un magnétomètre laser utilisant un laser à décharge dans un gaz. Le magnétomètre montré sur la figure comprend un corps 10 en matériau stable et à faible coefficient de dilatation thermique, généralement en verre, percé d'un conduit capillaire axial 12 constituant la cavité laser. On connaît des verres, tels que celui connu sous le nom de "zérodur", qui répondent à cette condition. La cavité est fermée par deux miroirs 14 et 16 semi-transparents, ayant un coefficient de réflexion faible, par exemple de 3 %, choisi pour que le magnétomètre fonctionne juste au-dessus du seuil laser. Les miroirs sont par exemple collés sur le corps. L'un des miroirs est avantageusement en forme de calotte sphérique, de façon à maintenir le caractère cylindrique du pinceau de lumière. Les miroirs peuvent notamment être constitués, pour donner une isotropie aussi complète que possible à la cavité, par des plaques de verre de stabilité thermique élevée, directement fixées sur le corps 10 et de même nature. Toujours dans le but d'éviter toute anisotropie qui favoriserait l'accrochage augmentant la zone aveugle, aucune fenêtre n'est prévue dans le corps. En revanche, il peut être avantageux de placer sur la cavité un diaphragme (non représenté) destiné à éliminer tous les modes laser autres qu'un seul, qui est généralement le mode TEM-O0. Le corps porte les électrodes d'excitation, avantageusement disposées de façon symetrique, comprenant, dans le cas illustré sur la figure , deux cathodes centrales 18 et deux anodes 20 placées à proximité des extrémités, alimentées par une source 21 à haute tension. Comme on l'a indiqué plus haut, il est souhaitable de constituer le laser de façon à ce qu'il ait un gain élevé, pour augmenter l'effet Faraday. Dans la pratique, cela conduit à préférer une décharge de génération de la raie à 3,39 zm du néon : le milieu peut alors être constitué par un mélange 3He-20Ne avec un rapport volumique 7/1. Le faisceau sortant à travers un des miroirs, 14 par exemple, est dirigé vers un détecteur 22 destiné à fournir un signal électrique contenant la fréquence de battement, représentative de la composante t du champ magnétique suivant l'axe du capillaire 12. Ce détecteur sera généralement un composant à état solide, telle qu'une photodiode ou un phototransistor. I1 attaque un circuit de traitement 23 capable d'extraire par filtrage le signal de battement. Un polariseur 24 est interposé entre le miroir et le détecteur. I1 est préférable de placer, entre le polariseur et le détecteur, un élément 26 destiné à éviter les retours de lumière vers le laser : cet élément peut notamment être une lame quart d'onde ou un isolateur optique. De façon que la longueur de la cavité reste égale à un nombre entier de longueurs d'onde de fonctionnement, il est souhaitable de munir un des miroirs d'un élément commandé par une boucle d'asservissement, qui modifie la position du miroir le long de l'axe. Cet élément peut notamment être constitué par une cale 28 en matériau piézoélectrique, soumise à une tension ajustée par une boucle de régulation 30. Le signal d'entrée de la boucle est constitué par la puissance de sortie du laser et la boucle est prévue pour rechercher la longueur qui donne une valeur maximale à la puissance de sortie, à excitation donnée. Cette puissance peut être fournie par un détecteur 32 qui reçoit une fraction du faisceau de sortie, prélevée par une lame séparatrice 34 placée entre le miroir de sortie 14 et le polariseur 24. La boucle de régulation peut avoir l'une quelconque des constitutions bien connues. Il est également possible de commander la source 21 d'alimentation en fonction de la puissance de sortie, de façon à la maintenir à une valeur sensiblement constante. A titre d'exemple, on peut indiquer qu'un magnétomètre a été constitué avec une cavité laser ayant une longueur de 60 cm, fonctionnant sur la raie à 3,39 zm du néon, donnant un gain de 700 pour un seul passage ; même en l'absence de toute régulation et protection particulière, une sensibilité de 10 gammas a été obtenue. Il est possible de mesurer à la fois la valeur absolue et l'orientation d'un champ magnétique en disposant trois magnétomètres laser du type ci-dessus défini suivant trois directions différentes (généralement mutuellement orthogonales) et en combinant les signaux de sortie. I1 est également possible d'associer un ou plusieurs magnétomètres du type ci-dessus défini avec un magnétomètre absolu, pour faciliter la détermination de la direction du champ magnétique. Dans le cas de champs faibles, le magnétomètre absolu peut par exemple être du type couramment dénommé "flux gate". REVENDICATIONS 1. Magnétomètre optique directionnel comprenant une cavité résonante isotrope limitée par deux miroirs semitransparents (14, 16) alignés suivant un trajet optique, contenant un milieu laser et munie de moyens (18, 20, 21) d'excitation de raies d'émission laser dans le milieu suivant un mode unique avec un gain supérieur à 100 par passage, un transducteur (22) placé de façon à recevoir le faisceau laser s'échappant à travers un des miroirs et fournissant un signal électrique contenant la fréquence de battement entre les émissions + et ~, les miroirs ayant un coefficient de transmission suffisant pour que le milieu laser soit loin de la saturation. 2. Magnétomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les miroirs ont un coefficient de réflexion de quelques pour cent. 3. Magnétomètre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de régulation de longueur de la cavité laser. 4. Magnétomètre selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le milieu laser est un gaz excité par décharge électrique placé dans une cavité constituée par un conduit capillaire (12). 5. Magnétomètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que le conduit est percé dans un corps (10) et formé par les miroirs (14, 16), le corps et les miroirs étant en un même verre stable et à faible coef f i- cient de dilatation thermique. 6. Magnétomètre selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le gaz est un mélange helium-néon. 7. Dispositif de mesure de la valeur absolue d'un champ magnétique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois magnétomètres suivant une quelconque des revendications précédentes, disposés suivant trois direction différentes.