Brevet FR2703147A1 — publié le 19940930

Capteur de dilatation interférométrique L'invention se rapporte à un capteur de dilatation interférométrique du genre comprenant de manière en soi connue: une diode laser comme source de lumière, avec isolateur optique mis en circuit en aval et optique de focalisation, un interféromètre, qui est changeable par dilatation dans sa longueur, une fibre monomode comme conducteur de lumière entre l'optique de focalisation et l'interféromètre, un coupleur directif dans la fibre monomode entre l'optique de focalisation et l'interféromètre, un convertisseur opto-électrique raccordé à un bras de sortie du coupleur directif par l'intermédiaire d'une fibre multimode, et un compteur à marche en avant et en arrière, agencé en aval du convertisseur opto-électrique, pour le comptage des signaux de sortie électriques du convertisseur opto-électrique engendrés, en raison de la dilatation de l'interféromètre, par les franges d'interférence. Lors d'un capteur de capteur de dilatation de ce type (DE 37 15 693 Ci), un des bras de sortie de l'interféromètre à deux bras est raccordé à une lentille à gradient d'index, derrière laquelle, un diviseur de rayon de polarisation est agencé, un diviseur de rayon de polarisation à fibre optique pouvant aussi être prévu à la place d'une telle combinaison Les signaux d'interférence de forme sinusoïdale, à décalage de phase, aux sorties du diviseur de rayon de polarisation, sont, chaque fois, raccordés à une combinaison de photodiode - préamplificateur dont des sorties sont raccordées à une électronique de lecture, par laquelle les signaux d'interférence sont détectés et délivrés avec le signe approprié à un compteur à marche en avant et en arrière, dont l'état de compteur indique la dilatation de fibre rapportée à l'état initial. Pour la réalisation d'interrupteurs optiques et d'éléments logiques pour des emplois dans des ordinateurs et des processeurs de signal optiques, une bistabilité optique est requise En outre un signal d'entrée se modifiant en des états de sortie discrets est converti sous forme d'intensités de lumière La base est en même temps une courbe d'hystérésis, qui résulte de la caractéristique d'entrée et de sortie (G- u*-), sur laquelle, comme fonction de l'intensité d'entrée ou de l'amplification de rétroaction, des valeurs stationnaires des intensités de sortie sont obtenues, qui sont la base pour la bistabilité. Il est connu un interrupteur optique bistable avec un interféromètre à deux bras, qui présente deux sorties de signal, desquelles l'une est mise en circuit sur une photodiode d'un convertisseur optoélectrique, dont la tension de sortie est amplifiée et est mise en circuit à l'alimentation de courant de la source de lumière comme tension de commande Les bras d'interféromètre sont en même temps, chaque fois, constitués avec des longueurs de trajet, optiques, constantes, différentes, et la différence des longueurs de trajet des bras d'interféromètre est ainsi déterminée et la longueur d'onde de la lumière d'entrée se trouvant à l'interféromètre à deux bras est réglable de telle sorte que, grâce au changement de la longueur d'onde de la lumière d'entrée, la lumière de sortie de l'interféromètre à deux bras est mise en circuit bistable entre les sorties de signal de celui-ci (DE 40 21 293 Al; US-PS 5 117 471; Optics Letters, 1 er déc 1991/vol 16, N O 23, pages 1896 à 1898 "Bistable fiber-optic Michelsen interferometer that uses wavelength control"). Il est de plus connu d'engendrer des signaux d'interférence asymétriques au moyen d'un interféromètre "self-mixing" Ainsi, la lumière de capteur est couplée en retour dans la diode laser, o, grâce à une modulation spectrale de largeurs de ligne ou de résonateur, engendrée par l'interférence entre un réflecteur externe à l'emplacement de mesure et un des miroirs de laser, une modulation d'intensité en forme de dents de scie, correspondant au mouvement de réflecteur, est suscitée (Optics Letters 1992/vol 17, N O 11, pages 1 à 3 "Fiber-optic Doppler velocimeter that incorporâtes active optical feedback from a diode laser" auteurs: W M Wang et autres) La tâche de l'invention est un capteur de dilatation interférométrique du type considéré à dynamique élevée. Cette tâche est accomplie conformément à l'invention par les caractéristiques consistant en ce que: pour la diode laser, une stabilisation de température et une alimentation de courant commandable sont prévues, pour l'engendrement d'une longueur d'onde variable de la source de lumière, les signaux de sortie électriques du convertisseur opto-électrique, d'une part, sont mis en circuit, comme signal de rétroaction, par l'intermédiaire d'un amplificateur de rétroaction à facteur d'amplification ajustable, sur l'alimentation de courant de la diode laser, et, d'autre part, sont mis en circuit, par l'intermédiaire d'une unité de différenciation et d'une unité de commutation électronique, au compteur à marche en avant et en arrière, et l'amplification du signal de rétroaction, en fonction du courant de diode laser, est ainsi choisie, que le signal d'interférence est en forme de dents de scie avec des flancs raides, afin d'engendrer des sauts rapides pour l'unité de différenciation. Le capteur de dilatation conforme à l'invention se différencie des capteurs de dilatation interférométriques connus en ce qu'à la place de deux signaux d'interférence de forme sinusoïdale, à décalage de phase, un signal d'interférence en forme de dents de scie, asymétrique, est engendré, qui est évaluable au moyen d'une électronique de lecture simple, spéciale. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre à titre d'exemple en référence aux dessins annexés o: la figure 1 montre le circuit du capteur de dilatation, exécuté avec un interféromètre à deux bras, à fibre optique, du type de Michelson, la figure 2 est un diagramme, dans lequel est représentée la caractéristique d'interféromètre stationnaire, et la figure 3 montre le circuit d'un capteur de dilatation, exécuté avec un résonateur de Fabry et de Perot, à fibre optique, comme interféromètre. Dans la figure 1, est représenté un circuit dans la forme d'exécution avec un capteur de dilatation, qui est constitué comme interféromètre à deux bras du type de Michelson Il est connu, que l'interféromètre de Michelson, au point de vue de son fonctionnement, est identique, jusqu'à une sensibilité plus élevée par le facteur 2, avec un interféromètre de Mach et Zehnder, qui, également, peut être employé comme capteur de dilatation. La source de lumière de l'interféromètre bistable, à rétroaction, est une diode laser 1, dont le faisceau de lumière, après passage d'un isolateur optique 2, est couplé intérieurement avec une optique de focalisation 3 appropriée, dans une fibre monomode 4 Celle-ci est couplée, par l'intermédiaire d'une épissure ou d'un connecteur monomode 5, avec le conducteur d'onde de lumière d'entrée de l'interféromètre 6 L'onde de lumière est distribuée dans un coupleur directif 62, chaque fois pour 50 %, dans les deux bras 63 et 64 de l'interféromètre 6. Ces deux bras 63 et 64 sont inégalement longs Cette dissymétrie dans les longueurs de trajet optiques des bras d'interféromètre est essentielle pour la bistabilité du capteur Après réflexion aux faces d'extrémité rendues réfléchissantes 65, 66 des bras d'interféromètre 63, 64, un signal d'interférence est engendré dans le coupleur directif 62 par superposition des deux ondes de lumière A partir de la théorie d'interféromètre à deux bras, il est connu que dans les bras de sortie 67 et 68 bras de sortie 67 identique avec le bras d'entrée 61 du coupleur directif 2, chaque fois, des signaux d'interférence à décalage de phase de v rad (= 1800) sont à observer, c'est-à-dire que la sortie 68 montre une intensité maximale (interférence constructrice), lorsque la sortie 67 présente une intensité minimale (interférence destructrice). A la sortie 68 du coupleur directif 62, une fibre multimode 8 est raccordée par l'intermédiaire d'une épissure ou d'un connecteur multimode 7, l'autre extrémité étant raccordée, par l'intermédiaire d'une épissure, ou d'un connecteur multimode 9, à un convertisseur optoélectrique 10 Le convertisseur optoélectrique 10 est constitué comme une combinaison photodiode - préamplificateur avec un facteur de conversion a, dans lequel, la capacité de lumière optique (intensité), à la sortie 68 du coupleur directif 62, est convertie en une tension proportionnelle à celle-ci Cette tension est mise en circuit à un amplificateur 11, avec le facteur d'amplification g et un temps de retard T. La tension de sortie amplifiée est mise en circuit, par l'intermédiaire d'un filtre passe-bas 12, comme tension de commande, sur l'alimentation de courant 13 de la diode laser 1, sur laquelle, le signal est ainsi couplé en retour (facteur de conversion capacité de lumière/courant de diode = kld) Le courant décalé ib = ito W ieuil détermine la longueur d'onde fondamentale de la diode laser Par l'intermédiaire de la rétroaction, le courant de diode laser et par suite la longueur d'onde sont modulés Avec une unité de stabilisation de température 14, les oscillations de température de la diode laser montée sur un refroidisseur Peltier, sont stabilisées mieux que 10 K La longueur d'onde fondamentale peut aussi être décalée, par l'intermédiaire de la température, d'une certaine zone Le facteur d'amplification g de l'amplificateur 1 l est ajustable et détermine l'asymétrie des franges d'interférence, la linéarité du flanc lent, ainsi que la montée du flanc rapide. A la sortie 15 de la combinaison photodiode - préamplificateur, la tension de sortie de celle-ci est de plus mise en circuit sur un circuit de comptage de franges d'interférence avec un filtre passe-haut 15, un dispositif de différenciation 16, un commuteur électronique et un compteur à marche en avant et en arrière 18. La différence de longueur des deux bras d'interféromètre 63, 64, qui sont rendus réfléchissants de façon usuelle à leurs extrémités, est L X La zone de dilatation du bras d'interféromètre 64 est désignée par L^. La zone de dilatation Ls du bras d'interféromètre 64 est fixée sur l'échantillon 69, dont des changements de longueur AL, sont à mesurer Lors de changements de cette longueur, par l'intermédiaire du circuit de rétroaction, un signal d'interférence en forme de dents de scie est engendré, qui, comme représenté dans le diagramme avec la puissance de sortie Psortie' durant le temps t, dans le circuit, lors de raccourcissement AL 0, émet des signaux en dents de scie avec montée de flanc opposée Grâce au différenciateur 16 avec le filtre passe-haut 15 mis en circuit en amont, à partir de ces signaux d'interférence en forme de dents de scie, des niveaux de tension ( 19, 20), positifs ou bien négatifs suivant chaque fois le signe du changement de grandeur de mesure, constants, sont engendrés, qui pendant le flanc de retour de la dent de scie le plus rapide possible, sont interrompus par des impulsions de tension négatives ou bien positives, comme représenté dans le diagramme, indiqué au bas de la figure 1 Ces impulsions de tension 21, 22 à dynamique élevée se trouvent à l'unité de commutation électronique 17 suivante, à partir de laquelle, suivant chaque fois le signe de l'impulsion de tension, des impulsions de comptage correspondantes sont données dans l'entrée de marche en avant ou l'entrée de marche en arrière du compteur à marche en avant et en arrière 18. L'agencement décrit ci-dessus est un système à rétroaction non linéaire à constante de temps r et temps de retard de rétroaction T Le comportement stationnaire est décrit par l'équation récursive T KLD Pn+l = i B + gin Pn) l 1 + cos(-Ko Pn + B + L + Mn L))l 4 ( 1 +) Pn est la puissance de sortie à la photodiode au moment tn; g est le contraste d'interférence (indice de modulation) de l'interféromètre, T est la transmission d'interféromètre; i B = i LD iùil est la partie de courant décalée constante à travers la diode laser au-dessus du courant de seuil de laser; v = SU/6 P est le facteur de conversion de la puissance de sortie d'interféromère en tension de photodiode, k = di LD/d U le facteur de conversion de tension à l'entrée d'attaque de diode laser en courant de diode laser, g est le facteur d'amplification de l'amplificateur de rétroaction, KLD = d Po/di B le facteur de conversion de courant de diode laser en puissance de sortie de laser PO ( 2) PLD = KLD(i B + gl Pn) =Po+g Pn Ko représente le changement de la phase d'interféromètre transmis par la puissance de sortie d'interféromètre, par l'intermédiaire de la rétroaction La raison pour cela est le courant de diode commandé par la puissance de lumière de sortie et, avec cela, le changement de longueur d'onde qui y est lié. La différence de phase d'interféromètre se compose d'une partie constante 40 = OB + OL et d'une petite partie variable Ki Pn + r&L: ( 3) ( 4) L= N L "o OL est de l'ordre de 105 r rad (L = 10 mm, X = 830 nm) Le changement de la phase d'interféromètre 60 M a lieu par dilatation de fibre EL La phase de décalage OB est déterminée par i B et définit la longueur d'onde fondamentale XB Pour la phase de décalage on a: ( 5)B = O At(i)/X ( 6) ( 6) 8 X = - 8 Q = -K 2 Kli 8 =-Ki 3 i avec KX = -2 v N L /X 2 et KX = d X/di Le changement de longueur d'onde avec le courant pour un mode de laser fixe d'ordre m est, dans le cas d'une diode laser stabilisée en température, de l'ordre de ( 7) L 0 01 nrn/m A T Ws T Ws est la température de l'affaissement thermique Un changement de phase de 2 r est alors obtenu par ( 4 = 2 X= -D O to X ( 8) Par suite, il se produit, avec ( 3), par exemple pour une différence de longueur des bras d'interféromètre de L = mm, dans le cas d'un interféromètre de Michelson (OL est plus grand du facteur 2, car l'onde de lumière parcourt deux fois le tronçon de mesure) un changement de longueur d'onde requis de Ak = 0,012 nm (longueur d'onde = 860 nm, indice de réfraction N = 1,46). Comme X, dans la zone entre les discontinuités de mode de la diode laser, est à peu près proportionnel au courant de diode et à la température, et que ces paramètres de leur côté varient proportionnellement à la puissance de sortie de l'interféromètre, la différence de phase totale au moment tn s'écrit: ( 9) %Dges| = OB -K Pn + L + r L n r = AO/AL = 2 ( 2 rn/L) kp est la sensibilité de l'interféromètre comme capteur de dilatation Elle atteint, pour une longueur d'onde de X = 860 nm, 2,69 2 v rad/Mm La constante de matière k = Aq/0 est une fonction des coefficients élasto-optiques et de l'indice de réfraction; Le facteur de proportionnalité K est défini par $k = -Ke Pn = -Kig Kn Pn (équation ( 2)) Par suite est ( 10) K≤K, Kmg Kfl. L'intensité de lumière peut être commutée, par une courte impulsion dans l'intensité d'entrée, brusquement, d'un état stable "bas" à un état stable "élevé" Ceci est lié avec un changement de longueur d'onde de quelques -2 nma (en fonction de la différence de longueur des bras d'interféromètre) En raison de la caractéristique d'hystérésis connue, des agencements bistables effectuent de petits changements de la longueur d'onde, abstraction faite des emplacements de saut, sans changement notable de l'intensité de sortie (propriété de stabilisation) Pour la commutation sur l'état "bas" d'origine, la longueur d'onde doit être ramenée au-dessous de la valeur au dernier point de commutation, par exemple par de courtes interruptions de la puissance de lumière d'entrée Dans l'agencement décrit ici, la puissance de lumière d'entrée n'est seulement influencée que par la rétroaction sur le courant de diode laser, mais sinon elle reste constante Par contre, maintenant, la différence de longueur des bras d'interféromètre est variée par dilatation de fibre. Dans l'équation ( 1) pour la puissance de sortie, au moment t, vient la rétroaction, pour exprimer grâce à cela que le courant de diode laser et la phase d'interféromètre (durant la longueur d'onde) dépendent de la puissance de sortie au moment t T La façon de fonctionner de cet interféromètre bistable peut, par suite, être expliquée grâce à ce qu'on exige simultanément la satisfaction de l'équation d'interféromètre usuelle (puissance de sortie comme fonction de la phase), ainsi que des équations pour la dépendance de la phase et du courant de la puissance de sortie Pour les états stationnaires du système, les trois équations doivent toutes être satisfaites en même temps, de sorte que les solutions admissibles sont données par les points d'intersection des graphes correspondants A la place des puissances de lumière, par la suite, seront inscrites les tensions normalisées u = U /U avec U = v g n /K ( 13) U = En raison de la modulation direction de la puissance de laser par la rétroaction du signal d'interférence sur le courant de diode Comme équation pour les points fixes stationnaires, on obtient à partir ( 1) en écriture normalisée G ( 14) ut = (U u B)l 1 g cos(zr(u Uo+u M))j. (avec G = Tg Kn KLD) L'équation ( 14) décrit la dépendance sous forme d'hystérésis typique des points fixes stationnaires u* de la puissance de lumière d'entrée ou de l'amplification de rétroaction G normalisées l 5, 7 l En relation avec l'emploi de capteur ici proposé, la dépendance du signal de sortie stationnaire et du changement de phase u M induit par grandeur de mesure est intéressante En raison du comportement bistable décrit ci-dessus du système à rétroaction, il résulte la fonction périodique u*(UM) d'une caractéristique en forme de dents de scie La succession dans le temps de flancs lents et rapides des franges d'interférence en forme de dent de scie change son signe avec le changement de signe du changement de grandeur de mesure (dilatation croissante ou décroissante) Ceci est reconnaissable dans la figure 2, dans laquelle, la caractéristique d'interféromètre stationnaire ( 13), avec u comme fonction de u L est représentée pour un ensemble de paramètres déterminé g, uo, G Le changement de signe de la montée de flanc corrélé avec le changement de signe du changement de grandeur de mesure (dilatation de fibre) rend possible, par différenciation du signal de sortie, l'adjonction d'un signe lors de la lecture de signal incrémentielle (comptage de franges d'interférence). Dans la forme de réalisation selon la figure 3, comme interféromètre, un résonateur de Fabry et Perot du type à conducteur d'onde de lumière est prévu comme capteur de dilatation Le résonateur de Fabry et Perot 45, qui est pourvu à ses deux extrémités de miroirs 46, 47, est raccordé à une fibre 44 monomode, qui, par l'intermédiaire d'une épissure ou d'un connecteur 43, est raccordée à la sortie d'un coupleur directif 42, dont l'entrée est raccordée à une fibre monomode 41, dans laquelle est dirigée la puissance de lumière Le signal d'interférence survenant à la sortie 49 du coupleur directif 42 est relié, par l'intermédiaire d'une fibre 50 multimode, avec un connecteur 9, avec le convertisseur optoélectrique 10 Le résonateur de Fabry et Perot 45 est fixé sur un échantillon 48, dont les changements de longueur sont à mesurer. Le résonateur de Fabry et Perot doit avoir une réflectivité 20 %. Pour le reste, le circuit selon la figure 3 correspond à celui selon la figure 1, et la théorie donnée pour la forme de réalisation selon la figure 1 est aussi employable pour la forme de réalisation selon la figure 3. Un capteur de dilatation selon la figure 3 se caractérise vis-à-vis de celui selon la figure 1 par sa grande simplicité Seule une fibre a besoin d'être conduite du coupleur directif 42 à l'emplacement de mesure Avec un interféromètre du type de Michelson, par contre, le coupleur directif, qui est partie de l'interféromètre, doit être agencé lui-même à l'emplacement de mesure Lors de grands éloignements, deux fibres doivent alors être conduites à l'emplacement de mesure. REVENDICATIONS 1 Appareil de mesure de dilatation interférométrique ayant: une diode laser comme source de lumière, avec isolateur optique mis en circuit en aval et optique de focalisation, un interféromètre, qui est changeable par dilatation dans sa longueur, une fibre monomode comme conducteur de lumière entre l'optique de focalisation et l'interféromètre, un coupleur directif dans la fibre monomode entre l'optique de focalisation et l'interféromètre, un convertisseur opto- électrique raccordé à un bras de sortie du coupleur directif par l'intermédiaire d'une fibre multimode, et un compteur à marche en avant et en arrière, agencé en aval du convertisseur opto-électrique, pour le comptage des signaux de sortie électriques du convertisseur opto- électrique engendrés, en raison de la dilatation de l'interféromètre, par les franges d'interférence, caractérisé en ce que pour la diode laser, une stabilisation de température et une alimentation de courant commandable sont prévues, pour l'engendrement d'une longueur d'onde variable de la source de lumière, les signaux de sortie électriques du convertisseur opto-électrique, d'une part, sont mis en circuit, comme signal de rétroaction, par l'intermédiaire d'un amplificateur de rétroaction à facteur d'amplification ajustable, sur l'alimentation de courant de la diode laser, et, d'autre part, sont mis en circuit, par l'intermédiaire d'une unité de différenciation et d'une unité de commutation électronique, au compteur à marche en avant et en arrière, et l'amplification du signal de rétroaction, en fonction du courant de diode laser, est ainsi choisie, que le signal d'interférence est en forme de dents de scie avec des flancs raides, afin d'engendrer des sauts rapides pour l'unité de différenciation. 2 Appareil de mesure de dilatation selon la revendication 1, caractérisé en ce que comme interféromètre, un interféromètre à deux bras avec des bras de longueur différente est prévu, duquel un bras est réglable en longueur. 3 Appareil de mesure de dilatation selon la revendication 1, caractérisé en ce que comme interféromètre, un résonateur de Fabry et Perot du type à conducteur d'onde de lumière est prévu, qui est réglable en longueur. 4 Appareil de mesure de dilatation selon la revendication 3, caractérisé en ce que le résonateur de Fabry et Perot a une réflectivité plus petite ou égale à %. Appareil de mesure de dilatation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un filtre passe-bas est mis en circuit en aval à l'amplificateur de rétroaction. 6 Appareil de mesure de dilatation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un filtre passe-haut est mis en circuit en amont au différenciateur.