Brevet FR2695468A1 — publié le 19940311

DISPOSITIF D'INTERFEROMETRIE A FIBRE OPTIQUE DESCRIPTION La présente invention concerne un dispositif d'interférométrie. Elle trouve des applications notamment en vélocimétrie, en particulier pour la mesure de la vitesse d'un mobile mis en mouvement par un choc. L'invention s'applique également à la mesure de la différence des fréquences respectives de deux faisceaux Lumineux monochromatiques et cohérents. Il est connu de mesurer, en utilisant l'effet Doppler, la vitesse d'un mobile apte à réfléchir la lumière. Le dispositif connu, qui est schématiquement représenté sur La figure 1, permet de faire une telle mesure de vitesse. Ce dispositif connu comprend un laser monomode 2 qui émet un faisceau lumineux de fréquence fo suivant un axe X. En face du laser 2 se trouve le mobile réflecteur 4 dont la face réflectrice 6 (surface polie) est perpendiculaire à l'axe X. Le faisceau lumineux 8 émis par le laser est réfléchi sous incidence normale par la face 6 du mobile 4. Lorsque ce dernier se déplace dans un milieu dont l'indice de réfraction est égal à 1, la fréquence de ce faisceau réfléchi est égale à fo augmenté d'une quantité Df (lorsque Le mobile 4 se rapproche du laser 2) ou diminué de cette quantité Df (lorsque le mobile 4 s'éloigne du laser 2), avec Df = fo x (2V/c). dans cette formule, V représente le module de la vitesse du mobile 4 et c représente la vitesse de la lumière dans le vide. En notant lo La longueur d'onde d'émission du laser 2, on obtient Df = 2V/lo. Cette dernière expression montre que chaque fois que le mobile 4 se déplace d'une distance lo/2, le signal de fréquence Df décrit une période. En comptant le nombre de périodes, il est donc possible de connaitre avec une grande précision le diagramme de marche du mobile 4, c'est-à-dire le déplacement de ce mobile suivant L'axe X en fonction du temps Une telle technique est utilisable sans difficulté jusqu a une vitesse du mobile égale à environ 50m/s. Le dispositif connu, schématiquement représenté sur la figure 1, permet la mise en oeuvre de cette technique et comprend pour ce faire un interféromètre de Michelson. On voit sur la figure 1 le miroir fixe 10 de ce t interféromètre, qui est para Iléle à l'axe X ainsi qu'une lame séparatrice 12 qui rencontre cet axe X et qui fait un angle de 450 avec lui, laissant ainsi passer une partie du faisceau lumineux 8 issu du laser 2 et réfléchissant perpendiculairement à l'axe X le faisceau lumineux réfléchi par le mobile 4. L'autre partie du faisceau issu du laser est réfléchie par la lame 12 en direction du miroir 10 et le faisceau réfléchi par ce dernier traverse la lame sépa ratri ce 12 pour interférer ave c le faisceau qui a été réfléchi par le mobile 4 puis par cette lame séparatrice 12. Des moyens de mesure appropriés 14 reçoivent les faisceaux qui interfèrent et déterminent la vitesse du mobile 4. Le miroir 10 et la lame séparatri ce 12 sont munis de moyens micrométriques d'orientation (non représentés) permettant le réglage de l'interféromètre. D'autres techniques plus récentes utilisent le même principe mais réalisent l'interféromètre et, dans certains cas, La source laser 2, par Les techniques de L'Optique Intégrée. Ces autres techniques connues sont mentionnées dans Les documents suivants : (1) MESURES, 18 mars 1991, pages 53 à 55. (2) R. G. E., n010, novembre 1990, pages 109 à 117. Les dispositifs décrits dans ces documents comportent tous un capteur interférométrique couplé à une fibre optique. Les dispositifs connus, mentionnés jusqu'ici, présentent des inconvénients : - ces dispositifs connus sont coûteux, surtout lorsqu'ils utilisent des interféromètres classiques, - ils ont une très faible tolérance (environ 1 minute d'angle) vis-à-vis de la variation d'orientation du mobile au cours de son déplacement. Certes, dans le document (1), il est proposé, pour remédier à ce dernier inconvénient, de disposer un rétroréflecteur ("coin-cube") su r la face avant du mobile (qui reçoit le faisceau laser), mais ceci est incompatible avec des expériences destructives (mise en mouvement du mobile par choc par exemple) au cours desquelles ce rétroréflecteur est détruit, rendant ainsi les mesures impossibles. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents. Elle a pour objet un dispositif d'interférométrie, caractérisé en ce qu'il comprend : - une fibre optique, - une première source lumineuse monochromatique et cohérente, prévue pour former un premier faisceau lumineux, - des premiers moyens optiques aptes à diriger ce premier faisceau lumineux sur une première extrémité du coeur de la fibre optique, et injecter au moins une partie de ce premier faisceau lumineux dans ce coeur, - des deuxièmes moyens optiques aptes à dirige un deuxième faisceau lumineux qu'iLs reçoivent sur la deuxième extrémité du coeur de la fibre optique et injecter au moins une partie de ce deuxième faisceau lumineux dans ce coeur, - des moyens séparateurs de faisceaux, qui sont placés entre la première source lumineuse et les premiers moyens optiques et qui sont aptes à laisser passer une partie du premier faisceau issu de la première source et à réfléchi r en partie un faisceau lumineux provenant de La première extrémité du coeur de la fibre optique et constituant un mélange des premier et deuxième faisceaux lumineux, et - des moyens de mesure interférométrique qui sont aptes à recevoir ce faisceau réfléchi en partie et à fourni r un signal représentatif de la différence entre Les fréquences respectives des premier et deuxième faisceaux Lumineux. De préférence, la première source lumineuse est un laser monomode. Une première application du dispositif objet de L'invention est l'étude du mouvement d'un mobile optiquement réflecteur Selon un premier m ode de r éa lis at i on particulier du dispositif objet de l'invention, ce dispositif comprend en outre l'objet apte à réfléchir La lumière, placé en regard des deuxièmes moyens optiques et susceptible de se déplacer par rapport à ceux-ci, ce qui permet de mesurer la vitesse de dépLacement de cet objet par interférométrie Doppler, à l'aide du premier faisceau lumineux dont la réflexion sur L'objet donne Le deuxième faisceau lumineux. Une deuxième application du dispositif de l'invention est la mesure de la différence entre les fréquences de deux sources lumineuses monochromatiques et cohérentes Selon un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, ce dispositif comprend en outre une deuxième source lumineuse monochromatique et cohérente, placée en regard des deuxièmes moyens optiques et prévue pour former le deuxième faisceau lumineux, ce qui permet de mesurer la différence entre les fréquences respectives des premier et deuxième faisceaux lumineux. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation, donnée ci-après à titre purement indicatif et nullement Limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels, outre la figure 1, déjà décrite, qui représente un dispositif interférométrique connu, - la figure 2 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention pour l'étude du mouvement d'un mobile réflecteur, et - la figure 3 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, destiné à la mesure de la différence entre les fréquences de deux sources lumineuses monochromatiques et cohérentes. Le dispositif conforme à L'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 2, comprend un laser monomode 16 qui émet un faisceau lumineux monochromatique et cohérent 18 de fréquence fo, suivant un axe Y. Un objet 20 susceptible d'être mis en mouvement par des moyens non représentés et possédant une face réflectrice 22 est disposé sur l'axe Z de façon que sa face réflectrice 22 soit perpendiculaire à l'axe Z qui est généralement différent de l'axe Y. Le dispositif de la figure 2 comprend également une fibre optique 24 dont le coeur porte la référence 26 sur la figure 2 et qui se trouve entre le laser 16 et l'objet 20. La face d'entrée de la fibre optique, qui se trouve en regard du laser 16, est munie de moyens 28 permettant son centrage et son orientation de façon que l'axe de l'extrémité correspondante du coeur 26 de la fibre soit confondu avec l'axe Y et que cette face d'entrée soit perpendiculaire à l'axe Y. De même, la face de sortie de la fibre optique 24, qui se trouve en regard de l'objet 20, est muni e de moyens 30 permettant son centrage et son orientation, de façon que l'axe de l'extrémité correspondant e du coeur 26 de la fibre soit confondu avec l'axe Z et que cette face de sortie soit perpendiculaire à l'axe Z. Le dispositif de la figure 2 comprend également une première optique de focalisation 32 placée en regard de la face d'entrée de la fibre optique 24 et prévue pour focaliser sur la face d'entrée du coeur 26 de cette fibre le faisceau lumineux issu du laser 16 et injecter ce faisceau dans le coeur 26 de la fibre. Le dispositif de la figure 2 comprend aussi une deuxième optique de focalisation 34 placée en regard de la face de sortie de la fibre et prévue pour focaliser la lumière issue de cette face de sortie sur la face réflectrice 22 de l'objet 20. Le dispositif de la figure 2 comprend aussi une lame séparatrice 6 ou un miroir percé placé sur L'axe Y entre le laser 16 et la première optique 32, cette lame séparatrice 36 laissant passer en partie le faisceau lumineux 18 issu du laser 16 et réfléchissant en partie la lumière susceptible de lui parvenir en provenance de la face d'entrée de la fibre 24 par l'intermédiaire de L'optique 32. Le dispositif de la figure 2 comprend enfin des moyens 38 disposés en regard de la lame séparatrice 36 et prévus pour détecter la lumière réfléchie par cette lame 36 et pour faire des mesures d'interférométrie permettant de déterminer la vitesse de L'objet 20 lorsqu'il est mis en mouvement. Le faisceau Lumineux 18, de fréquence fo, issu du Laser 16, traverse la lame séparatrice 36 puis l'optique 32 qui Le focalise sur la face d'entrée du coeur de la fibre optique 24. Une grande partie du faisceau pénètre dans la fibre 24 et ressort par la face de sortie du coeur 26 de la fibre. La deuxième optique 34 focalise ce faisceau sortant sur la face réflectrice de l'objet mobile 20 sous incidence normale. En vertu du principe du retour inverse de la lumière, le faisceau réfléchi par la face 22 de l'objet 20 traverse l'optique 34 et pénètre, en grande partie, dans le coeur 26 de la fibre 24. Ce faisceau réfléchi ressort de la fibre par la face d'entrée du coeur de celle-ci et se trouve partiellement réfléchi par La lame séparatrice 36 après avoir traversé L'optique 32. La fréquence du faisceau réfléchi par l'objet 20 est égale à fo augmenté ou diminué d'une quantité Df (suivant que l'objet se rapproche ou s'éloigne de L'optique 34) comme on l'a vu plus haut. Le faisceau lumineux 40 réfléchi par la lame séparatri ce 36 vers les moyens 38 comprend non seulement une partie du faisceau réfléchi par l'objet 20, de fréquence fo + Df mais encore trois composantes : - une partie 1 8a du faisceau lumineux incident 18 qui a été réfléchie à l'interface air/face d'entrée du coeur de la fibre 24, - une partie, d'intensité plus faible, du faisceau injecté dans la fibre par l'optique 32, partie qui a été réfléchie à l'interface coeur/ai r au niveau de La face de sortie de la fibre, - une partie, d'intensité également plus faible, du faisceau lumineux injecté dans la fibre par l'intermédiaire de l'optique 32, cette partie résultant de la rétrodiffusion de la lumière dans le coeur de la fibre 24. Ces trois composantes sont, quant à elles, à la fréquence fo. Les moyens 38 reçoivent donc un mélange de quatre faisceaux lumineux, à savoir un faisceau lumineux intense de fréquence fo + Df (suivant le sens de déplacement de L'objet mobile), et trois autres faisceaux lumineux, dont l'un est assez intense, et qui ont tous trois la fréquence fo. Le mélange de ces quatre faisceaux lumineux produit des battements qui sont détectables pourvu que la "source" commune à ces faisceaux (à savoir le coeur de la fibre au niveau de la face d'entrée de celle-ci) soit suffisamment petite. En utilisant un laser dont la longueur d'onde d'émission est égale à 514,5nm, une fibre dont le coeur a un diamètre égal à 10 micromètres convient pour obtenir un t aux de modulation de bonne qualité. Ce taux de modulation s'améliore si l'on utilise une fibre optique dont le coeur a un diamètre inférieur à 10 micromètres (mais, dans ce cas, le défaut maximum admissible d'orientation de la face réflectrice 22 de l'objet 20 par rapport à l'axe Z diminue). Il est possible de régler le taux de modulation en agissant sur l'orientation de la face d 'entrée de la fibre optique par rapport au laser 16. Les moyens 38, qui constituent une chaîne de détection classique, permettent de connaître le mouvement de l'objet 20 grâce à la détermination de la différence Df entre les fréquences. Les résultats des mesures sont fournis par des moyens d'affichage 39 qui sont associés aux moyens 38. Si l'on veut connaître le signe dont est affecté Df et donc le sens de déplacement de l'objet 20, on utilise une chaîne de détection avec voie déphasée. Le dispositif conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 3, est destiné à détecter la différence entre les fréquences de deux faisceaux lumineux monochromatiques et cohérents. L'un de ces faisceaux est le faisceau lumineux 18 issu du laser 16 et l'autre faisceau, référencé 42, est issu d'une source lumineuse monochromatique et cohérente 44, par exemple un laser monomode, qui émet le faisceau lumineux 42 suivant l'axe Z, de sorte que les faisceaux 18 et 42 se propagent tous deux dans la fibre optique mais en sens opposé. Le dispositif de la figure 3 comprend encore, en allant du laser 16 au laser 42, la lame séparatrice 36, la première optique 32, la fibre optique 24 et L'optique 34. On utilise comme précédemment les moyens de centrage et d'orientation 28 et 30 pour disposer convenablement Les extrémités du coeur de la fibre suivant les axes Y et Z respectivement. Dans ces conditions, une partie du faisceau lumineux 18 issu du laser 16 est injectée dans le coeur de la fibre optique après avoir traversé la lame séparatrice 36 et les moyens 38 reçoivent encore (par l ';ntermédiaire de L'optique 32 et de la lame séparatri ce 36) un faisceau lumineux comportant les t rois composantes mentionnées plus haut respectivement dues - à la réflexion d'une partie du faisceau 18 au niveau de la face d'entrée de La fibre, - à la réflexion d'une partie de ce faisceau 18 au niveau de la face de sortie de la fibre et - à une partie de ce faisceau 18 qui est rétrodiffusée dans la fibre. Chacune de ces trois composantes a bien entendu la fréquence fo. Dans le faisceau lumineux qui arrive aux moyens 38, on trouve également une partie du faisceau 42, de fréquence f, qui a été émise par le laser 42 puis focalisée par L'optique 34 sur la face de sortie du coeur de la fibre 24 puis envoyée sur la lame séparatrice 36 par l'intermédiaire de l'optique 32. Les moyens 38 permettent de détecter les battements résultant du mélange des diverses composantes du faisceau lumineux qui leur parviennent et de déterminer L'écart entre la fréquence f du laser 42 et la fréquence fo du laser 16. La valeur de cet écart est fournie par les moyens d'affichage 39 qui reçoivent des moyens 38 un signal électrique représentatif de cet écart. Un dispositif conforme à l'invention présente des avantages par rapport aux dispositifs d' interférométrie connus, mentionnés plus haut Avec un dispositif conforme à l'invention, L'orientation et la distance du mobile (dans le cas du dispositif de la figure 2) ou L'orientation du faisceau issu de la source 42 (dans le cas du dispositif de la figure 3) doivent seulement permettre l'éclairement de la face de sortie de la fibre optique. Ceci est beaucoup moins contraignant que les conditions à satisfaire dans un dispositif i nterférométrique connu dans lequel le mobile constitue l'un des miroirs de l'interféromètre de ce dispositif, ou lorsque le faisceau issu de la source de fréquence f doit interagir avec le faisceau de fréquence fo dans un tel interféromètre. Cet avantage est surtout perceptible lorsque la distance entre la face de sortie de la fibre optique et le mobile est courte ainsi que pour les faibles courses de mesure. Un autre avantage d'un dispositif conforme à l'invention réside dans son coût qui est très inférieur à celui des dispositifs d 'interférométrie connus, mentionnés plus haut. En effet, dans le cas de l'invention, l'interféromètre est remplacé par une fibre optique peu coûteuse et associée à des moyens de réglage classiques. Ceci est particulièrement intéressant dans le cas des expériences destructives (mesures sur des projectiles par exemple) car seules la fibre optique et l'optique de focalisation sur le mobile sont à remplacer après chaque essai. On notera cependant que, même dans le cas ou Les extrémités d'entrée et de sortie de la fibre optique sont parfaitement fixes et que l'objet dont on veut mesurer la vitesse est au repos, tout mouvement de la fibre optique engendre des variations de trajet optique en son sein, variations auxquelles correspondent des vitesses apparentes de L'objet, de l'ordre de 1 cm/s. Afin d'obtenir des mesures précises, il est donc préférable que l'on utilise un dispositif conforme à l'invention pour mesurer des vitesses supérieures ou égales à 1m/s environ. On peut utiliser un dispositif conforme à l'invention chaque fois qu'il s'agit de mesurer ou d'utiliser la variation de la fréquence d'un faisceau lumineux monochromatique et cohérent, quel que soit le processus physique qui engendre cette variation. Par exemple, l'invention est utilisable pour mesurer des microdéplacements à "basse" vitesse (au moins de l'ordre de 1m/s). L'invention est également utilisable chaque fois que l'on veut mesurer ou utiliser la différence entre les fréquences de deux faisceaux lumineux monochromatiques et cohérents. L'invention est de préférence utilisable lorsque la vitesse du mobile réflecteur est comprise entre 1m/s et 50m/s, lorsque la course utile de ce mobile est très courte, de l'ordre de quelques mi llimètres et lorsque la fréquence des battements obtenus est comprise entre 4 et 50MHz. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'interférométrie, caractérisé en ce qu'il comprend : - une fibre optique (24), - une première source lumineuse (16) monochromatique et cohérente, prévue pour former un premier faisceau lumineux, - des premiers moyens optiques (32) aptes à diriger ce premier faisceau lumineux sur une première extrémité du coeur de la fibre optique, et injecter au moins une partie de ce premier faisceau lumineux dans ce coeur, - des deuxièmes moyens optiques (34) aptes à diriger un deuxième faisceau lumineux qu'ils reçoivent, sur une deuxième extrémité du coeur de la fibre optique et injecter au moins une partie de ce deuxième faisceau lumineux dans ce coeur, - des moyens séparateurs de faisceaux (36), qui sont placés entre la première source lumineuse (16) et les premiers moyens optiques (32) et qui sont aptes à laisser passer une partie du premier faisceau issu de la première source et à réfléchir en partie un faisceau lumineux provenant de la première extrémité du coeur de la fibre optique et constituant un mélange des premier et deuxième faisceaux Lumineux, et - des moyens de mesure interférométrique (38) qui sont aptes à recevoir ce faisceau réfléchi en partie et à fourni r un signal représentatif de la différence entre les fréquences respectives des premier et deuxième faisceaux lumineux. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première source lumineuse (16) est un laser monomode. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un objet (20) apte à réfléchir la lumière, placé en regard des deuxièmes moyens optiques (34) et susceptible de se déplacer par rapport à ceux-ci, ce qui permet de mesurer la vitesse de déplacement de cet objet par interférométrie Doppler, à l'aide du premier faisceau lumineux dont la réflexion sur l'objet donne le deuxième faisceau lumineux. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une deuxième source Lumineuse (44) monochromatique et cohérente, placée en regard des deuxièmes moyens optiques (32) et prévue pour former le deuxième faisceau lumineux, ce qui permet de mesurer la différence entre les fréquences respectives des premier et deuxième faisceaux lumineux.