Brevet FR2902523A1 — publié le 20071221

B7729 1 SONDE ELECTROùOPTIQUE DE MESURE VECTORIELLE D'UN 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 15 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- 20 sation elliptique. Pour ne pas alourdir la présente description, on parlera, comme cela est souvent effectué dans la pratique, 10 B7729 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 B7729 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 détecteur 19 qui fournit sur une borne 20 un signal proportionnel 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 photorécepteur 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 B7729 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 et notamment à s'abstraire des effets induits par une variation de température de la fibre. La présente invention vise en outre à prévoir un système d'analyse particulièrement simple à utiliser. La présente invention vise également à fournir deux composantes du champ au niveau de la zone d'analyse. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un dispositif de mesure de deux composantes d'un champ électromagnétique 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 isotrope disposé dans ladite zone, recevant le faisceau de la fibre optique par l'intermédiaire d'une lame X/4 ayant ses axes orientés à un angle de 45 des axes de la fibre optique et renvoyant un faisceau dans cette fibre, cette lame étant légère- ment déréglée quant à sa caractéristique ou à son orientation ; des moyens de déphasage du faisceau renvoyé dans la fibre réglés pour imposer un déphasage égal et opposé à celui imposé entre les deux polarisations alignées selon les axes diélectriques propres de la fibre ; des moyens d'analyse de l'orientation et de l'ellipticité de l'onde sortant des moyens de déphasage, l'orientation et l'ellipticité étant liées par des relations non B7729 triviales à l'orientation et à l'intensité du champ dans la zone d'analyse. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens d'analyse comprennent une lame X/4, et des polari- 5 Beurs respectivement disposés sur deux voies distinctes entre la lame quart d'onde et des détecteurs d'intensité. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de déphasage comprennent une lame X/4 et une lame X/2. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de déphasage comprennent un compensateur de Soleil-Babinet. Un procédé de réglage des moyens de déphasage du dispositif comprend les étapes suivantes : disposer un polariseur derrière les moyens de déphasage à 45 de la polarisation de référence définie par un axe de la fibre, et régler les moyens de déphasage pour que le polariseur transmette la moitié de la lumière qu'il reçoit. 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 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. Description détaillée La présente invention, dont un mode de réalisation est 35 illustré en figure 2, utilise un dispositif matériel dont B7729 6 certains éléments sont identiques à ceux représentés en figure 1. Ces éléments sont désignés par de mêmes références et ne seront pas décrits à nouveau. Selon la présente invention, on utilise comme cristal à effet électro-optique un cristal 21, isotrope en l'absence de champ et qui devient anisotrope en présence de champ, par exemple un cristal du type arséniure de gallium ou tellure de zinc. Entre le cristal 21 et la fibre 5 est insérée une lame quart d'onde 22 orientée à 45 des axes de la fibre. Cette lame doit ou bien n'être pas exactement quart d'onde ou bien ne pas être orientée exactement à 45 des axes de la fibre. Alors, la polarisation envoyée dans le cristal sera une polarisation quasi circulaire. 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. Le faisceau renvoyé par le cristal 21 dans la fibre 5 est dévié par la séparatrice 11 vers un ensemble déphaseur comprenant par exemple une lame quart d'onde (ou lame X/4) 13 et une lame demi onde (ou lame X/2) 14. On notera que, en l'absence de champ, le cristal 21 étant isotrope, l'onde sortant de la séparatrice 11 serait rectiligne si la lame 22 était parfaite-ment quart d'onde et exactement à 45 . En raison du caractère volontairement imparfait de la lame X/4 22, cette onde est légèrement elliptique, présentant par exemple une composante orthogonale ayant une intensité de quelques pourcents de sa composante principale. Le faisceau de sortie du déphaseur 13-14 est envoyé vers un polariseur 15 et un détecteur 19. Et l'inventeur a pu montrer que l'état de polarisation en sortie de l'ensemble déphaseur, quand un champ électrique est appliqué sur le cristal 21, est donné par les expressions suivantes : J(a+7+9) Ex=(1-eJ E)•e 2 y+B Ey = (1 + eJ E) . e+~(a+ 2 ) (1) B7729 7 en utilisant les notations suivantes : j : le nombre dont le carré est égal à -1, Ex, Ey : composantes orthogonales de polarisation, 0 : déphasage introduit par la fibre à maintien de polarisa- tion 5 entre les polarisations alignées selon ses axes diélectriques propres (ce déphasage varie avec la température de la fibre), cPE : déphasage introduit en présence d'un champ entre les polarisations orientées selon les axes diélectriques du cristal par un aller et retour dans le matériau du cristal électro-optique, en notant que cf:IF est toujours très petit devant 2n, y : déphasage introduit par le déphaseur correspondant à l'ensemble des lames X/4 13 et X/2 14, et a : valeur angulaire dépendant de l'orientation du champ électromagnétique par rapport aux axes du cristal 21. On voit que, si on règle y égal à -0, l'état de polari- sation à la sortie de l'analyseur 13-14 devient indépendant de 0, c'est-à-dire des paramètres de la fibre optique, et notamment 20 des variations 0, c'est-à-dire de la température de la fibre. Les équations (1) deviennent alors : Ex=(1-eJç0E)eJa Ey = (1 + eJÇPE )eia (2) On notera en outre que, comme (PE est toujours très 25 petit devant 1, l'onde obtenue est pratiquement rectiligne. Pour s'assurer que y = -0, selon un exemple de réalisation de la présente invention, on mesure l'intensité reçue par le détecteur 19 situé derrière le polariseur 15. Cette intensité I est donnée par : 30 I = cos2I + ôsin(y + 0)sin2I (3) où . y1 définit l'orientation du polariseur 15, 5 définit le déphasage lié à l'imperfection de la lame 22. B7729 8 Si on règle le polariseur 15 à 45 de la direction de polarisation imposée par le polariseur d'entrée 8, l'équation (3) devient : I = 1/2 + ôsin(y + 0) (4) Ainsi on vérifie que la condition y = -0 est satisfaite quand, à la suite du réglage de l'analyseur 13-14, la puissance à la sortie du polariseur 15 (réglé à 45 ) est égale à la moitié de ce qu'elle serait en l'absence de ce polariseur. La sortie du détecteur 19 peut être utilisée par un contrôleur 23 agissant sur l'analyseur 13-14 pour que cette condition soit en permanence satisfaite. Alors, comme on l'a indiqué précédemment, le signal analysé sera indépendant des variations de température de la fibre 5. En outre, l'onde de sortie de l'analyseur 13-14, qui 15 est donnée par : Ex = (1- ei( E )e-Ja Ey = (1 + eiç0E )eia (2) est déviée par une séparatrice 31 vers un dispositif d'analyse de cette ellipticité. 20 Rappelons que (PE caractérise l'intensité du champ sur le capteur 21 et que a caractérise l'orientation du champ par rapport aux axes du cristal 21. (PE et a sont reliés par des relations non triviales à l'ellipticité et à l'orientation par rapport à la direction de référence de polarisation de l'onde 25 sortie du déphaseur De nombreux types d'analyseurs de polarisation pourront être utilisés pour déterminer (PE et a. Un exemple en est donné en figure 2 et comprend une lame X/4 32 transformant l'onde elliptique aplatie en une onde quasi circulaire, et cette 30 onde quasi circulaire est envoyée par l'intermédiaire d'une séparatrice 33 sur deux voies, vers des détecteurs S1 et S2 par l'intermédiaire de polariseurs P1 et P2 d'orientation y11 et yf2. Sur les détecteurs S1 et S2, on obtient des signaux respectifs P1 et P2 tels que : 35 Pi = [1 - sincpE.cos2 ('i+a) ] /2, avec i = 1 ou 2. B7729 9 Alors, en prenant par exemple y11=0 et yy2=n/4, on obtient : sin% = [(2P1 - 1)2 + (2P2 - 1)2]1/2, et tan2a = -(2P2 - 1)/(2P1 - 1) Par ailleurs, la présente invention est susceptible de 5 nombreuses particularités ou variantes, parmi lesquelles on peut mentionner, sans caractère limitatif, les suivantes. 1. Pour déphaser l'onde reçue, au lieu d'utiliser une lame X/4 13 et une lame X/2 14, on pourra utiliser tout dispositif de déphasage connu, par exemple un compensateur de SoleilBabinet. Ce compensateur sera plus facile à asservir par le dispositif de contrôle 23. 2. Si le champ appliqué au capteur 21 est un champ alternatif de fréquence donnée, on réalisera de préférence des détections synchrones du signal de sortie des capteurs S1 et S2. 15 3. Pour augmenter la sensibilité, on pourra associer au cristal capteur des éléments formant antenne. L'homme de l'art aura compris qu'il est équivalent de parler de mesure de deux composantes d'un champ, ou de mesure de l'intensité d'un champ et de son orientation, ou de mesure 20 vectorielle d'un champ. 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 de deux composantes d'un champ électromagnétique 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 isotrope (21) disposé dans ladite zone, recevant le faisceau de la fibre optique par l'intermédiaire d'une lame X/4 (22) ayant ses axes orientés à un angle de 45 des axes de la fibre optique et renvoyant un faisceau dans cette fibre, cette lame étant légèrement déréglée quant à sa caractéristique ou à son orientation ; des moyens (13-14) de déphasage du faisceau renvoyé dans la fibre réglés pour imposer un déphasage (y) égal et opposé à celui (0) imposé entre les deux polarisations alignées selon les axes diélectriques propres de la fibre ; et des moyens d'analyse de l'orientation et de l'ellipticité de l'onde sortant des moyens de déphasage, l'orientation et l'ellipticité étant respectivement liées à l'orientation et à l'intensité du champ dans la zone d'analyse. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens d'analyse comprennent une lame X/4 (32) et des polariseurs (P1, P2) respectivement disposés sur deux voies distinctes entre la lame quart d'onde et des détecteurs d'intensité (Si, S2). 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de déphasage comprennent une lame X/4 (13) et une lame X/2 (14). 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de déphasage comprennent un compensateur de Soleil-30 Babinet. 5. Procédé de réglage des moyens de déphasage d'un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :B7729 11 disposer un polariseur (15) derrière les moyens de déphasage à 45 de la polarisation de référence définie par un axe de la fibre, et régler les moyens de déphasage pour que le polariseur 5 transmette la moitié de la lumière qu'il reçoit.