Brevet FR2704645A1 — publié le 19941104

CAPTEUR DE SEUIL UTILISANT LA BIFURCATION EN FONCTION DU TAUX DE RECOUPLAGE D'UN OSCILLATEUR BRILLOUIN A FIBRE OPTIQUE La présente invention concerne un capteur à fibre optique permettant de déceler sans ambiguïté le franchissement d'un seuil critique par un paramètre à mesurer. De nombreux capteurs à fibres sont disponibles, permettant de mesurer la quasi-totalité des grandeurs physiques et chimiques usuelles, comme la température, la pression, le champ magnétique, la position et l'angle relatif de deux éléments, ou la concentration d'un gaz. Leur fonctionnement repose généralement sur la perturbation de la propagation de la lumière dans le capteur, la mesure directe de l'intensité lumineuse transmise permettant alors la détermination analogique du paramètre perturbateur. Toutefois, l'utilisation industrielle de tels capteurs pour la détection de seuils est largement limitée par leur sélectivité insuffisante par rapport au paramètre critique, la mesure précise de l'intensité transmise passant par 11 emploi d'un photodétecteur exagérément coûteux. Le capteur selon l'invention permet de remédier à cet inconvénient. I1 repose en effet sur l'existence d'une bifurcation, en fonction du taux de réinjection, de la réponse d'un oscillateur Brillouin (milieu matériel dans lequel une onde lumineuse dite de pompe est rétrodiffusée par interaction résonnante avec des ondes hypersonores, ou diffusion Brillouin stimulée, et placé dans une cavité optique) : un tel système est stable et fonctionne dans le régime stationnaire dit de "miroir Brillouin" pour les réinjections supérieures à une valeur critique Dont; dès que le taux de réinjection tombe en dessous de Rcrit, il transite brutalement vers un régime impulsionnel aisément distinguable du régime miroir.La valeur précise de Rcrit est une fonction complexe de la longueur d'interaction dans l'oscillateur, de la longueur d'onde et de la puissance de l'onde de pompe; elle est typiquement de quelques pourcents en intensité, ce qui autorise remploi de coupleurs de faible efficacité, relativement bon marché, ou des conditions d'emploi sévères, où une part importante de la puissance lumineuse est perdue au cours de la propagation. ll consiste en une fibre optique (1) refermée en anneau sur elle même par l'intermédiaire d'un coupleur (2), après traversée d'une zone sensible (3); la fibre est remplie d'une onde lumineuse "de pompe" se propageant dans une seule direction arbitrairement définie comme "vers l'avant", issue d'une source lumineuse (4), et couplée dans (1) par l'intermédiaire de (2); cette onde est rétrodiffusée dans la fibre sous l'effet de la diffusion Brillouin stimulée, donnant naissance à une onde "Bnllouin" se propageant en sens inverse dans l'anneau, et donc également recouplée à chaque tour par l'intermédiaire de (2). Une part de cette onde Brillouin est prélevée dans (2), et analysée sur un détecteur (5). La figure 1 schématise le capteur selon l'invention. Le taux de recouplage dans l'anneau, pratiquement identique pour les ondes pompe et Brillouin, est défini comme le produit des taux de transmission en intensité T1 de la fibre (1), compte tenu de son atténuation propre et des pertes parasites (courbures), T2 du coupleur (2), et T3 de la zone sensible (3): R(g) = T1 x T2 x T3 (g) Dans cette expression, T1 et T2 sont constants, et T3 est variable et dépend de la valeur de la grandeur à mesurer g dans la zone sensible (3). La figure 2 schématise le changement qualitatif de la réponse en fonction du temps du détecteur (5), lorsque g dépasse une valeur critique gcnt, telle que R (g) devient inférieure à Rcnt. L'intervalle temporel dt entre deux impulsions correspond au temps de vol de la lumière dans l'anneau. Selon un mode particulier de réalisation, corresondant à un capteur de courbure, la source (4) peut être un laser solide YAG pompé par diode (6), monomode transverse et longitudinal, émettant environ 10 mW à 1,32 ,um, et protégé par un isolateur de Faraday (7); la fibre optique (1) une fibre de silice unimodale à cette longueur d'onde, d'une longueur L = 20 m (et donc dt = nL/c = 100 ns). Le coupleur (2) peut être constitué de deux coupleurs intégrés à quatre ports (abcd) et (atb'c'd'), identiques et en série. Tous les coefficients de couplage en intensité sont égaux, et voisins de 50 %. L'anneau est refermé, pour les ondes pompe et Brillouin, selon le trajet [bc], les ports b et c étant en outre reliés par la fibre (1); le taux de transmission T2 est alors identique à Tbc. Le faisceau issu du laser (6) est couplé dans l'anneau après le trajet [a'b'ab]. L'intensité Brillouin est prélevée dans l'anneau et mesurée sur un photodétecteur (5) après le trajet [bab'c']. La zone sensible (3) est constituée par une solution de continuité de la fibre (1), solidaire d'un élément dont on désire détecter la flexion; les deux extrémités de la fibre sont alors séparées d'une dizaine de micromètres. Lorsque l'élément n'est pas courbé, les deux segment de fibre sont parfaitement alignés, et une part importante des intensités pompe et Brillouin est transmise (T3 (O = 0) = 0,1). Lorsque la courbure est importante, l'alignement est mauvais, et la part d'énergie transmise chute rapidement; l'adéquation entre T3cnt et la courbure critique ocnt que l'on souhaite repérer est obtenue en faisant varier la distance séparant les deux extrémités de fibre. -La figure 3 schématise cette réalisation particulière d'un capteur de courbure selon l'invention. La figure 4 représente la zone sensible (3), en l'absence et en présence de courbure, et la réponse de l'oscillateur telle que mesurée en (5). ll est à noter que la diffusion Brillouin stimulée étant un effet non linéaire à bande étroite, il est impératif que la largeur spectrale de la source (4) soit inférieure à la largeur spectrale du gain Brillouin, soit environ 20 MHz à 1,32 ,tam. Par ailleurs, la puissance couplée dans la fibre doit être supérieure au seuil d'activation du miroir Brillouin lorsque T3 est maximal; ce seuil dépend fortement, entre autres, de la longueur de la fibre et du taux de réinjection R. Pour une longueur d'interaction de quelques mètres, il peut être de l'ordre du microWatt pour un oscillateur très surtendu, et de quelques dizaines de milliWatts pour les faibles recouplages. Dans d'autres réalisations particulières, la zone sensible (3) peut être constituée d'un capteur usuel, intégré ou non, dont la transmission est modulée par le paramètre à mesurer. Lorsque plusieurs capteurs selon l'invention sont montés en série, il est possible de choisir à chaque étage des fibres de longueurs Lp différentes; lorsque le patramètre à mesurer atteint sa valeur critique sur l'un des capteurs, la mesure du taux de répétition dtp = nLp/c des impulsions permet de déduire l'étage en cause. Dans le cas de la réalisation particulière proposée plus haut, la mise en série de plusieurs capteurs peut être obtenue en reliant le port d'p du p-ième capteur au port c'p+1 du (p+1)-ème. La détection se fait alors sur le port c'l du premier capteur; si la fréquence de tous les lasers de pompe est identique, le signal Brillouin est en outre amplifié sur le trajet [c'p+îd'pi par interaction Brillouin stimulée avec la pompe transmise par la voie [a'pd'p]. La figure 5 schématise cette réalisation particulière d'une cascade de capteurs selon l'invention. REVENDICATIONS 1 - Capteur caractérisé en ce qu'il comporte un oscillateur Brillouin dont le basculement d'un régime de fonctionnement stationnaire vers un régime impulsionnel, ou réciproquement, est provoqué par altération du taux de recouplage dans cet oscillateur, lors du franchissement d'un seuil critique par le paramètre à mesurer. 2- Capteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le milieu actif de l'oscillateur Brillouin est une fibre optique. 3 - Capteur selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le milieu actif de l'oscillateur Brillouin est une fibre optique unimodale. 4- Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le milieu actif de l'oscillateur Brillouin est placé dans une cavité en anneau. 5- Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le milieu actif de l'oscillateur Brillouin est placé dans une cavité en anneau close par un coupleur intégré. 6- Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le milieu actif de l'oscillateur Brillouin est placé dans une cavité en ligne. 7 - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le milieu actif de l'oscillateur Brillouin est une fibre optique dont les faces terminales constituent une cavité en ligne. 8 - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'une variation du paramètre à mesurer provoque une variation de la transmission de l'intensité lumineuse par une zone sensible située à l'intérieur de l'oscillateur Brillouin. 9 - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le taux de répétition des impulsions provoquées par le franchissement d'un seuil par le paramètre à mesurer constitue une signature du capteur concerné.