Brevet FR3083876A1 — publié le 20200117

MAGNÉTOMÈTRE VECTORIEL EN ALIGNEMENT À DEUX FAISCEAUX DE SONDE POLARISÉS DIFFÉREMMENT DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de l'invention est celui des magnétomètres à pompage optique. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les magnétomètres à pompage optique utilisent des gaz atomiques confinés dans une cellule, typiquement de l'hélium métastable ou des gaz d'alcalins, en tant qu'élément sensible. Ces magnétomètres, qui peuvent prendre différentes configurations, permettent de remonter au champ magnétique en exploitant les trois processus suivants qui ont lieu de façon soit séquentielle soit concomitante : 1) L'utilisation de sources de lumière polarisée, typiquement des lasers, permet de préparer des états atomiques caractérisés par une certaine orientation ou alignement de leurs spins. Ce processus reçoit le nom de « pompage optique » dans le domaine. 2) Ces états atomiques évoluent sous l'effet du champ magnétique, notamment sous l'effet Zeeman qui correspond à des décalages des niveaux d'énergie en fonction du champ magnétique auquel sont soumis les atomes. 3) Les propriétés optiques du milieu atomique subissent alors des modifications qui dépendent de l'état des atomes. On peut ainsi par une mesure optique, par exemple par une mesure d'absorption optique, remonter au décalage Zeeman subi, et en déduire une mesure du champ magnétique dans lequel est plongée la cellule. Selon les différentes configurations possibles des magnétomètres à pompage optique existants, on distingue une mesure du module, aussi appelée norme, du champ magnétique pour les magnétomètres scalaires, ou une détermination des différentes composantes du champ magnétique pour les magnétomètres vectoriels, à l'emplacement de la cellule. 2 Le niveau de sensibilité, aussi appelé bas bruit, et de justesse atteignables avec de tels magnétomètres à pompage optique sont très remarquables et nettement plus favorables que ceux de la plupart des autres technologies de mesure magnétique (fluxgate, effet Hall, magnétorésistance, etc.). Seul le magnétomètre de type SQUID possède un bruit semblable, mais il requiert un refroidissement cryogénique de l'élément sensible, qui contient des éléments nécessitant d'être supraconducteurs pour son fonctionnement, ce qui restreint son champ d'application pratique. Pour réaliser une mesure vectorielle du champ magnétique avec une bande passante large, il existe deux configurations bien connues : la première dite « à 10 effet Hanle » et la deuxième qui reçoit le nom de « magnétomètre à résonance paramétrique ». Ces configurations sont décrites notamment dans l'article de J. Dupont-Roc, "Détermination par des méthodes optiques des trois composantes d'un champ magnétique très faible," Revue de Physique Appliquée, vol. 5, no. 6, pp. 853-864,1970. Elles fonctionnent à des valeurs de champ magnétique extérieur très faibles, induisant un 15 décalage Zeeman plus faible que le taux de relaxation des sous-niveaux Zeeman de l'atome, ce qui pour le cas de l'hélium fixe une limite autour de 100 nano Tesla, soit 500 fois moins intense que le champ magnétique terrestre. Lorsqu'un faible champ magnétique statique transverse est appliqué à la cellule et balayé autour de zéro, les atomes sous soumis à un mouvement de précession 20 et le nombre de photons absorbés, provenant du laser de pompage optique, subit des variations résonantes (effet Hanle). Des résonances analogues, appelées résonances paramétriques, sont observées lorsqu'un champ radiofréquence est appliqué. Dans ces conditions, le moment magnétique de chaque atome subit des oscillations résonantes aux fréquences multiples de celle du champ radiofréquence. La mesure de l'amplitude de ces 25 oscillations permet de remonter au module de la composante du champ magnétique colinéaire au champ radiofréquence. Le magnétomètre à effet Hanle a néanmoins pour inconvénients d'être sensible au bruit basse fréquence du laser de sonde et de reposer sur au moins deux accès optiques orthogonaux à la cellule de mesure, ce qui le rend encombrant et complexe à réaliser. Un tel magnétomètre, basé sur un pompage en polarisation 3 circulaire, est par exemple décrit dans J. C. Allred, R. N. Lyman, T. W. Kornack, and M. V. Romalis, "High-Sensitivity Atomic Magnetometer Unaffected by Spin-Exchange Relaxation," Phys. Rev. Lett., vol. 89, no. 13, p. 130801, Sep. 2002. Quant au magnétomètre à résonance paramétrique, s'il permet d'éviter des remontées de bruit typiquement présentes autour de la fréquence nulle en l'aide du ou des champs radiofréquence utilisés pour réaliser la modulation de fréquence des résonances magnétiques ainsi que de mesurer selon plusieurs axes sensibles en utilisant deux champs radiofréquence, il présente les inconvénients suivants : Son niveau de signal est dégradé du fait de présence du ou des champs RF, les 10 amplitudes des signaux se retrouvant en effet multipliées par des combinaisons de fonctions de Bessel de première espèce inférieures à 1 ; Lorsque le magnétomètre est disposé avec d'autres magnétomètres du même type pour former un réseau (par exemple dans le but de réaliser de l'imagerie magnétique), les champs radiofréquence de chaque magnétomètre qui sont créés 15 par des bobines autour de l'élément sensible peuvent affecter les magnétomètres voisins par le biais d'un couplage résiduel qui peut modifier notamment la direction de mesure de ceux-ci. EXPOSÉ DE L'INVENTION On cherche d'une manière générale à disposer d'un magnétomètre dont 20 le rapport signal-à-bruit est le plus important possible. C'est notamment le cas dans des applications du magnétomètre où la mesure de champ magnétique sert à déduire la position de sources de champ (courants ou matériaux magnétiques) et où un rapport signal à bruit trop faible est susceptible d'induire de fortes incertitudes sur les grandeurs de ces sources ou leur localisation. 25 A cet effet, l'invention propose un magnétomètre vectoriel comprenant une cellule destinée à être remplie d'un gaz atomique, une source optique et un dispositif de photo-détection. La source optique est configurée pour émettre en direction de la cellule un premier et un deuxième faisceau optique, dits faisceaux de sonde (Fsy, Fsz), qui sont polarisés linéairement et un troisième faisceau optique, dit 4 faisceau de pompe (Fp), polarisé linéairement au moins partiellement. Les directions de polarisation des faisceaux de sonde et la direction de polarisation du faisceau de pompe n'étant pas coplanaires. Le dispositif de photo-détection est configure pour recevoir la lumière des faisceaux de sonde ayant traversés la cellule. 5 De telle sorte, l'invention propose un magnétomètre à effet Hanle peu sensible au bruit basse fréquence et qui présente deux voire trois axes sensibles sans pour autant être soumis aux inconvénients introduits par le ou les champs radiofréquence d'excitation de la résonance paramétrique. Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce magnétomètre sont 10 les suivants : - la source optique est configurée pour que les faisceaux de sonde se propagent selon une même direction de propagation et soient modulés différemment, le dispositif de photo-détection comportant un photodétecteur agencé pour recevoir la lumière ayant traversée la cellule dans la direction de propagation des faisceaux de sonde ; 15 - les faisceaux de sonde sont modulés à des fréquences différentes ; - les faisceaux de sonde sont modulés à une même fréquence avec des phases en quadrature ; - les faisceaux de sonde sont modulés en amplitude ou en polarisation ; - la direction de polarisation du faisceau de pompe forme un angle de 45°±10° avec 20 la direction de polarisation de chacun des faisceaux de sonde ; - la direction de propagation des faisceaux de sonde étant selon l'axe Ox d'un repère orthonormé Oxyz, le premier faisceau optique présente une direction de polarisation selon l'axe Oy du repère orthonormé et le deuxième faisceau optique présente une direction de polarisation qui forme un angle de 60° avec la direction de la 25 polarisation du premier faisceau optique ; - la direction de propagation du faisceau de pompe forme un angle avec la direction de propagation des faisceaux de sonde qui est compris entre 35,3° et 70°, de préférence entre 35,3° et 45°; - la source optique est configurée pour émettre en direction de la cellule un 30 quatrième faisceau optique qui présente une polarisation linéaire qui forme un angle de 5 4500±100 avec la direction de propagation du faisceau de pompe et un angle de 900 avec la direction de polarisation du faisceau de pompe. L'invention porte également sur un procédé de mesure d'un champ magnétique à l'aide d'un tel magnétomètre. 5 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : 10 la figure 1 est un schéma d'un magnétomètre conforme à l'invention ; - les figures 2a et 2b illustrent la sensibilité d'un faisceau de sonde à différentes composantes du champ magnétique ambiant en fonction de la direction de polarisation du faisceau de sonde ; - la figure 2c et la figure 3 représentent des directions optimales de polarisation de 15 faisceaux de sonde dans deux repères différents ; - la figure 4 est un schéma illustrant une propagation possible des faisceaux de pompe et de sonde dans un magnétomètre selon l'invention ; - la figure 5 est un schéma d'une cellule de volume optimisé pouvant être utilisée dans un magnétomètre selon l'invention. 20 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS En référence à la figure 1, l'invention porte sur un magnétomètre vectoriel à pompage optique 10 qui comprend une cellule 1 remplie d'un gaz atomique apte à être polarisé en alignement, par exemple de l'hélium-4 ou un gaz alcalin, et qui est soumis à un champ magnétique ambiant Bo. 25 La cellule est éclairée par une source optique qui comprend notamment un élément de pompage 2 apte à émettre en direction de la cellule 1 un faisceau de lumière Fp, par exemple un faisceau laser, accordé à une longueur d'onde de pompage (ce faisceau est ainsi également désigné dans ce qui suit par le terme de faisceau de 6 pompe). La longueur d'onde de pompage est calée sur une raie de transition atomique, par exemple sur la raie Do à 1083 nm dans le cas de l'hélium-4. Dans le cas où l'élément sensible est l'hélium-4, le magnétomètre 10 comporte par ailleurs un système de décharge haute fréquence (HF), comprenant un générateur HF 4 et des bobines de surtension 5, pour amener les atomes du gaz atomique dans un état énergisé où ils sont aptes à subir la transition atomique lorsqu'ils sont éclairés par le faisceau de pompe Fp, typiquement dans l'état métastable 23Sj. Le faisceau de pompe Fp est polarisé au moyen d'un dispositif de polarisation 3 intercalé entre l'élément de pompage 2 et la cellule 1 ou directement 10 intégré à l'élément de pompage 2. Dans le cadre de l'invention, le faisceau de pompe Fp est polarisé linéairement, partiellement ou totalement, ce qui induit des états atomiques dits « alignés » dans la cellule 1, l'axe d'alignement étant fixé par la direction du champ électrique de la lumière utilisée pour le pompage. Par partiellement polarisé, on entend que le faisceau de pompe Fp est en partie polarisé linéairement et en partie dépolarisé, 15 ses paramètres de Stokes étant alors tels que 51+52+53 REVENDICATIONS1. Magnétomètre vectoriel (10) comprenant une cellule (1) destinée à être remplie d'un gaz atomique, une source optique et un dispositif de photo-détection, caractérisé en ce que la source optique (2, 3, 9, 11) est configurée pour émettre en direction de la cellule : - un premier et un deuxième faisceau optique, dits faisceaux de sonde (Fsy, Fsz), qui sont polarisés linéairement, - un troisième faisceau optique, dit faisceau de pompe (Fp), polarisé linéairement au moins partiellement, - les directions de polarisation des faisceaux de sonde et la direction de polarisation du faisceau de pompe n'étant pas coplanaires, et en ce que le dispositif de photo-détection (6) est configuré pour recevoir la lumière (L) des faisceaux de sonde ayant traversés la cellule. 2. Magnétomètre vectoriel (10) selon la revendication 1, dans lequel la source optique est configurée pour que les faisceaux de sonde se propagent selon une même direction de propagation et soient modulés différemment, et dans lequel le dispositif de photo-détection comporte un photodétecteur agencé pour recevoir la lumière ayant traversée la cellule dans la direction de propagation des faisceaux de sonde. 3. Magnétomètre vectoriel (10) selon la revendication 2, dans lequel les faisceaux de sonde sont modulés à des fréquences différentes. 4. Magnétomètre vectoriel (10) selon la revendication 2, dans lequel les faisceaux de sonde sont modulés à une même fréquence avec des phases en quadrature. 15 5. Magnétomètre vectoriel selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel les faisceaux de sonde sont modulés en amplitude ou en polarisation. 6. Magnétomètre vectoriel selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel la 5 direction de polarisation du faisceau de pompe forme un angle de 450±100 avec la direction de polarisation de chacun des faisceaux de sonde. 7. Magnétomètre selon la revendication 6, dans lequel la direction de propagation des faisceaux de sonde étant selon l'axe Ox d'un repère orthonormé 10 Oxyz, le premier faisceau optique présente une direction de polarisation selon l'axe Oy du repère orthonormé et le deuxième faisceau optique présente une direction de polarisation qui forme un angle de 60° avec la direction de la polarisation du premier faisceau optique. 15 8. Magnétomètre vectoriel selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel la direction de propagation du faisceau de pompe forme un angle avec la direction de propagation des faisceaux de sonde qui est compris entre 35,3° et 70°, de préférence entre 35,3° et 45°. 20 9. Magnétomètre vectoriel selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel la source optique est configurée pour émettre en direction de la cellule un quatrième faisceau optique qui présente une polarisation linéaire qui forme un angle de 45"±10° avec la direction de propagation du faisceau de pompe et un angle de 90° avec la direction de polarisation du faisceau de pompe. 25 10. Magnétomètre vectoriel selon l'une des revendications 1 à 9, comprenant en outre un système d'asservissement en boucle fermé du magnétomètre pour le faire fonctionner en champ nul. 11. Procédé de mesure d'un champ magnétique à l'aide d'un magnétomètre vectoriel (10) comprenant une cellule (1) remplie d'un gaz atomique soumis à un 16 champ magnétique ambiant, une source optique et un dispositif de photo-détection, le procédé comprenant : l'émission, par la source optique, en direction de la cellule : o d'un premier et un deuxième faisceau optique, dits faisceaux de sonde, qui sont polarisés linéairement, o d'un troisième faisceau optique, dit faisceau de pompe, polarisé linéairement totalement ou partiellement, o ladite émission étant réalisée de telle manière que les directions de polarisation des faisceaux de sonde et la direction de polarisation du 10 faisceau de pompe ne sont pas coplanaires ; et - la détection, à l'aide du dispositif de photo-détection, de la lumière des faisceaux de sonde ayant traversés la cellule. 15