Brevet FR2902522A1 — publié le 20071221

B7664 1 SONDE ELECTROùOPTIQUE DE MESURE DE TEMPERATURE ET DE CHAMP ELECTROMAGNETIQUE Domaine de l'invention La présente invention concerne la mesure de champs électromagnétiques dans des zones d'analyse de petites dimensions. Dans la présente demande, on désigne par "champ électromagnétique", ou tout simplement par "champ", un champ électromagnétique proprement dit, ou bien un champ magnétique pur, ou bien un champ électrique pur. Exposé de l'art antérieur L'une des difficultés quand on veut mesurer un champ électromagnétique est que ce champ est susceptible de réagir directement sur les circuits des instruments de mesure utilisés pour le mesurer ou d'être influencé par ceux-ci. Pour éviter cet inconvénient, on a prévu des systèmes de détection optiques dans lesquels le champ réagit sur un faisceau lumineux traversant un cristal électro-optique. Dans un cristal électro-optique, le champ agit essentiellement sur la polarisation d'un faisceau lumineux. On sera amené ici à mentionner des ondes optiques à polarisation rectiligne, à polarisation circulaire et à polari- sation elliptique. Pour ne pas alourdir la présente description, on parlera, comme cela est souvent effectué dans la pratique, B7664 2 d'ondes rectilignes, circulaires ou elliptiques, et on comprendra qu'il s'agit chaque fois d'ondes optiques dont la polarisation est respectivement rectiligne, circulaire ou elliptique. Un exemple de dispositif classique de mesure optique d'un champ électromagnétique est illustré en figure 1. Le détecteur est constitué d'un cristal électro-optique 1 dont une extrémité 2 comporte une surface réflectrice et dont l'autre extrémité est couplée par un coupleur 3 à une extrémité d'une fibre optique à maintien de polarisation 5. De la lumière polarisée est envoyée par une source lumineuse polarisée, cohérente ou non, comprenant par exemple une diode photoémettrice 7 et un polariseur 8, à l'autre extrémité de la fibre optique 5 par l'intermédiaire d'un coupleur 9. La lumière renvoyée par le miroir 2 et ayant donc traversé deux fois le cristal 1 et deux fois la fibre 5 est reprise par une séparatrice 11 et envoyée dans un ensemble d'analyse de polarisation comprenant par exemple une lame quart d'onde (ou lame X/4) 13, une lame demi onde (ou lame X/2) 14 et un polariseur 15, chacun de ces éléments étant individuellement réglable en rotation, soit manuellement soit sous l'effet d'un dispositif de commande 17. On notera que, habituellement, dans le domaine de l'optique anisotrope, on appelle "polariseur" un élément susceptible de fixer la polarisation de la lumière qui le traverse en direction d'un dispositif utilisant cette lumière, et on appelle "analyseur" ce même dispositif quand il est placé du côté du détecteur d'un système, et sert à l'analyse de la polarisation de la lumière qu'il reçoit. Dans la présente description, on utilisera toujours le terme "polariseur", que celui-ci soit placé dans une position où il fixe la polarisation ou dans une position où il analyse la polarisation de la lumière qu'il reçoit, étant donné qu'il s'agit bien du même dispositif matériel. On réservera le terme analyseur à un ensemble d'ana-lyse de l'état de polarisation d'une onde lumineuse, comprenant B7664 3 l'ensemble de la lame X/4 13, de la lame X/2 14 et du polariseur 15. A la sortie du polariseur 15 est disposé un photo-détecteur 19 qui fournit sur une borne 20 un signal propor- tionnel à l'intensité de l'onde incidente sur le polariseur 15 dans la direction de polarisation de ce polariseur. L'homme de l'art comprendra que, en l'absence de champ au niveau du capteur 1, la fibre optique 5 transmettra vers le cristal 1 une onde à polarisation rectiligne selon la direction d'un axe de la fibre à maintien de polarisation (si le polariseur 8 est aligné selon l'un des deux axes de la fibre 5). Cet état de polarisation sera modifié par le cristal anisotrope qui renverra dans la fibre une onde elliptique. L'analyseur 13-15 est réglé en l'absence de champ pour fixer un point de référence. Ensuite, quand un champ est appliqué sur le cristal 1, ceci modifie les indices du cristal et la polarisation de l'onde reçue au niveau de l'analyseur 13-15 se modifie. Cette modification est caractéristique du champ appliqué au niveau du capteur et pourra être détectée par l'analyseur 13-15. On rappellera que l'on ne mesure en fait par ce type de dispositif qu'une composante du champ, parallèle à un vecteur sensibilité caractéristique du cristal électro-optique utilisé. Divers moyens ont été proposés pour optimiser la mesure. Par exemple, on préfèrera que les axes du cristal électro-optique 2 forment un angle de 45 avec les axes de la fibre à maintien de polarisation. Un dispositif du type décrit ci-dessus donne a priori de bons résultats, notamment du fait qu'il permet que les éléments nécessitant la présence de courants électriques, comprenant la source lumineuse 7, le photodétecteur 19 et les circuits non représentés d'analyse de son signal de sortie 20 soient à distance de la zone où l'on mesure le champ. Ainsi, ces éléments ne sont pas perturbés par le champ à mesurer, pas plus qu'ils ne perturbent ce champ. Toutefois, on s'aperçoit que le réglage du dispositif, et notamment le réglage du point de B7664 4 référence susmentionné, dérive considérablement au cours du temps, surtout quand la fibre optique est longue. On a pu noter que ce déréglage est notamment lié aux fluctuations de température. Ainsi, un même champ risque d'être mesuré comme ayant des valeurs différentes si la température a varié sans que l'on s'en aperçoive. Il faut donc effectuer très souvent un réajustement du réglage du point de référence de l'analyseur 13-15 si l'on veut obtenir une mesure fiable, et ce réglage, empirique, est relativement long et difficile. Résumé de l'invention La présente invention vise à pallier au moins certains des inconvénients des dispositifs optiques de mesure de champ. La présente invention vise en outre à prévoir un système d'analyse particulièrement simple à utiliser. La présente invention vise également à fournir non seulement la valeur de l'intensité du champ au niveau de la zone d'analyse mais en outre la température au niveau de cette zone d'analyse. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un dispositif de mesure d'un champ électromagnétique et de la température dans une zone d'analyse, comprenant une source lumineuse envoyant dans une fibre optique à maintien de polarisation un faisceau lumineux polarisé selon un axe de la fibre ; un matériau électro-optique anisotrope disposé dans ladite zone, recevant le faisceau de la fibre optique et renvoyant un faisceau dans cette fibre ; des moyens de déphasage du faisceau renvoyé dans la fibre transformant l'onde elliptique incidente en onde rectiligne ; des moyens d'analyse de l'intensité de ladite onde rectiligne ; une lame X/4 insérée entre la fibre optique et le cristal, ayant ses axes orientés à 45 degrés des axes de la fibre optique, et des moyens de détermination des variations de l'orientation de ladite onde rectiligne en sortie des moyens de déphasage. B7664 Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de déphasage optique comprennent un compensateur de Soleil-Babinet. Un procédé de réglage du dispositif comprend les 5 étapes suivantes : régler l'orientation desdits moyens de déphasage pour obtenir une onde rectiligne en sortie ; détecter l'orientation de ladite onde rectiligne ; et retoucher le réglage des moyens de déphasage si le signal se dérègle par suite d'une variation de température de la fibre. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente schématiquement un dispositif de mesure d'un champ électromagnétique par un cristal à effet 20 électro-optique selon l'art antérieur ; et la figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation d'un dispositif de mesure d'un champ électromagnétique par un cristal à effet électro-optique selon la présente invention. 25 Description détaillée La présente invention, dont un mode de réalisation est illustré en figure 2, utilise un dispositif matériel proche de celui représenté en figure 1 et de mêmes éléments en sont dési- gnés par de mêmes références et ne seront pas décrits à nouveau. 30 La présente invention diffère de l'art antérieur essentiellement par le mode d'utilisation des composants matériels du dispositif. Elle prévoit notamment un dispositif 23 de réglage des éléments déphaseurs 13-14 nettement distinct d'un dispositif 25 de réglage du polariseur, ce dernier dispositif comprenant en 35 outre un moyen de mesure de la position du polariseur, ce qui B7664 6 est symbolisé par la double flèche entre le bloc 25 et le polariseur 15. En outre, la présente invention prévoit de placer entre le cristal et la fibre une lame X/4 22 orientée à 45 des axes de la fibre. Alors, la polarisation envoyée dans le cristal sera une polarisation circulaire et les axes du cristal peuvent être mis à un angle quelconque par rapport aux axes de la fibre et de la lame quart d'onde. On notera qu'il est souvent plus facile de régler l'orientation d'une lame quart d'onde par rapport à une fibre que l'orientation d'un cristal par rapport à cette fibre, le cristal étant toujours délicat à manipuler. Dans ce qui suit, on utilise les notations suivantes : 0 : déphasage introduit par la fibre à maintien de polarisation 5 entre les polarisations alignées selon ses axes diélec-triques propres (ce déphasage varie avec la température de la fibre), Ocp : déphasage introduit entre les polarisations orientées selon les axes diélectriques du cristal par un aller et retour dans le matériau du cristal électro-optique, avec Ap=cPO+cpE, (P0 étant le déphasage lié à l'anisotropie du cristal et cpE le déphasage lié à la présence d'un champ, et en notant en outre que (PE est toujours petit devant 2n, a : angle fixe, quelconque, entre les axes du cristal et les axes de la fibre à maintien de polarisation 5, y : déphasage introduit par le déphaseur correspondant à 25 l'ensemble des lames X/4 13 et X/2 14, et yJ : orientation du polariseur 15. Les inventeurs ont notamment calculé des relations entre les angles définis ci-dessus pour le cas où on impose aux polarisations du dispositif les états suivants : 30 - polariseur 8 orienté selon un axe de la fibre à maintien de polarisation 5, - déphaseur 13, 14 réglé pour qu'il en sorte une onde rectiligne ; B7664 7 polariseur 15 réglé (de préférence) pour qu'il en sorte un signal ayant 50 de l'intensité qu'il aurait en l'absence de ce polariseur. Alors, les inventeurs ont montré que : y = n/2 - (2a + 0), et que, en l'absence de champ : W = n/4 + (P0/2. Ainsi, le réglage du système déphaseur ne dépend que de 0, c'est-à-dire des paramètres de la fibre, tandis que l'orientation du polariseur ne dépend que de (po, c'est-à-dire des paramètres du cristal. En d'autres termes, si le champ sur le détecteur est constant (éventuellement nul) et que la température de la fibre varie, on retrouvera la même orientation de polarisation recti- ligne en ajustant le réglage du déphaseur 13-14. Par contre, si la température du cristal varie, on retrouvera en ajustant le réglage du déphaseur une polarisation rectiligne d'orientation distincte de la polarisation précédente et la variation de l'angle du polariseur 15 indiquera la variation de température. Avec ces réglages, le signal en sortie du photo-détecteur sera égal à (l+sine )/2 dans le cas où on aura réglé le polariseur 15 pour que l'intensité lumineuse de sortie soit la moitié de ce qu'elle serait en l'absence de ce polariseur. En résumé, dans les conditions ci-dessus : la variation angulaire (mesurée ou non) du déphaseur, à polarisation de sortie constante, n'est caractéristique que des variations de température de la fibre, les variations d'orientation du polariseur ne sont fonction que des variations de température du cristal, et les variations du signal de sortie du photodétecteur ne sont fonction que du champ mesuré. On obtient ainsi un dispositif précis de mesure du champ et de la température en un point de l'espace. B7664 8 On notera que la mesure des variations de température associées à des variations de champ peut être particulièrement intéressante dans des applications où l'on cherche à déterminer l'influence d'un champ sur un organisme vivant. Par ailleurs, la présente invention est susceptible de nombreuses particularités ou variantes, parmi lesquelles on peut mentionner, sans caractère limitatif, les suivantes. 1. De façon connue, pour transformer une onde elliptique en onde rectiligne, au lieu d'utiliser pour analyser l'onde reçue une lame X/4 et une lame X/2, on pourra utiliser tout dispositif connu pour permettre d'atteindre ce résultat, par exemple un compensateur de Soleil-Babinet. Ce compensateur pourra être asservi automatiquement par un signal issu du photodétecteur 19 par l'intermédiaire d'un dispositif de contrôle 23. Cet asservissement pourra être réalisé de diverses façons, par exemple en prévoyant une phase initiale de mise en rotation du polariseur et/ou en prévoyant un système à séparation de polarisations. 2 On pourra prévoir un moyen automatique 25 pour commander le réglage de l'angle du polariseur 15 et relever son orientation, divers dispositifs pour obtenir ce résultat étant connus dans la technique. 3. Pour effectuer les réglages, on pourra prévoir que le polariseur peut être mis dans certains cas dans un état de polari- Beur tournant pour bien détecter si l'onde incidente sur le polariseur 15 est à polarisation rectiligne. 4. Si le champ appliqué au capteur 1 est un champ alternatif de fréquence donnée, on réalisera de préférence une détection synchrone du signal de sortie 20 du photodétecteur 19 pour recueillir une indication de la valeur du champ selon l'axe de sensibilité du détecteur. 5. Le cristal électro-optique est un cristal anisotrope, sensi- ble à l'effet Pockels, par exemple du tantalate de lithium. 6. Pour augmenter la sensibilité, on pourra associer au cristal capteur des éléments formant antenne. 5 B7664 9 7. Diverses dispositions pourront être adoptées pour analyser le caractère rectiligne de l'onde sortant du déphaseur 13-14, par exemple des systèmes utilisant des séparateurs de polarisation. Bien entendu, la présente invention est susceptible de toutes autres variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure d'un champ électromagnétique et de la température dans une zone d'analyse, comprenant : une source lumineuse (7) envoyant dans une fibre optique à maintien de polarisation (5) un faisceau lumineux polarisé selon un axe de la fibre ; un matériau électro-optique anisotrope (1) disposé dans ladite zone, recevant le faisceau de la fibre optique et renvoyant un faisceau dans cette fibre ; des moyens (13-14) de déphasage du faisceau renvoyé 10 dans la fibre transformant l'onde elliptique incidente en onde rectiligne ; des moyens (19) d'analyse de l'intensité de ladite onde rectiligne ; caractérisé en ce qu'il comprend en outre : 15 une lame X/4 (22) insérée entre la fibre optique et le cristal, ayant ses axes orientés à 45 degrés des axes de la fibre optique, et des moyens (15, 25) de détermination des variations de l'orientation de ladite onde rectiligne en sortie des moyens de 20 déphasage. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de déphasage optique comprennent un compensateur de Soleil-Babinet 3. Procédé de réglage d'un dispositif selon la reven-25 dication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : régler l'orientation desdits moyens de déphasage pour obtenir une onde rectiligne en sortie ; détecter l'orientation de ladite onde rectiligne ; et 30 retoucher le réglage des moyens de déphasage si le signal se dérègle par suite d'une variation de température de la fibre.