Brevet FR3090890A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Magnétomètre à pompage optique d'un élément sensible avec une lumière polarisée linéairement et multi- passage dans l'élément sensible Domaine technique 100011 Le domaine de l'invention est celui des magnétomètres à pompage optique, et plus particulièrement celui des magnétomètres à pompage réalisé avec une lumière polarisée linéairement. L'invention trouve application pour l'imagerie des champs biomagnétiques au moyen d'un réseau de magnétomètres, notamment en magnétocardiagraphie ou en magnétoencéphalographie. Technique antérieure [0002] Les magnétomètres à pompage optique utilisent un gaz atomique confiné 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. [0003] On distingue deux grandes catégories de magnétomètres à pompage optique selon le type de pompage réalisé. [0004] Dans la catégorie la plus répandue, le pompage est réalisé avec un faisceau de pompe émettant une lumière à polarisation circulaire et le gaz atomique acquiert un état dit orienté caractérisé par une valeur moyenne non nulle de son moment magnétique selon un axe, qui se trouve être celui de propagation du faisceau de pompe. [0005] Dans l'autre catégorie, le pompage est réalisé avec un faisceau de pompe émettant une lumière en polarisation linéaire et le gaz atomique acquiert un état dit aligné ca- 2 ractérisé par une valeur nulle de son moment magnétique, mais par une valeur non nulle d'une grandeur du type (3 FLN - F2) où F est le moment cinétique total et Fz le moment cinétique le long de la direction de polarisation du faisceau de pompe. [0006] La caractérisation des états atomiques (étape 3 ci-dessus) peut être réalisée selon au moins deux schémas : en mesurant l'absorption du faisceau utilisé pour le pompage ou d'un faisceau dit « sonde » accordé à la transition atomique considérée et de même polarisation que le faisceau utilisé pour le pompage ; en utilisant un faisceau dit « sonde » de polarisation linéaire et décalé en longueur d'onde par rapport à la transition atomique considérée. Selon le type de polarisation atomique (orientation ou alignement), ce faisceau subit une modification de sa polarisation (rotation du plan de polarisation dans le cas de l'orientation, création d'une composante polarisée circulairement dans le cas de l'alignement) qui peut être mesurée en séparant deux des états de polarisation du faisceau (les deux polarisations à 45° dans le cas de l'orientation, les deux polarisations circulaires dans le cas de l'alignement) puis en les photo-détectant de manière à identifier l'accroissement d'une des polarisations par rapport à l'autre. On parle alors de mesure polarimétrique. [0007] Dans les deux schémas, il est fréquent que la limite de bruit du magnétomètre provienne du bruit de photons (aussi dénommé show-noise dans la littérature anglo-saxonne) qui résulte de la nature discrète des photons qui sont photo-détectés. Il est donc souhaitable pour améliorer le niveau de bruit du capteur d'augmenter l'impact que les propriétés atomiques ont sur les variations des signaux lumineux qui sont photo-détectés après leur passage dans la cellule. Une possibilité pour cela est d'allonger le chemin optique parcouru par la lumière dans la cellule contenant le gaz atomique. Cependant, étant donné que dans des nombreuses applications la taille du capteur doit être réduite, il est nécessaire d'obtenir ce gain de signal par une autre méthode. [0008] Des travaux réalisés à l'Université de Princeton sur des magnétomètres basés sur l'orientation atomique et divulgués notamment dans l'article « Optical rotation in excess of 100 rad generated by Rb vapor in a multipass tell » de S. Li et al., Phys. Rev. A 84, 061403 (2011), ont démontré la possibilité d'obtenir un tel gain au moyen d'une cavité multi-passage dans laquelle la lumière d'un faisceau de sonde parcourt plusieurs fois le milieu atomique. Cette cavité est une cavité délimitée par deux miroirs paraboliques désaxés, dont l'un présente une ouverture transparente de petite taille en son centre. Un faisceau lumineux légèrement divergent est envoyé par ce trou. Ce faisceau subit une expansion progressive dans la cavité, atteint une taille maximale puis reconverge jusqu'à ressortir par le même trou. Si cette architecture permet de réaliser un 3 nombre important de passages et d'atteindre un gain très significatif de signal à bruit, l'agencement des miroirs est assez complexe à réaliser. [0009] Par ailleurs, comme le faisceau subit une expansion progressive, la première tra- jectoire de propagation est tellement étroite que les atonies se trouvant dans le volume de celle-ci contribuent de façon beaucoup plus marquée au signal que tous les autres. Des niveaux de bruit nettement moins bons que ceux escomptés sont ainsi obtenus. Une solution pour enrayer le problème consiste à exclure les atomes du volume de cette première trajectoire de propagation, par exemple en ne disposant l'élément sensible que dans une moitié de la cavité multi-passage. Mais dans ce cas, à volume constant de l'élément sensible, il est difficile de pouvoir réduire la taille du magnétomètre. [0010] Comme décrit dans l'article de F. Bcato et al. initulé « Thcory of a 4He parametric- resonance magnetometer based on atomic alignmcnt, Physical Review A 98, 053431 (2018), les magnétomètres réalisant un pompage en polarisation linéaire présentent des avantages significatifs par rapport aux magnétomètres réalisant un pompage en polarisation circulaire. Ces avantages sont notamment une meilleure résolution sur certains axes de mesure et une sensibilité moindre à des phénomènes indésirables, notamment le phénomène connu comme « light-shift » ou « AC-Stark shift » selon lequel une lumière polarisée circulairement et non parfaitement accordée à une transition atomique se comporte comme un champ magnétique fictif perturbant le comportement des atomes. Ces avantages rendent ces magnétomètres en alignement particulièrement intéressants pour l'imagerie des champs biomagnétiques au moyen d'un réseau de magnétomètres, notamment en magnétocardiographie ou en magnétoencéphalographie. Exposé de l'invention [0011] L'invention vise à accroitrc le niveau de signal, et de là le rapport signal-à-bruit, d'un magnétomètre à pompage en polarisation linéaire. Elle propose à cet effet un magnétomètre à pompage optique réalisé avec une lumière polarisée linéairement, comprenant une cellule remplie d'un gaz atomique et un détecteur configure pour délivrer un signal porteur d'une information relative à un état d'alignement des atomes du gaz atomique dans la cellule. Le magnétomètre comprend un collimateur agencé pour collimater un faisceau de lumière avant qu'il n'éclaire la cellule et un miroir agencé pour réfléchir le faisceau de lumière collimaté après qu'il ait traversé la cellule de sorte que le faisceau de lumière collimaté réalise un multi-passage à travers la cellule en venant éclairer plusieurs fois une même région de la cellule. [0012] Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce magnétomètre sont les suivants : [0013] - le miroir fait face au collimateur ; [0014] - le miroir est agencé sur une surface de la cellule ; 100151 - le miroir est un miroir plan ; [0016] - il comprend une sonde de mesure qui comporte un compartiment de mesure dans lequel est agencée la cellule et, empilé sur le compartiment de mesure, un compartiment optique dans lequel est agencé le collimateur ; [0017] - il comprend une source optique qui génère le faisceau de lumière, le compartiment optique dispose d'une entrée optique pour le faisceau de lumière et d'un polariseur linéaire interposé entre l'entrée optique et le collimateur ; [0018] - le comportement optique dispose d'une sortie optique pour le faisceau de lumière après le multi-passage à travers la cellule, la sortie optique étant optiquement couplée au détecteur ; [0019] - le détecteur comprend une photodiode agencée dans le compartiment optique pour photo-détecter le faisceau de lumière après le multi-passage à travers la cellule ; [0020] - un ou plusieurs miroirs auxiliaires sur lesquels le faisceau de lumière collimaté est incident sont agencés dans le compartiment optique pour participer au multi-passage du faisceau de lumière collimaté à travers la cellule ; [0021] - une direction de polarisation du faisceau de lumière est invariante lors du multi- passage à travers la cellule. [0022] L'invention porte également sur un dispositif de magnétométrie, par exemple un ma- gnétocardiographe ou en magnétoencéphalographe, qui comprend une pluralité de magnétomètres selon l'invention agencés en réseau. Brève description des dessins l0023.1 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 : l0024.1 [fig.1] représente une sonde de mesure d'un magnétomètre selon un mode de réalisation possible de ; l0025.1 [fig.2] représente une configuration optique pouvant être exploitée dans l'invention pour réaliser quatre passages du faisceau de lumière à travers la cellule ; [0026] [fig.3] représente une autre configuration optique pouvant être exploitée dans l'invention pour réaliser quatre passages du faisceau de lumière à travers la cellule ; [0027] [fig.4] représente une configuration optique pouvant être exploitée dans l'invention pour réaliser huit passages du faisceau de lumière à travers la cellule. Description des modes de réalisation [0028] L'invention porte sur un magnétomètre à pompage optique réalisée avec une lumière polarisée linéairement. En référence à la figure 1, le magnétomètre 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. Le magnétomètre comprend par ailleurs une source optique qui délivre un faisceau de lumière qui va éclairer la cellule et un détecteur qui délivre un signal porteur d'une information relative à l'état (l'alignement des atomes du gaz atomique dans la cellule à une électronique de traitement qui exploite ce signal pour fournir une mesure du champ ambiant. [0029] Dans un mode de réalisation privilégiée de l'invention, le faisceau optique délivré par la source optique remplit à la fois le rôle d'une pompe pour que les atomes du gaz atomique subissent une transition atomique et le rôle d'une sonde car son absorption lors de la traversée de la cellule porte de l'information sur l'état de atomes qui à son tour contient de l'information sur le champ magnétique auquel sont soumis les atomes. [0030] Dans le cadre de ce mode de réalisation privilégié, le faisceau optique est ainsi accordé en longueur d'onde au centre d'une rait de transition atomique, par exemple sur la raie Do à 1083 nm dans le cas de l'hélium-4. [0031] Dans un autre mode de réalisation de l'invention, on exploite, d'une part, un faisceau de pompe accordé en longueur d'onde au centre d'une raie de transition atomique et, d'autre part, le faisceau optique délivré par la source optique qui est ici décalé en longueur d'onde par rapport à la transition atomique considérée pour jouer le rôle d'un faisceau de sonde. La mesure réalisée n'est plus alors une mesure d'absorption mais une mesure polarimétrique. [0032] Dans chacun de ces modes de réalisation, le pompage et le sondage sont réalisés avec une lumière polarisée linéairement. On décrit dans ce qui suit en référence à la figure 1 le mode de réalisation privilégié exploitant un unique faisceau et une mesure d'absorption. [0033] La source optique est typiquement un laser, par exemple une diode semi-conductrice. Le faisceau optique délivré par la source optique est polarisé au moyen d'un polariseur rectiligne 8 intercalé entre la source et la cellule 1 ou directement intégré à la source. Le faisceau qui traverse la cellule est ainsi polarisé linéairement, 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. Dans ce qui suit, on considère un trièdre de référence XYZ avec l'axe Z aligné sur la direction de polarisation linéaire du faisceau. [0034] Afin d'accroitre le niveau de signal du magnétomètre à pompage en polarisation 6 linéaire, l'invention propose d'augmenter la longueur effective d'interaction entre le gaz atomique sensible située dans la cellule et la lumière du faisceau optique qui est exploité pour mesurer son état d'alignement. L'invention propose plus particulièrement de mettre en oeuvre une cavité multi-passage qui ne présente pas les inconvénients de la cavité de l'Université de Princeton et qui est adaptée à un pompage en polarisation linéaire. Ainsi, selon l'invention le magnétomètre comprend un collimateur 2 agencé pour collimater le faisceau de lumière avant qu'il n'éclaire la cellule et un miroir 3 agencé pour réfléchir le faisceau de lumière collimaté après qu'il ait traversé la cellule de sorte que le faisceau de lumière collimaté réalise un multi-passage à travers la cellule en venant éclairer plusieurs fois une même région de la cellule. [0035] Le faisceau de lumière qui réalise ces allers-retours étant collimaté, c'est-à-dire qu'il ne présente ni convergence ni divergence de plus de 5n, il parcourt un maximum du volume de la cellule à chaque passage. Sa section est de préférence sensiblement semblable à celle de la cellule (par exemple pour une cellule tubulaire de lcm de diamètre, la section du faisceau est d'au moins 5 mm) ce qui permet à chaque passage de sonder une portion significative du gaz atomique et de là d'atteindre un gain significatif en termes de rapport signal-à-bruit. [0036] Ces allers-retours s'opèrent ainsi au sein d'une cavité multi-passage qui, contrairement à d'autres types de cavités telles que des Fabry-Pérot, n'est pas résonante de sorte que son comportement est ainsi largement indépendant de la longueur d'onde de la lumière. Ceci est souhaitable pour rendre le magnétomètre robuste par exemple à des dérives lentes de longueur d'onde de la lumière telles que celles qui sont constatées sur de nombreux lasers commerciaux. [0037] Comme c'est le cas en figure 1, le miroir 3 peut directement faire face au collimateur. Le miroir 3 peut être directement agencé sur une surface de la cellule. Le miroir 3 peut par exemple être déposé sur la surface de la cellule sous la forme d'un empilement de couches milices diélectriques ou d'un empilement mixte diélectrique/métal, ce qui permet de rendre le miroir et son positionnement parfaitement reproductible lorsque la cellule l'est également, par exemple car réalisée par des procédés de collage moléculaire. [0038] Le miroir 3 est de préférence un miroir plan ou quasi-plan (par quasi-plan, on entendu que le rayon de courbure du miroir est au moins 20 fois, de préférence au moins 100 fois, supérieur au diamètre du miroir). Un tel miroir est effectivement peu épais (son épaisseur est par exemple de 0,5mm) et le gaz atomique qui constitue l'élément sensible peut alors être situé au plus proche du volume extérieur d'un compartiment de mesure dans lequel la cellule est agencée. Ceci est particulièrement intéressant pour des mesures biologiques, telles que celles réalisées en magnétoencéphalographie où ce miroir peut se situer quasiment au contact du cuir chevelu du patient de 7 manière à ce que l'élément sensible se trouve à quelques millimètres seulement de la source des signaux corticaux à mesurer. [0039] Comme représenté en figure 1, la cellule 1 peut effectivement être agencée dans un compartiment de mesure 5 d'une sonde 4 de mesure de champ magnétique. La sonde 4 comporte par ailleurs, empilé sur le compartiment de mesure, un compartiment optique 6 dans lequel est agencé le collimateur 2. Le compartiment optique 6 présente dans le plan ZX une section dont l'extension est similaire à celle du compartiment de mesure 5. [0040] La sonde 4 présente ainsi une forme de parallélépipède droit s'étendant le long de l'axe Y et dispose d'une face supérieure formée par une surface supérieure du compartiment optique 6 où se situe une entrée optique 7 pour le faisceau de lumière et d'une face inférieure formée par une surface inférieure du compartiment de mesure 5 destinée à être en contact avec la source Sb de champ magnétique à mesurer. [0041] Lorsque le faisceau optique délivré par la source optique est polarisé au moyen d'un polariseur rectiligne 8, ce dernier peut être agencé dans le compartiment optique 6. [0042] Le faisceau de lumière peut être apporté depuis la source optique jusqu'à l'entrée optique 7 au moyen d'une fibre optique. La surface supérieure du compartiment optique 6 peut également disposer d'une sortie optique 9 pour le faisceau de lumière après son multi-passage à travers la cellule. Le collimateur 2 peut être exploité pour focaliser le faisceau de lumière en direction de la sortie optique, celle-ci étant optiquement couplée au détecteur, par exemple au moyen d'une fibre optique. Dans une variante, la sortie optique est confondue avec l'entrée optique. Dans une autre variante, le détecteur comprend une photodiode agencée dans le compartiment optique pour photo-détecter le faisceau de lumière après son multi-passage à travers la cellule. [0043] Le compartiment optique 6 peut également contenir différents éléments destinés à mettre en forure le faisceau de lumière et le réfléchir vers le miroir 3 à l'autre extrémité de la cellule dans le compartiment de mesure. Ces éléments peuvent comprendre des lentilles convergentes et des arrangements d'éléments réfléchissants disposés de telle façon que la lumière réalise un nombre fixe d'allers-retours dans la cellule. En référence aux figures 2 à 4, ces éléments peuvent notamment comprendre un ou plusieurs miroirs auxiliaires 10-13 sur lesquels le faisceau de lumière collimaté est incident et qui sont agencés dans le compartiment optique pour participer au mufti-passage du faisceau de lumière collimaté à travers la cellule. [0044] La sonde 4 peut être agencée côte-à-côte avec d'autres sondes similaires, par exemple pour former un réseau matriciel permettant de réaliser une mesure du champ magnétique bien résolue spatialement. Cet agencement peut être réalisé de manière compacte, sans perte de place pour assurer des fonctions optiques telles que l'acheminement de la lumière, sa polarisation ou sa photo-détection. Chaque sonde a 8 pour objet de réaliser une mesure très bas bruit du champ magnétique sur le volume de son élément sensible, ce qui permet de remonter par des procédés de reconstruction de sources de champs aux sources de courants situées à proximité des sondes. Ces sources peuvent être par exemple des courants nerveux dans le cerveau, des courants liés au fonctionnement cardiaque, ou encore des courants provenant de l'induction par une source magnétique très basse fréquence dans une pièce métallique à caractériser. Dans tous les cas il est important que les éléments sensibles se situent au plus près de la source de champ, car celle-ci crée des champs magnétiques dont la décroissance varie en 1/d3 avec la distance d à leur source. L'invention permet d'obtenir un assemblage très dense des éléments sensibles tout en maintenant une distance minimale entre chacun d'entre eux et les sources de champ à caractériser. [0045] Pour mesurer l'état d'alignement des atomes pompés avec une lumière en pola- risation linéaire, que ce soit à l'aide d'une mesure d'absorption ou d'une mesure de changement d'ellipticité (changement de la proportion entre les polarisations circulaires de la lumière), on exploite un faisceau de sonde dont la polarisation linéaire doit idéalement rester toujours dans le même plan au cours de sa propagation (ce qui n'est pas le cas en orientation où le plan de polarisation de la lumière tourne sous l'effet de son interaction avec les atomes). Or la direction de propagation du faisceau de sonde change lors de la ou des réflexions subies au cours du multi-passage, de sorte que la direction de polarisation, orthogonale à celle de propagation, risque également de changer. Il peut en découler une dégradation de l'amplitude du signal, voire des effets indésirables tels que des déformations des courbes de résonance magnétique donnant lieu potentiellement à des décalages sur les mesures délivrées par le magnétomètre. Un tel changement de la direction de polarisation serait notamment observée sur la cavité de l'Université de Princeton devait être exploitée en alignement. [0046] Ainsi dans un mode de réalisation de l'invention, tel que celui représenté en figure 1, le multi-passage est réalisé en conservant une direction de polarisation du faisceau de lumière invariante. Les inventeurs ont effectivement pu constater, autant par des modélisations théoriques que par des mesures expérimentales, qu'une amplitude du signal optimale peut être atteinte lorsque l'intégralité des trajectoires de propagation de la lumière à travers la cellule est contenue dans un seul et même plan, ce plan, en l'occurrence le plan XY, étant orthogonal à la polarisation linéaire qui ne varie donc pas. [0047] Dans le cas où l'élément sensible est l'hélium-4, le magnétomètre comporte par ailleurs un système de décharge haute fréquence (HF), comprenant un générateur HF qui alimente via des fils 14 deux électrodes de décharge HF 15, pour amener les atomes du gaz atomique dans un état énergisé où ils sont aptes à subir une transition atomique, typiquement dans l'état métastable rS1. 9 [0048] En variante, le miroir 3 du compartiment de mesure, voire également le cas échéant le ou les miroirs du compartiment optique, sont utilisés comme électrodes pour l'allumage de la décharge permettant de peupler l'état métastable 2381. Ainsi il devient superflu d'ajouter une voire les deux électrodes 15 autour de la cellule. [0049] Dans un mode de réalisation possible permettant de réaliser une mesure vectorielle du champ magnétique, le magnétomètre comprend également un circuit d'excitation de résonances paramétriques qui comporte un générateur de radiofréquence qui alimente des bobines d'Helmholtz d'axes orthogonaux qui, portées par un support 16, entourent la cellule afin de générer un champ magnétique d'excitation des résonances paramétriques, également désigné par champ radiofréquence d'excitation. Deux champs radiofréquences d'excitation sont typiquement appliqués à la cellule et les directions de ces champs, par exemple selon les axes X et Y, déterminent les directions principales de sensibilité du magnétomètre. [0050] Le magnétomètre peut également comprendre un système d'asservissement en boucle fermé pour venir constamment soumettre la cellule à un champ magnétique total nul. Le système d'asservissement comprend un régulateur couplé à l'électronique de traitement qui injecte un courant dans les bobines de Helmholtz qui entourent la cellule 1 afin de générer un champ magnétique de compensation Bc tel que la somme Bc+B0 est maintenue à zéro en permanence. Alternativement, le magnétomètre peut être opéré en boucle ouverte, sans compensation du champ ambiant. [0051] Dans l'exemple de la figure 1, le faisceau de lumière est transporté depuis la source laser où il est généré jusqu'à chacune des sondes par une fibre optique. A l'extrémité de cette fibre le faisceau diverge avec un angle lié à l'ouverture numérique du type de fibre utilisé. Une lentille convergente disposé juste au-dessous permet de collimater cette lumière et d'en fixer le diamètre, par exemple à 6 mm Cette lumière collimaté traverse l'élément sensible une première fois puis est réfléchie sur un miroir plan, qui la réfléchit de manière à ce qu'elle traverse une deuxième fois une même région de l'élément sensible. Dans cette configuration simple à deux passages, une fois sortie de la cellule, cette lumière passe de nouveau par la lentille convergente, ce qui a pour effet de la faire converger à l'intérieur d'une deuxième fibre optique destinée à l'acheminer jusqu'à un photo-détecteur situé à l'extérieur de la sonde. [0052] Des configurations plus complexes mais plus avantageuses peuvent parfaitement être réalisées comme cela est représenté en figures 3 et 4 où la lumière à l'issue de ce deuxième passage converge sur un deuxième miroir 10, 11 disposé de telle façon que le faisceau traverse une troisième puis, suite à une nouvelle réflexion sur le miroir 3 du compartiment de mesure, une quatrième fois la cellule avant d'être collecté dans la fibre retour ou directement photo-détecté. [0053] Ce même principe peut être étendu à un nombre pair arbitraire de passages, ce nombre étant uniquement limité par la qualité des optiques et le volume nécessaire à les disposer dans le compartiment optique de la sonde. La figure 4 représente à cet égard une modélisation logicielle d'un exemple de configuration qui, outre le collimateur 2 et le miroir 3 du compartiment de mesure, exploite un deuxième et un troisième miroirs 12, 13 agencés dans le compartiment optique pour réaliser huit passages à travers la cellule depuis un point d'entrée E jusqu'à un point de sortie S. 11