Brevet FR3163449A1 — publié le 20251219

L’invention concerne un dispositif de démodulation d’une cavité Fabry-Pérot (40), comportant: - au moins deux sources lasers (12, 14), l’une à une première longueur d’onde (λ 1 ), l’autre à une deuxième longueur d’onde (λ 2 ), différente de la première longueur d’onde; - des moyens optiques (22, 24, 30, 32) pour envoyer les faisceaux lasers de ces au moins deux sources vers une cavité Fabry-Pérot (40) et pour prélever les faisceaux laser de ces au moins deux sources qui sont réfléchis par cette cavité; - au moins un détecteur (52, 54) pour recevoir les intensités des faisceaux laser de ces au moins deux sources qui sont réfléchis par cette cavité; - des moyens (70) de calcul pour calculer le rapport desdites intensités. Figure pour l’abrégé : figure 2 DEMODULATEUR DE CAVITE FABRY-PEROT Domaine technique et état de la technique L’invention concerne le domaine de la démodulation de spectre de cavités Fabry-Pérot afin d’en extraire ses caractéristiques. Les cavités Fabry-Pérot (FP) sont très utilisées dans le domaine des capteurs. Une telle cavité comporte deux miroirs semi-réfléchissants. La lumière est réfléchie sur l’un puis sur l’autre et interfère. La différence de marche (ou déphasage) dépend de la longueur d’onde. Ainsi, certaines longueurs d’onde interfèrent constructivement et d’autres de manière destructive. La forme du spectre (distance entre deux extrema) d’une cavité FP dépend de sa longueur. En connaissant les caractéristiques du spectre, on peut remonter à la longueur de cavité et ainsi au phénomène physique (pression, température, déformation…) qui modifie la longueur de cavité. Il s’agit là du principe des capteurs à base de cavités FP. L’étape d’extraction des caractéristiques d’un spectre de cavité FP s’appelle la démodulation. Il existe plusieurs méthodes de démodulation d’une cavité FP, notamment la technique de mesure à l’aide d’un pic laser. Cette technique est illustrée en FIG. 1 : un pic laser, à longueur d’onde fixe λ 1 , est envoyé sur un front (montant ou descendant) du spectre de la cavité et la puissance réfléchie est mesurée. Le pic laser étant à longueur d’onde λ 1 , la puissance réfléchie par la cavité diminue ou augmente lorsque le spectre de la cavité se décale d’un côté ou de l’autre. Ainsi, il est possible de mesurer de manière analogique (via la mesure de puissance) la position du spectre. Cette méthode est très simple d’utilisation, car il suffit d’un laser et d’un photo-détecteur pour la mettre en œuvre. Mais cette méthode présente un certain nombre d’inconvénients. En particulier, le système ne sait pas distinguer une altération du signal, du fait des éléments rencontrés le long du chemin optique suivi par le faisceau laser, d’une modification de la cavité Fabry-Pérot. Il est en effet possible de considérer une altération qui résulte des éléments optiques, comme un décalage du spectre de la cavité. Ceci peut être particulièrement gênant pour les applications en environnements sévères où le risque que le signal soit perturbé est important (du fait de fortes vibrations, et/ou d’écarts en température, et/ou de manipulations…).Il se pose donc le problème de trouver un nouveau procédé et un nouveau dispositif de démodulation d’une cavité Fabry-Pérot. L’invention propose de résoudre un ou plusieurs de ces problèmes. En particulier, l’invention propose une amélioration de la mesure par pic laser afin de corriger les imperfections de cette dernière. L’invention a d’abord pour objet un dispositif de démodulation d’une cavité Fabry-Pérot, comportant: - au moins deux sources lasers, l’une à une première longueur d’onde (λ 1 ), l’autre à une deuxième longueur d’onde (λ 2 ), différente de la première longueur d’onde; - des moyens optiques pour envoyer les faisceaux lasers de ces au moins deux sources vers une cavité Fabry-Pérot et pour prélever les faisceaux laser de ces au moins deux sources qui sont réfléchis par cette cavité; - au moins un détecteur pour recevoir les intensités des faisceaux laser de ces au moins deux sources réfléchis par la cavité; - des moyens de calcul pour calculer le rapport desdites intensités. Selon l’invention, on utilise au moins deux pics laser, ayant des longueurs d’onde différentes, pour extraire les caractéristiques du spectre d’une cavité Fabry-Pérot. Les pics laser, qui ont différentes longueurs d’onde, sont de préférence positionnés à divers endroits du spectre, par exemple en un sommet du spectre ou en un minimum du spectre, ou dans une zone centrale d’un front montant, ou dans une zone centrale d’un front descendant. Chacun des pics laser va subir une réflexion dans la cavité Fabry-Pérot avec un certain coefficient de réflexion. Si une altération de la puissance a lieu sur le chemin optique (par exemple du fait de mauvaises connectiques, et/ou de vibrations, et/ou de changements de températures, et/ou du fait de fluctuations de la source, et/ou de perturbations le long de la fibre optique…), elle sera commune aux différents pics laser utilisés. En effet, les lasers émettent à des longueurs d’onde proches et suivent le même parcours jusqu’à la cavité Fabry-Pérot ; ils verront donc sensiblement les mêmes altérations de puissance, ce qui permet d’obtenir une mesure plus précise des modifications, et notamment de la longueur, de cavité . L’invention propose une solution de démodulation de cavités Fabry-Pérot qui permet de garder la simplicité de la méthode du pic laser tout en ayant une mesure ratiométrique (ratio entre les au moins deux pics ou signaux réfléchis) permettant de très fortement réduire (voire de supprimer) tout effet d’altération des signaux lasers du fait des moyens optiques mis en œuvre dans le dispositif, par exemple le long d’une fibre optique. Cet aspect permet d’effectuer des mesures dans des applications en environnements sévères, ce que ne peuvent pas réaliser les solutions connues. Un dispositif selon l’invention peut comporter au moins une troisième source laser, à une troisième longueur d’onde (λ 3 ) différente de la première longueur d’onde et de la deuxième longueur d’onde et des moyens pour envoyer les faisceaux lasers de ces au moins trois sources vers la cavité Fabry-Pérot, et au moins un détecteur pour recevoir au moins l’intensité du faisceau laser de cette troisième source qui est réfléchi par cette cavité. Dans une réalisation d’un dispositif selon l’invention, lesdits moyens de calcul sont aptes à calculer au moins deux des rapports A1/A2, A2/A3, A1/A3, où Ai (i=1,2 ou 3) est l’amplitude du rayonnement à longueur d’onde λ i réfléchi par la cavité. Un dispositif selon l’invention peut comporter : - un détecteur associé à chaque source laser, pour détecter le faisceau de cette source qui est réfléchi dans la cavité ; - ou un seul détecteur pour détecter les faisceaux des différentes sources laser qui sont réfléchis dans la cavité ; dans ce cas, le dispositif peut comporter en outre : * des moyens pour réaliser un déclenchement séquentiel des sources laser, par exemple à l’aide d’un commutateur (« switch ») optique ; * et/ou des moyens pour réaliser une modulation de chaque laser sur une porteuse ayant une fréquence spécifique, par exemple à l‘aide d’un « chopper » (ou diaphragme oscillant). L’invention concerne également une cavité Fabry-Pérot comportant un dispositif selon l’invention, tel que décrit ci-dessus et dans la suite de cette demande. L’invention concerne également un procédé de démodulation d’une cavité Fabry-Pérot, par exemple à l’aide d’un dispositif selon l’invention, ce procédé comportant: - envoyer, vers la cavité, le faisceau de chacune d’au moins deux sources lasers, l’une à une première longueur d’onde (λ 1 ), l’autre à une deuxième longueur d’onde (λ 2 ), différente de la première longueur d’onde; - détecter les intensités (A1, A2) des faisceaux laser de ces au moins deux sources lasers réfléchies dans la cavité; - calculer le rapport desdites intensités. Des moyens optiques, qui définissent un trajet optique, permettent l’envoi des faisceaux vers la cavité Fabry-Pérot et le prélèvement des faisceaux réfléchis par cette cavité. Un tel procédé présente les avantages déjà expliqués ci-dessus. Dans une réalisation particulière, le faisceau d’au moins une troisième source laser, à une troisième longueur d’onde (λ 3 ) différente de la première longueur d’onde et de la deuxième longueur d’onde, est envoyé vers la cavité et l’intensité (A3) d’un faisceau de cette troisième source réfléchie dans la cavité est détectée. De préférence, le faisceau d’au moins une source laser, ou de chaque source laser, a une longueur d’onde située au, ou proche du, maximum d’un pic du spectre de la cavité, ou du minimum d’un pic de ce spectre, ou au milieu d’un front montant ou au milieu d’un front descendant de ce spectre. Dans un procédé selon l’invention, il est possible de calculer au moins deux des rapports A1/A2, A2/A3, A1/A3, A3 (où Ai (i=1,2 ou 3) est l’amplitude du rayonnement à longueur d’onde λ i réfléchi par la cavité) ; i = 3 correspondant au cas de la présence d’au moins une troisième source laser comme exposé ci-dessus. Un détecteur peut être associé à chaque source laser, pour détecter le faisceau de cette source qui est réfléchi dans la cavité. En variante, un seul détecteur détecte les faisceaux des différentes sources laser qui sont réfléchis dans la cavité. Dans ce cas, on peut par exemple : - réaliser un déclenchement séquentiel des sources laser, par exemple à l’aide d’un commutateur (« switch ») optique ; - et/ou réaliser une modulation de chaque laser sur une porteuse ayant une fréquence spécifique, par exemple à l‘aide d’un « chopper » (ou diaphragme oscillant). Un procédé selon l’invention peut par exemple être mis en œuvre dans des conditions de vibrations et/ou de changements de températures qui affectent au moins la cavité Fabry-Pérot démodulée. 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, données à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la FIG. 1 illustre une technique de démodulation d’une cavité Fabry-Pérot par pic laser ; - la FIG. 2 est un exemple de dispositif selon l’invention; - la FIG. 3 illustre une mise en œuvre de l’invention, avec deux pics laser sur des fronts montant et descendant; - la FIG. 4 illustre une mise en oeuvre de l’invention, avec un pic laser sur un flanc et un pic laser sur un maximum du spectre de la cavité; - la FIG. 5 illustre une mise en œuvre de l’invention, avec un pic laser sur un maximum du spectre de la cavité et un pic laser sur un minimum du spectre de la cavité; - la FIG. 6 illustre une mesure ratiométrique mise en œuvre dans le cadre de l’invention; - la FIG. 7 illustre une simulation du ratio des puissances de deux pics lasers situés sur les flancs d’un pic; - les figures 8 et 9 illustrent des mises en œuvre de l’invention, avec trois pics laser; - la FIG. 10 est un exemple de dispositif selon l’invention, avec un seul détecteur ; - les figures 11A et 11B illustrent le fonctionnement d’un « chopper » optique. Description détaillée d’exemples de réalisation de l’invention Selon la présente invention, on démodule une cavité Fabry-Pérot 40 par le biais de l’utilisation d’au moins deux pics laser, qui émettent à des longueurs d’onde fixes différentes λ 1 et λ 2 . Un exemple de dispositif 10 selon l’invention est représenté en FIG. 2 . Au moins deux lasers 12, 14, dont chacun est muni en sortie d’un circulateur 22, 24, sont couplés via un multiplexeur 30 (WDM ou « Wavelength division multiplexing ») vers l’entrée d’une une fibre optique 32, dont la sortie est reliée à une cavité Fabry-Pérot 40 : chacun des rayonnements émis par les lasers est donc dirigé dans cette cavité. Le laser 12 émet à une première longueur d’onde λ 1 , le laser 14 à une deuxième longueur d’onde λ 2 , différente de λ 1 . Les deux lasers peuvent émettre simultanément. Chaque signal réfléchi par la cavité est réorienté vers un détecteur associé 52, 54 grâce au multiplexeur 30 et au circulateur 22, 24 correspondant, après avoir parcouru la fibre 32 en sens inverse depuis la cavité. Des moyens 70, par exemple un micro-ordinateur programmé pour traiter les données de mesure selon l’invention, collectent les données provenant des détecteurs 52, 54. Chacun des pics laser peut être choisi de manière à se situer dans une zone de préférence « stratégique » du spectre de la cavité 40, par exemple : au maximum d’un pic du spectre de la cavité, ou au minimum d’un pic de ce spectre, ou au milieu d’un front montant ou au milieu d’un front descendant de ce spectre. Ce choix permet d’optimiser la dynamique de mesure. Ainsi, les longueurs d’onde λ 1 et λ 2 des pics lasers sont par exemple choisies de la manière suivante: - un pic laser est positionné sur un front montant du spectre et l’autre sur un front descendant (cas de la FIG. 3 ) ; - ou l’un est positionné sur un maximum et l’autre sur un front montant ou descendant (cas de la FIG. 4 ) du spectre ; - ou l’un est positionné sur un maximum et l’autre sur un minimum du spectre (cas de la FIG. 5 ). D’autres combinaisons sont envisageables dans le cadre de l’invention, chaque pic laser restant à une longueur d’onde fixe ; ainsi, lorsque le spectre de la cavité se translate, l’amplitude réfléchie pour chaque laser évolue comme indiqué en FIG. 6 pour une configuration telle que celle de la FIG. 5 (longueur d’onde λ 1 initialement sur un minimum du spectre et longueur d’onde λ 2 initialement sur un maximum du spectre). Une mesure ratiométrique peut ensuite être réalisée, selon laquelle on mesure, par exemple à l’aide des moyens 70, le ratio entre l’amplitude 1 (= A1, amplitude du rayonnement à longueur d’onde λ 1 réfléchi par la cavité) et l’amplitude 2 (= A2, amplitude du rayonnement à longueur d’onde λ 2 réfléchi par la cavité) en fonction de la position du spectre et donc de la longueur de la cavité 40. Une simulation (sur Matlab) du ratio A1/A2 des puissances de deux pics lasers situés au niveau des flans en fonction du décalage spectral Δλ (en abscisses, en m) de la cavité est présentée en FIG. 7 : cette courbe est simulée sur Matlab, en utilisant la formule théorique d’interférences à deux ondes d’une cavité Fabry-Pérot ; on voit clairement sur cette courbe qu’une variation du ratio amplitude 1/amplitude 2 (=A1/A2) permet d’identifier un décalage spectral. La valeur minimale du ratio représenté en FIG. 7 est obtenue pour λ 1 sur un minimum et λ 2 sur un maximum (voir par exemple en FIG. 5 ) et le ratio est maximum, égal à 1, est obtenu pour le cas où λ 1 et λ 2 sont sur les flancs de part et d’autre d’un extrémum, à la même amplitude (comme par exemple en FIG. 3 ). Le décalage spectral permettant de passer d’un ratio maximum à un ratio minimum est de (λ 1 - λ 2 )/2 (c’est notamment le cas si λ 1 et λ 2 se trouvent sur la même demi- période, comme par exemple dans le cas de la FIG. 6 ). Cette mesure de ratio compense les fluctuations de puissance pouvant intervenir le long de la fibre optique 32, ou plus généralement le long du chemin optique suivi par les faisceaux laser, étant donné que ces derniers parcourent le même trajet optique et ont des longueurs d’onde très proches ou assez proches (par exemple les longueurs d’onde se trouvent sur la même demi-période, comme en figures 6, 8 et 9, ce qui permet de préserver l’aspect monomode du signal). L’invention peut mettre en œuvre plus de deux pics laser, par exemple trois pics laser comme illustré en FIG. 8 et en FIG. 9 , le premier faisceau ou pic laser (à la longueur d’onde λ 1 ) ayant une intensité réfléchie A1, le deuxième faisceau ou pic laser (à la longueur d’onde λ 2 , différente de λ 1 ) ayant une intensité réfléchie A2, le troisième faisceau ou pic laser (à la longueur d’onde λ 3 , différente de λ 1 et différente de λ 2 ) ayant une intensité réfléchie A3: - en FIG. 8 , un premier faisceau laser a sa longueur d’onde λ 1 sur un front montant du spectre de la cavité FP, le deuxième pic laser a sa longueur d’onde λ 2 positionnée sur un maximum et le troisième pic laser a sa longueur d’onde λ 3 sur un front descendant ; - en FIG. 9 , un faisceau laser a sa longueur d’onde λ 1 sur un minimum du spectre de la cavité FP, un deuxième pic laser a sa longueur d’onde λ 2 positionnée sur un front montant et un troisième pic laser a sa longueur d’onde λ 3 sur un maximum du spectre. Dans ce cas, le schéma de la FIG. 2 comporte une troisième source laser à la longueur d’onde λ 3 , avec un détecteur associé à cette troisième source, qui permet de mesurer l’amplitude A3 du rayonnement à la longueur d’onde λ 3 qui est réfléchi par la cavité 40, et un circulateur. Dans ce cas, au moins trois mesures de ratio sont possibles : A1/A2; et/ou A1/A3; et/ou A2/A3; Les moyens 70 mentionnés ci-dessus peuvent collecter les données provenant du détecteur associé à la troisième source, comme il collecte les données des autres détecteurs 52, 54. Ces moyens peuvent également traiter ces données de mesure et calculer au moins deux ou au moins trois des ratios ci-dessus. Ces ratios permettent d’affiner l’estimation de la position du spectre (et donc de la longueur de cavité) via le calcul de la moyenne par exemple. Cette méthode à trois lasers permet d’obtenir une mesure plus précise. Dans un autre mode de réalisation, illustré en FIG. 10 , on n’utilise qu’un seul détecteur 20 pour mesurer les signaux réfléchis par la cavité 40, que la mesure mette en œuvre deux ou trois lasers. Un circulateur 18 reçoit le rayonnement issu de la cavité 40 et le dirige vers le détecteur 20. Des moyens 70’, par exemple un micro-ordinateur programmé pour traiter les données de mesure selon l’invention, collectent les données provenant de ce détecteur 20. Dans ce cas, pour discriminer les signaux, on peut: déclencher les lasers séquentiellement, par exemple à l’aide d’un commutateur (« switch ») optique ; dans ce cas, les amplitudes sont mesurées, et, à l’aide de la fréquence de basculement entre les différents lasers, il est possible d’associer, par exemple à l’aide des moyens 70’, l’amplitude mesurée au laser correspondant ; ainsi, il est possible d’identifier la contribution de chaque laser pour pouvoir faire la mesure ratiométrique; et/ou moduler chaque laser sur une porteuse ayant une fréquence spécifique, par exemple à l‘aide d’un « chopper » (ou diaphragme oscillant); comme illustré en figures 11A et 11B, la roue 80 d’un chopper (par exemple un chopper de chez Thorlabs) permet, à partir d’un faisceau incident 84 ( FIG. 11 ), d’intensité continue 84’ ( FIG. 11 ) de former un faisceau de sortie 86 ( FIG. 11 ) dont l’intensité 86’ ( FIG. 11 ), est hachée dans le temps . Ainsi, en isolant la fréquence de chaque laser, il est possible d’identifier, par exemple à l’aide des moyens 70’, la contribution de chacun afin de faire la mesure ratiométrique. L’invention se distingue des solutions de l’état par sa simplicité et sa robustesse. Dispositif de démodulation d’une cavité Fabry-Pérot (40), comportant: - au moins deux sources lasers (12, 14), l’une à une première longueur d’onde (λ 1 ), l’autre à une deuxième longueur d’onde (λ 2 ), différente de la première longueur d’onde; - des moyens optiques (22, 24, 30, 32) pour envoyer les faisceaux lasers de ces au moins deux sources vers une cavité Fabry-Pérot (40) et pour prélever les faisceaux laser de ces au moins deux sources qui sont réfléchis par cette cavité; - au moins un détecteur (52, 54, 60) pour recevoir les intensités des faisceaux laser de ces au moins deux sources qui sont réfléchis par cette cavité; - des moyens (70, 70’) de calcul pour calculer le rapport desdites intensités. Dispositif selon la revendication 1, comportant au moins une troisième source laser, à une troisième longueur d’onde (λ 3 ) différente de la première longueur d’onde et de la deuxième longueur d’onde et des moyens pour envoyer les faisceaux lasers de ces au moins trois sources vers la cavité Fabry-Pérot (40), et au moins un détecteur pour recevoir au moins l’intensités du faisceau laser de qui est réfléchi par cette cavité. 3. Dispositif selon la revendication 2, lesdits moyens de calcul (70, 70’) étant aptes à calculer au moins deux des rapports A1/A2, A2/A3, A1/A3, où Ai (i=1,2 ou 3) est l’amplitude du rayonnement à longueur d’onde λ i réfléchi par la cavité Fabry-Pérot (40). 4. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, comportant un détecteur (52, 54) associé à chaque source laser, pour détecter le faisceau de cette source qui est réfléchi dans la cavité. 5. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, comportant un seul détecteur (20) pour détecter les faisceaux des différentes sources laser qui sont réfléchis dans la cavité, et comportant en outre : - des moyens pour réaliser un déclenchement séquentiel des sources laser. ; - et/ou des moyens pour réaliser une modulation de chaque laser sur une porteuse ayant une fréquence spécifique. Procédé de démodulation d’une cavité Fabry-Pérot (40), comportant: - envoyer vers la cavité le faisceau de chacune d’au moins deux sources lasers (12, 14), l’une à une première longueur d’onde (λ 1 ), l’autre à une deuxième longueur d’onde (λ 2 ), différente de la première longueur d’onde; - détecter les intensités (A1, A2) des faisceaux laser de ces au moins deux sources lasers réfléchies dans la cavité; - calculer le rapport desdites intensités. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le faisceau d’au moins une troisième source laser, à une troisième longueur d’onde (λ 3 ) différente de la première longueur d’onde et de la deuxième longueur d’onde, est envoyé vers la cavité (40) et l’intensité (A3) d’un faisceau de cette troisième source réfléchi dans la cavité est détectée. Procédé selon l’une des revendications 6 à 7, dans lequel on calcule au moins deux des rapports A1/A2, A2/A3, A1/A3, où Ai (i=1,2 ou 3) est l’amplitude du rayonnement à longueur d’onde λ i réfléchi par la cavité. Procédé selon l’une des revendications 6 à 8, dans lequel un détecteur (52 54) est associé à chaque source laser, pour détecter le faisceau de cette source qui est réfléchi dans la cavité. 0Procédé selon l’une des revendications 6 à 8, dans lequel un seul détecteur (60) détecte les faisceaux des différentes sources laser qui sont réfléchis dans la cavité, et dans lequel on réalise : - un déclenchement séquentiel des sources laser ; - et/ou une modulation de chaque laser sur une porteuse ayant une fréquence spécifique.