FR 2730868 A1 19960823 FR 9501973 A 19950221 /1 DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne un dispositif de génération, à fort rapport signal-sur-bruit, du signal délivré par un transducteur à réseau de Bragg photo-inscrit dans un guide diélectrique et de multiplexage des transducteurs disposés en série dans un réseau de capteurs. Etat de la technique Actuellement, les réseaux de capteurs à fibres optiques sont passifs au sens o ces capteurs ne génèrent pas leur propre rayonnement permettant de transmettre l'information mesurée. De tels réseaux de capteurs à fibres optiques ont fait leur apparition dans la seconde moitié des années 80, il s'agit notamment des réseaux de capteurs de contraintes à fibres optiques avec, le plus souvent, des réseaux de Bragg photo-inscrits comme composants transducteurs de contraintes. Une des premières architectures de réseau de capteurs publiée utilise une source optique d'une largeur spectrale plus grande que la bande spectrale contenant les spectres des réseaux de Bragg et analyse séquentiellement les longueurs d'onde réfléchies par ces différents transducteurs (références [1] et [2]. Ces transducteurs sont passifs car ils se contentent de réfléchir une faible portion de la lumière incidente. La conception de capteurs lasers permet d'augmenter considérablement le rapport signal sur bruit de la détection. On estime que les capteurs lasers actifs opérant en continu fournissent des rapports signal sur bruit supérieurs à leurs équivalents passifs de l'ordre de 40 dB à 50 dB (référence [31). B 12132.3 DB Parmi tous les dispositifs de l'art antérieur, énumérés en tant que références [1], [2], [3] et [9] en fin de description, le document le plus proche de l'invention est référencé [3]. L'architecture proposée par A.D. Kersey et W.W. Morey est un capteur laser à fibre qui consiste en un bras de mesure sur lequel sont photo-inscrits les réseaux de Bragg transducteurs et d'une boucle de rétroaction assurant le retour de l'onde laser, comme représenté sur la figure 1. Sur cette figure sont représentés un interféromètre de Fabry-Perot accordable , une fibre dopée erbium 11, une diode laser de pompage 12, un coupleur 13, un coupleur multiplexeur 9, des isolateurs 14, un analyseur de spectres optiques 15, et des éléments senseurs qui sont des réseaux de Bragg FBG1, FBG2.... ...DTD: FBGn (FBG "Fiber Bragg Grating"). En modifiant la tension appliquée à la céramique piézo- électrique de l'interféromètre de Fabry-Perot accordable (voir référence [4]), la fonction de transfert de celui-ci se translate spectralement. L'effet laser se produit lorsque la bande spectrale de transparence de cet interféromètre recouvre la longueur d'onde caractéristique de l'un des réseaux de Bragg. Le signal optique émis par le laser ainsi formé est continu car l'interféromètre n'est pas modulé dans le temps. Ce signal est analysé sur la voie non connectée du coupleur 13 par l'analyseur de spectre 15 qui n'est pas représenté dans la publication [3]. Quatre problèmes sont à résoudre dans le cahier des charges d'un tel réseau de capteurs: - augmentation de la cadence de mesure; - augmentation de la sensibilité (rapport signal sur bruit élevé); - augmentation de la capacité (grand nombre de transducteurs sur la même ligne de mesure); - optimisation du coût du dispositif (économie de moyens). On peut également mettre en évidence trois limitations inhérentes au dispositif décrit. La première limitation concerne la lecture de la longueur d'onde du réseau de Bragg représentative de l'information à mesurer (température, contraintes,...). Actuellement, la solution proposée par A. D. Kersey et W.W. Morey (référence [3]) nécessite deux systèmes sélectifs, I'un servant à démultiplexer le capteur (c'est-à-dire, "choisir" le capteur à observer) et B 12132.3 DB l'autre, à lire sa longueur d'onde caractéristique. Cette solution est coûteuse car elle multiplie les éléments optiques de précision: à savoir un interféromètre de Fabry-Perot, un autre dispositif sélectif qui peut également être un deuxième Fabry-Perot, ainsi que deux isolateurs. Dans un contexte industriel d'optimisation du coût (quatrième problème), il est souhaitable de diminuer le nombre d'éléments optiques de précision et de simplifier l'électronique de détection. La seconde limitation tient à la limitation en cadence de mesure induit par la méthode d'analyse (premier problème). En effet, la durée o10 d'acquisition est limitée par la durée d'établissement du régime de fonctionnement continu du laser, mais surtout par l'analyse du spectre optique complet de chaque réseau de Bragg: dans la référence [3], cette analyse est réalisée par un analyseur de spectre optique du commerce. a La troisième limitation est relative à une forte perte d'énergie qui intervient dans la boucle de rétroaction qui fonctionne en retour et non en réflexion. En retour, I'onde parcourt la boucle dans un seul sens du fait de l'insertion des isolateurs et seulement 25 % de l'énergie est renvoyée. De plus, les isolateurs induisent également une perte importante d'énergie (environ 75 % d'absorption). Cette conception optique se traduit par de fortes pertes d'énergie optique nécessitant un pompage plus puissant et impliquant une diminution de la capacité du réseau de capteurs du fait de la diminution de la largeur de bande spectrale du gain assurant l'effet laser (troisième problème). Par rapport à cette solution de l'art connu, l'invention a pour objet de simplifier la conception de l'optique, la détection électronique ainsi que le traitement du signal, en mettant en jeu moins de composants, tout en étant finalement plus fiable et moins onéreuse. ExDosé de l'invention La présente invention concemrne un dispositif capteur à fort rapport signal-sur-bruit, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un transducteur à réseau de Bragg photo-inscrit sur un guide de diélectrique, et une boucle de rétroaction constituée d'un interféromètre de Sagnac incluant un B 12132.3 DB élément sélectif en longueur d'onde, modulé temporellement permettant de réaliser un capteur laser déclenché. Avantageusement un dispositif à grande capacité selon l'invention comporte plus d'un transducteur à réseau de Bragg à des longueurs d'onde caractéristiques différentes contenues dans la bande spectrale de gain du matériau amplificateur, et le démultiplexage de ces transducteurs ainsi que la mesure de leurs longueurs d'onde caractéristiques sont toutes deux obtenues par le déclenchement laser sélectif engendrant une succession d'impulsions laser de façon séquentielle. o0 Le principe de ce dispositif consiste à moduler temporellement et de façon continue la fonction de transfert d'un filtre sélectif en longueur d'onde afin de réaliser le démultiplexage et la mesure de la longueur d'onde des réseaux de Bragg transducteurs par déclenchement sélectif de reflet laser. Avantageusement rélément sélectif en longueur d'onde est un is interféromètre de Fabry-Perot accordable dont rintervalle spectral libre est supérieur à la largeur utile de la courbe de gain qui correspond à la bande spectrale de gain du matériau amplificateur suffisante pour déclencher reffet laser. Le dispositif de rinvention est intégré sous forme "compatible fibre". Avantageusement cet interféromètre de Sagnac est de type équilibré, de sorte quil se comporte comme un réflecteur de fibre 100 % réflectif. Dans une réalisation avantageuse, le dispositif de r'invention comprend un coupleur-multiplexeur, relié en entrée à une diode laser de pompage et à une sortie d'un coupleur 50 % ajustable, dont les deux entrées son t ées à un rmte de FabryPerot accordable; des réseaux de Bragg sont photo-icbs sur une fibre transductice (avantagusement germanosilicate) soudée à une fibre a ificabtce (avantageusement germanosilicate) dopée par des ions de terres rares, la fibre transductrice se terminant par un clivage non réflectif (par exemple biseauté). Un modulateur est relié d'une part à rinterféromètre et à un dispositif d'acquisition-échantillonnage délivrant un signal de sortie parallèle correspondant aux valeurs de longueurs crd'onde crd'accord. Une photodiode recevant le signal laser déclenché est également connectée à ce dispositif d'acquisition-chantillonnage. B 12132.3 DB Le coupleur-multiplexeur est un coupleur-multiplexeur à fibre conçu pour assurer le couplage du faisceau de pompage issu de la diode laser, tout en assurant la transmissoin du faisceau laser vers la boucle de rétroaction. Avantageusement le dispositif de l'invention comprend également un système électronique d'acquisition séquentielle des longueurs d'onde d'accord de Bragg. Ce système électronique d'acquisition comprend un amplificateur, relié à la photodiode, suivi d'un comparateur à seuil, un échantillonneur-bloqueur qui reçoit la sortie du comparateur sur son entrée déclenchement et le signal sortant du modulateur sur son entrée signal. Un convertisseur analogique-numérique 14 bits relié à un ordinateur est disposé en sortie de cet échantillonneur-bloqueur, une remise à zéro de l'échantillonneur- bloqueur ayant lieu dès la fin de conversion. Selon une réalisation avantageuse de l'invention, on utilise une cavité linéaire exploitant une boucle de rétroaction du type interféromètre de Sagnac équilibré, se comportant à l'accord comme un réflecteur 100 % réflectif. On module temporellement le signal de commande d'accord de l'interféromètre de Fabry-Perot, on prélève à l'une des extrémités de la cavité linéaire le signal d'émission laser et l'on échantillonne à cet instant la valeur du signal de commande de l'interféromètre Fabry-Perot. On cumule ainsi les améliorations du rapport signal sur bruit dues respectivement au principe du capteur laser et au fonctionnement du laser en régime déclenché, tout en diminuant le temps de réponse et en simplifiant les circuits. Le dispositif permet également le multiplexage des différents transducteurs en série sur la fibre optique. Avantageusement, le dispositif de l'invention peut fonctionner également avec un conduit de lumière notamment réalisé en optique intégrée, voire à une propagation à l'air libre de la lumière. Les avantages principaux du dispositif de l'invention résident dans: , L'utilisation d'un seul élément sélectif modulé temporellement, assurant simultanément la fonction de démultiplexage et de dispositif synchronisateur de la prise d'information du signal de modulation représentatif du mesurande. L'électronique d'acquisition est déclenchée par les impulsions laser elles-mêmes. Par contre, dans le cas de la référence [3], comme représenté sur la figure 1, deux systèmes sélectifs sont nécessaires. Les B 12132.3 DB auteurs de ce document analysent un spectre optique complet (toutes les valeurs du signal à toutes les longueurs d'onde du spectre). Dans l'invention, la mesure du signal appliqué au système sélectif de modulation est ponctuelle (c'est-à-dire, la mesure d'une seule valeur). Le laser à fibre formé de la boucle de rétroaction et des réseaux de Bragg fonctionne en mode déclenché, ce qui permet d'obtenir des impulsions très puissantes (supérieures au Watt) assurant une augmentation du rapport signal sur bruit. Par contre dans le cas de la référence [3], le laser opère en continu, le rapport signal sur bruit est donc plus faible. Le mode de fonctionnement impulsionnel procure un temps de réponse de l'ordre de quelques millisecondes par capteur typiquement. Par contre dans la référence [3], le temps de réponse du dispositif est limité par l'acquisition d'un spectre optique continu. De plus le dispositif de l'invention est beaucoup plus rapide (quelques millisecondes par capteur au lieu de quelques secondes). Enfin, les auteurs de la référence [3] exploitent deux isolateurs pour assurer la circulation de l'onde dans un seul sens et affiner le spectre laser. Par contre, la conception du dispositif de l'invention est plus simple, exploitant la propriété réflective de la boucle utilisée comme miroir sélectif. Les deux isolateurs de [3] sont remplacés par un coupleur ajustable réglé de sorte qu'aucune réflexion n'intervienne, excepté à la résonance en transmission permise par le système sélectif accordable (interféromètre de Fabry-Perot, par exemple) pour laquelle la boucle se comporte alors comme un réflecteur à fibre. La proportion d'énergie réfléchie est alors fonction des pertes induites par le système sélectif. Typiquement, une telle boucle réfléchit alors % du signal tandis que la boucle de rétroaction définie dans la référence [3] renvoie moins de 10 % du signal (25 % de transmission des isolateurs et 25 % de retour de la boucle). Dans le dispositif de l'invention, la puissance de pompage est donc plus faible et la capacité du capteur (nombre de transducteurs par ligne de mesure) plus importante. B 12132.3 DB Avantageusement, le dispositif de l'invention peut être utilisé pour la surveillance de contraintes, ou de températures, dans une structure. Brève description des dessins - La figure I illustre un dispositif de l'art connu; - la figure 2 illustre le dispositif de l'invention; -la figure 3 représente des courbes d'absorption et de fluorescence typiques d'un ion de terres rares (cas de l'ion Yb3+); - la figure 4 illustre une fonction de transfert spectrale typique d'un interféromètre de Fabry- Perot; - la figure 5 représente un spectre en transmission du coupleur- multiplexeur illustré sur la figure 2; -la figure 6 illustre la définition du comportement en transmission du coupleur multiplexeur tel que considéré à la figure 5; - la figure 7 illustre le principe de l'interrogation sélective des réseaux de Bragg; - la figure 8 illustre un système électronique d'acquisition séquentielle des longueurs d'onde d'accord de Bragg selon l'invention. Description détaillé de modes de réalisation Comme représenté sur la figure 2 le dispositif de l'invention est un réseau de capteur laser à fibre déclenché. Sur cette figure, un coupleur-multiplexeur à fibre 23 est relié en entrée à une diode laser de pompage (fibrée) 22, et à une sortie d'un coupleur % ajustable 21, dont les deux entrées sont connectées à un interféromètre de Fabry-Perot accordable 20. Des réseaux de Bragg 25 sont photo-inscrits sur une fibre 26 soudée à une fibre dopée 24 (par exemple avec des ions de terres- rares) reliée au coupleur-multiplexeur 23, la fibre 26 comportant à son autre extrémité un clivage non réflectif (par exemple biseautée). Un modulateur 29 est relié d'une part à l'interféromètre 20 et à un dispositif d'acquisition- échantillonnage 28, le signal BT étant une base de temps, et le signal SP une sortie numérique parallèle (valeurs de longueurs d'onde d'accord). Une B 12132.3 DB photodiode 27 est également connectée à ce dispositif d'acquisition- échantillonnage 28. Le signal optique constitué des impulsions laser peut être observé soit à l'extrémité E1 (transmission des réseaux de Bragg), soit à l'extrémité E2 (transmission résiduelle très faible (quelques %) de la boucle de rétroaction due à une légère dissymétrie en énergie aux ponts D et C). Le dispositif de l'invention consiste à réaliser une cavité linéaire exploitant un réflecteur par exemple de type interféromètre de Sagnac équilibré (couplage équiréparti (50 %) de l'énergie dans les deux branches) de sorte qu'il se comporte comme un réflecteur de fibre 100 % réflectif. Ce comportement a été appliqué à plusieurs reprises pour réaliser des lasers à fibre. Il fonctionne comme suit: provenant de B, les deux ondes (issues en D et C) parcourent le même chemin optique (au déphasage 7U2 du coupleur près) et se recombinent après parcours dans la boucle pour interférer destructivement au port A et constructivement au port B du coupleur (référence [6]). Cette inversion de comportement (de réflexion en transmission) a déjà été démontrée avec un réseau de Bragg photo- inscrit dans une boucle de rétroaction (référence [7]). Le fait que toute l'énergie se trouve réfléchie au port B provient du déphasage imposé par le coupleur. La boucle joue ainsi le rôle d'un "miroir" à fibre. Etant donné le très fort gain des lasers à fibre, de faibles réflexions de l'ordre du % sont susceptibles de déclencher une émission laser incontrôlée. Toute réflexion parasite doit donc être minimisée. Pour cela, le coupleur 21 doit être ajusté précisément à mieux que quelques %. Si cette condition est trop sévère sur la fabrication des coupleurs en série, le coupleur 21 peut être avantageusement choisi ajustable (référence [8]) afin d'autoriser un réglage précis du coefficient de couplage dans la bande de longueur d'onde de gain utile. L'autre intérêt d'un coupleur ajustable 21 est de pouvoir pallier, par un simple réglage, la dissymétrie des pertes d'insertion dans la cavité de l'interféromètre de Fabry-Perot 20 (les pertes d'insertion sont majoritairement dictées par le couplage dans les fibres, couplage le plus souvent différent pour chacune d'elles). B 12132.3 DB Lorsque le coupleur 21 est ajusté correctement afin d'assurer la recombinaison des deux faisceaux de même énergie, le fonctionnement de la boucle se trouve inversé en ce qui concerne toutes les longueurs d'onde non transmises par l'interféromètre de Fabry-Perot. Cela signifie que l'énergie n'interfère plus alors constructivement en B mais en A, de sorte qu'aucune résonance laser n'est alors possible en s'assurant que l'onde ne soit pas réfléchie à l'extrémité E2. Il faut donc empêcher toute réflexion parasite à l'extrémité des deux fibres (extrémité E2 de la boucle de rétroaction (point A) et extrémité de la fibre porteuse des réseaux de Bragg (extrémité El)). Plutôt que de déposer une couche diélectrique antireflet, il est plus simple de polir l'extrémité de chacune de ces fibres en biseau afin de supprimer toute réflexion. D'une façon générale, la puissance de la diode de pompage 22 est ajustée afin d'obtenir un gain suffisant pour générer des impulsions suffisamment puissantes tout en évitant un effet laser incontrôlé sur les réflexions parasites mentionnées précédemment. Pour la même raison, l'émission spontanée amplifiée en double passage (aller et retour) dans la fibre amplificatrice après réflexions sur les réseaux de Bragg contribue à saturer le gain et à diminuer l'efficacité du laser. La puissance de la diode 22 doit donc être ajustée suivant l'une ou l'autre de ces limitations. Dans le dispositif selon l'invention, les réseaux de Bragg sont choisis de telle sorte que leurs longueurs d'onde caractéristiques sont contenues dans la bande spectrale de gain du matériau amplificateur. La bande spectrale procurant un gain suffisant pour déclencher l'effet laser est appelée la "bande utile de gain" et est représentée sur la figure 3 pour un ion de terres rares, l'ion ytterbium (Yb3+) par exemple. Sur cette figure sont représentées les courbes d'absorption (pointillés) et de fluorescence (traits pleins) typiques d'un tel ion. La courbe de gain utile est située au centre de la distribution de fluorescence et peut contenir jusqu'à 50 capteurs de 2 nm de bande en longueur d'onde. L'effet laser se produit au moment o le filtre accordable qui balaye les longueurs d'onde devient réflectif pour la longueur d'onde d'accord de l'un des réseaux. Les capteurs laser sont donc observés séquentiellemenL Le grand avantage de cette conception de démultiplexage est que le laser fonctionne en mode déclenché. En effet, le capteur laser émet une impulsion consécutive au recouvrement spectral entre la fonction de transfert spectrale du B 12132.3 DB filtre accordable modulé temporellement et celle du réseau de Bragg assurant la rétroaction. L'émission laser sert de signal de synchronisation et la mise en mémoire des caractéristiques électriques du filtre accordable à cet instant précis donne l'information recherchée. L'élément sélectif en longueur d'onde peut être, par exemple, un interféromètre de Fabry-Perot accordable dont l'intégration sous forme "compatible fibre" est assurée par plusieurs constructeurs (référence [4]) et est décrite dans de nombreuses publications (référence [5]). L'interféromètre de Fabry-Perot ne peut être employé que dans une configuration en boucle. Il ne peut pas être employé simplement dans une configuration linéaire car celui-ci filtre spectralement en transmission et non en réflexion, comme représenté sur la figure 4 qui illustre la fonction de transfert spectral typique d'un interféromètre de Fabry-Perot. L'interféromètre de Fabry-Perot est choisi de sorte que son intervalle spectral libre (ISL) soit supérieur à la largeur utile de la courbe de gain. Ainsi, un seul pic de transmission est présent, à tout moment, au sein de la courbe de gain, ce qui proscrit tout effet laser simultané à deux longueurs d'onde distinctes espacées de l'intervalle spectral libre. Son taux d'insertion (perte optique induite par le composant, de la fibre d'entrée à la fibre de sortie) est généralement de l'ordre de 2 à 3 dB (50 %). La finesse de tels interféromètres à fibre (référence [4]) est de l'ordre de 100 à 1000, de sorte que sa largeur de raie spectrale (qui est égale à l'intervalle spectral libre divisé par la finesse) est de l'ordre de 0,1 nm à 0,5 nm environ. Certaines cavités Fabry-Perot (non fibrées) permettent d'atteindre des finesses de l'ordre de 40 000 (Supercavité Newport) permettant d'aboutir à des largeurs spectrales de l'ordre de 0,01 nm environ. Chaque capteur est identifié par sa longueur d'onde de Bragg contenue dans la bande de gain, comme représenté sur la figure 3, et possède un domaine spectral d'évolution en longueur d'onde représentatif de l'information à mesurer (typiquement, quelques nm d'évolution autour de la longueur d'onde centrale). Le tableau I, donné en fin de description, qui est un exemple de tableau de correspondance des longueurs d'onde de pompage et des longueurs d'onde laser opérationnelles pour les principaux ions de terres-rares d'intérêt, regroupe les principaux ions de terres-rares d'intérêt et leurs bandes spectrales B 12132.3 DB (d'absorption et de gain) permettant de réaliser un tel réseau de capteurs actifs pompés par diode laser. Le domaine spectral de choix de la diode laser est défini par la bande de pompage tandis que la bande de gain correspond au domaine spectral utile de multiplexage. Avantageusement, les ions Yb3+ et Nd3+ sont utilisés en vertu de leurs très larges bandes de gain autorisant une très grande capacité de multiplexage (très grand nombre de transducteurs de Bragg par ligne de mesure, typiquement, de 30 à 50) et leurs fortes efficacités laser. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, on utilisera l'ion Er3+ dont la bande de gain est compatible avec les composants optoélectroniques utilisés en télécommunication. Le dispositif de l'invention est également constitué du coupleur- multiplexeur 23 à fibre (WDM- Wavelength-Division-Multiplexer) conçu pour assurer le couplage du faisceau de pompage issu de la diode laser 22 tout en assurant la transmission du faisceau laser vers la boucle de rétroaction. Ce composant de couplage est disponible commercialement aux trois longueurs d'onde de télécommunication: 830 nm, I 300 nm et 1 550 nm. Il peut être réalisé -sur commande- à d'autres longueurs d'onde d'intérêt, si nécessaire. La figure 5 illustre un spectre en transmission (par couplage) de ce coupleur- multiplexeur, du port 1 vers le port 4 comme illustré sur la figure 6. Le principe de l'interrogation sélective des réseaux (diagrammes temporels) est illustré sur la figure 7. Sur cette figure sont représentées des fonctions de transfert spectrales: - Fabry-Perot: FP; - réseau de Bragg: RB. A mesure que s'accroît la tension de modulation appliquée à la cale en céramique piézo-électrique de l'interféromètre de Fabry-Perot, le pic de réflexion de la boucle de rétroaction se déplace spectralement par extension mécanique du résonateur. A chaque coïncidence spectrale entre les fonctions de transfert RB du réseau interrogé et la fonction de transfert spectrale FP de l'interféromètre de Fabry-Perot, la résonance laser déclenchée peut se produire. Le début de construction de l'impulsion laser intervient sur le flanc de la fonction de transfert spectrale de l'interféromètre. B 12132.3 DB Si la coïncidence des deux fonctions de transfert a lieu pendant une durée supérieure au temps de construction de l'impulsion laser, celle-ci peut apparaître. L'onde laser déclenchée apparaît alors légèrement en retard par rapport au moment o les fonctions de transfert se recouvrent. La raison en est que l'impulsion doit d'abord se construire au sein de la cavité laser (formée de la boucle de rétroaction, de la fibre amplificatrice et du bras de mesure portant les réseaux de Bragg photoinscrits). Pour cela, il lui faut effectuer un ou deux allers-et-retours dans la cavité, ce qui induit un retard correspondant à la propagation de l'onde lumineuse au sein du résonateur. Le signal de io déclenchement apparaît donc en retard par rapport au recouvrement spectral. Si la fréquence de modulation reste constante, le retard est constant d'un réseau à un autre et est intrinsèquement pris en compte par le calibrage de la chaîne de mesure. Si la fréquence de modulation n'est pas constante, l'emploi d'un réseau de Bragg de référence non contraint permet alors de s'affranchir du retard. Le temps de construction de l'impulsion laser s'écrit: 5 --. -. (1) AN5 avec: ANo0 inversion de population "à vide" avecÀ= AN, inversion de population au seuil L'inversion de population "à vide" correspond à l'inversion de population obtenue longtemps après le temps de recouvrement en absence de résonance laser (c'est-à-dire, avant fermeture de la cavité par l'interféromètre de Fabry-Perot). L'inversion de population au seuil correspondant à l'inversion de population qui se maintiendrait si le laser émettait en régime continu dans les conditions de rétroaction fixées par la cavité lorsque l'interféromètre transmet la longueur d'onde sélectionnée. Il est possible de relier l'inversion de population à la puissance de pompage en régime continu par les équations classiques suivant le type de laser (classés grossièrement en deux catégories: à quatre niveaux ou à trois niveaux, suivant que la relaxation laser s'effectue sur le niveau fondamental (trois niveaux) ou sur un niveau intermédiaire (quatre niveaux)). B 12132.3 DB Pour un laser à quatre niveaux, l'inversion de population peut s'écrire: IP exp(-x) AN-= -1+ +exp(-x) o x= h.v12 k.T h.v12 étant l'écart énergétique entre le niveau fondamental et le niveau de relaxation laser, et k.T est l'énergie thermique. Pour un laser à trois niveaux, I'inversion de population peut s'écrire: P +1 AN= Le terme 25+5 de l'équation (1) correspond à une estimation moyenne d'un terme InSé qui représente physiquement le rapport entre l'intensitélaser circulante (dans le résonateur) et l'intensité spontanée (la seule existante avant apparition de l'impulsion). Le terme en logarithme rend le rapport d'un ordre de grandeur constant, de sorte que l'important est de constater que la durée de construction Tb ne dépend que du rapport des inversions de population et de la durée de vie du photon TR (également appelée la durée caractéristique du résonateur laser) qui s'écrit: B 12132.3 DB (2.LNL R= f A (2) en(R.(1-A)) Ac o A est l'absorption interne du résonateur (principalement fixée par les pertes d'insertion de l'interféromètre de Fabry-Perot). R est le coefficient de réflexion de la cavité déterminé par la boucle de rétroaction (proche de 100 %) et la réflexion des réseaux de Bragg (supérieur à 50 % et typiquement proche de 90 % à %). N est l'indice effectif du mode fondamental LP01 et L est la longueur de cavité du laser (correspondant pratiquement à la longueur du bras de mesure). La durée d'un aller et retour de l'onde laser dans la cavité correspond à c, c étant la vitesse de la lumière dans le vide, la durée de vie du photon est de l'ordre de une à deux fois cette durée. Le tableau Il mentionne les durées de vie de photon typiques dune telle cavité pour plusieurs longueurs de fibres. On suppose que la boucle de rétroaction est de quelques dizaines de centimètres de long et qu'elle est donc d'une longueur négligeable devant la distance des réseaux à la boucle. La largeur temporelle de l'impulsion, quand à elle, s'écrit: At rR (3) Trois paramètres imposent une limite en cadence de modulation du dispositif (et donc, in fine, son temps de réponse final): la durée de construction de l'onde laser déclenchée, la durée de recouvrement du matériau amplificateur après chaque impulsion et enfin la durée de conversion analogique-numérique des données échantillonnées. On va donner un ordre de grandeur pour chacun de ces paramètres afin de déterminer celui qui limite le plus le fonctionnement du dispositif global. B 12132.3 DB Limitation par la durée de construction Sachant que la largeur de raie spectrale AI des réseaux de Bragg photo-inscrits est de l'ordre de quelques A (quelques 0,1 nm), la condition de construction de l'onde déclenchée est donc: Tb T Tb A>. A . o ASu est la largeur de la bande utile de gain du laser (voir la figure 3 et -tableau I). Ainsi, la fréquence de modulation uniquement limitée par le temps de construction est soumise à la condition suivante: f T ' T S u Tb La durée de construction dépend de la distance séparant le réseau de Bragg en contre-réaction de la boucle de rétroaction (c'està-dire, pratiquement la longueur de cavité). Ainsi, pour une longueur de cavité de 100 mètres, la durée de construction est de l'ordre de la microseconde et, pour une finesse de résonateur de l'ordre de 1000, la fréquence critique f(m de construction se trouve limitée typiquement à des fréquences de quelques kHz à kHz. Un tableau II en fin de description donne la correspondance entre la distance du réseau de Bragg à la boucle de rétroaction et la durée de vie de photon correspondante. La fréquence de modulation critique induit par la durée de construction (fréquence critique de construction) est également mentionnée. Limitation par la durée de recouvrement Comme indiqué précédemment, un autre paramètre fixe une limite en fréquence de modulation: la durée de recouvrement du gain après chaque impulsion laser déclenchée. Cette durée de recouvrement s'exprime: B 12132.3 DB ?J- (6) 1 + r. o r est la durée de vie du niveau excité de l'ion laser et r est appelé le taux de pompage tel que: r. r- Ip (7) o Ip est l'intensité de pompage et Isat est l'intensité de saturation de pompage. Typiquement: F. -- 1 à 10 pour des puissances en continu de diodes laser (de l'ordre du mW à 10 mW) et les durées de vie r sont de l'ordre de la milliseconde (ion Yb3+) à quelques 100 lis (ion Nd3+). Or, la durée séparant deux impulsions successives doit excéder la durée de recouvrement du matériau amplificateur (de l'ordre de 100 ps à 1 ms). Soit A, l'écart spectral entre deux capteurs successifs, la période de modulation T est limitée suivant la relation: _ > (8) z> T o AXu est la largeur de la bande spectrale de gain déjà définie précédemment. ! Ainsi la fréquence de modulation f = - se trouve soumise à la T condition suivante: (9) f X' 'Z[ n.z' n.r o n est le nombre de capteurs équidistants dans la courbe de gain. B 12132.3 DB Typiquement: r; 1 ms et la fréquence de modulation critique f?) due à la durée de recouvrement est limitée aux alentours de quelques centaines de Hz pour un réseau de 10 à 20 capteurs. Dans la pratique, une marge de sécurité est adoptée pour assurer un parfait recouvrement du gain. La durée effective de recouvrement est en fait supérieure d'une facteur 3 (environ) au facteur défini en théorie du laser. La fréquence critique due à la durée de recouvrement du matériau amplificateur ft est plus faible d'environ deux ordres de grandeur que la fréquence critique t'û) due à la durée de construction de l'impulsion déclenchée. Comme la fréquence de conversion est supérieure à quelques kHz, la fréquence de modulation du système global de démultiplexage est donc limitée par tf (soit de l'ordre de 100 Hz pour un réseau d'une vingtaine de capteurs). La solution permettant de diminuer la durée de recouvrement consiste à rechercher les ions de plus faibles durées de vie de fluorescence (tout en gardant à l'esprit que plus cette durée de vie est courte, plus la puissance de seuil du laser est importante). L'équation (9) suggère également que la fréquence critique de recouvrement augmente avec la puissance de pompage. La puissance de pompage étant déjà réglée afin d'optimiser la puissance des impulsions tout en évitant un effet laser incontrôlé, celle-ci ne peut pas être augmentée inconsidérément pour diminuer le temps de recouvrement. Après chaque impulsion laser, le gain de la fibre dopée diminue considérablement. La durée de recouvrement du gain correspond au temps nécessaire pour que le gain retrouve une valeur suffisante pour régénérer une nouvelle impulsion. Typiquement, pour des ions de terres-rares, cette durée de recouvrement est de l'ordre de quelques millisecondes entre chaque capteur (soit quelques dizaines de millisecondes pour dix à vingt capteurs composant la ligne de mesure). La plupart des convertisseurs analogique-numérique de haute résolution (14 bits) sont caractérisés par des fréquences d'échantillonnage très supérieures au kHz. Ce point n'est donc pas limitatif. La fréquence de modulation du système global de démultiplexage est donc limitée par la fréquence critique due à la durée de recouvrement (soit de l'ordre de 100 Hz pour un réseau d'une vingtaine de B 12132.3 DB transducteurs). Signalons que la fréquence de modulation de l'interféromètre de Fabry-Perot ("Slew Rate") est très supérieure au kHz. On va considérer à présent l'instrumentation électronique associée. La largeur spectrale des réseaux de Bragg photo-inscrits est de l'ordre de I'A (0,1 nm) et la longueur d'onde porteuse est de l'ordre de 1 000 nm. La résolution recherchée est de l'ordre de 0,01 nm, soit une résolution en déformation =10-5 = 1Ope(1p =11/mm) On recherche une résolution de 0,01 nm sur une bande de gain porteuse de 100 nm environ, la résolution relative recherchée est donc de l'ordre de 10-4. On peut alors considérer un cas concret, comme illustré en figure 3: Temps de recouvrement: 1 ms Nombre de capteurs dans la courbe de gain: 20 Courbe de gain: 100 nm (un capteur tous les 5 nm) Durée de balayage: 60 ms (20 capteurs x 3 ms) Résolution spectrale recherchée: 10- 4 Résolution en temps correspondante: 6 lis Sachant que la largeur temporelle de l'impulsion déclenchée est de l'ordre de la durée de vie du photon (Cf. formule 3 ci-dessus), des cavités de longueurs inférieures à un kilomètre environ confèrent des durées de vie de photon de l'ordre de la microseconde (voir tableau 1I). La largeur de l'impulsion laser étant donc beaucoup plus faible que la résolution en temps recherchée, celle-ci permet d'obtenir un échantillonnage précis du signal de modulation appliqué au système sélectif de démultiplexage (en l'occurrence, l'interféromètre de Fabry-Perot). Une méthode de déclenchement par les impulsions est donc suffisamment précise pour l'application recherchée. L'électronique d'acquisition B 12132.3 DB peut ainsi être simple, fiable, utiliser des composants standard et être peu onéreuse. L'impulsion laser déclenchée présente une forte intensité et est donc facile à détecter par une photodiode dont la fréquence de coupure est supérieure à quelques MHz, ce qui est réalisable facilement avec des composants optoélectroniques standard. Un montage électronique de détection peut employer les impulsions laser transmises par la photodiode rapide (MHz) comme signaux de déclenchement d'un convertisseur analogique-numérique ayant pour fonction de mesurer, au moment déclenché par l'impulsion, la valeur effective de la tension 1o appliquée à l'interféromètre de Fabry-Perot représentative de la longueur d'onde d'accord. Compte tenu de la résolution envisagée (10-4), celle-ci nécessite une conversion analogique-numérique sur au moins 16 000 points, soit au moins 14 bits (214=16 384). De tels convertisseurs existent commercialement en série standard. La vitesse de conversion étant inférieure à quelques ms, celle-ci s'effectue pendant la durée de recouvrement. Un système électronique d'acquisition séquentielle des longueurs d'onde d'accord de Bragg est illustré en figure 8.. Sur cette figure 8 sont représentés le modulateur 29 et le dispositif optique 30 illustré sur la figure 2 avec une entrée allant vers l'interféromètre Fabry-Perot 20 et une sortie provenant de la photodiode 27. En sortie de ce dispositif 30 sont successivement reliés un amplificateur 31, un comparateur 32, un échantillonneur-bloqueur 33, qui reçoit la sortie du comparateur 32 sur son entrée déclenchement et le signal sortant du modulateur 29 sur son entrée signal. Un convertisseur analogique-numérique (codage sur 14 bits ou plus) 34 relié à un ordinateur 35 est disposé en sortie de cet échantillonneur-bloqueur 33, une remise à zéro de l'échantillonneur-bloqueur 33 ayant lieu dès la fin de conversion. Le fonctionnement de ce système électronique d'acquisition est le suivant: à mesure que la tension appliquée à l'interféromètre de Fabry- Perot s'accroît, les impulsions laser déclenchées apparaissent. Après seuillage par comparateur 32 (pour éviter tout déclenchement par le bruit), les impulsions émises par le comparateur déclenchent la mise en mémoire, par l'échantillonneur-bloqueur 33, de la tension appliquée à l'interféromètre 20. Cette mise en mémoire est maintenue pendant le temps nécessaire à la conversion B 12132.3 DB 34. Le résultat de la conversion peut être lu à des intervalles de temps réguliers (inférieurs à 1 ms) par l'ordinateur 35 muni d'une interface adaptée. La méthode d'étalonnage du capteur et de mesure des paramètres (contraintes, température et pression) est connue (voir par exemple la référence [9]). Une application directe du dispositif de l'invention concerne la mesure de contraintes, pressions ou de températures distribuées en plusieurs localisations d'une structure à surveiller (pont, barrage, aile d'avion en composite, navire,....). Plusieurs dizaines de points de mesure peuvent être assurés sur une seule ligne de mesure, multiplexés en longueur d'onde dans toute la bande de gain des lasers à fibre (vitreuse) de plusieurs dizaines de nm de large. La portée de cette ligne de mesure atteint quelques dizaines de mètres, voire plus. Le dispositif de l'invention résout le problème de la limitation du rapport signal sur bruit des capteurs de contraintes passifs en appliquant un principe de détection en mode impulsionnel. Il résout également le problème de la limitation de capacité du capteur. Ce système résout également le problème de la démodulation spectrale des longueurs d'onde d'accord par un système électronique simple, rapide (100 Hz pour quelques dizaines de capteurs) et peu onéreux car n'impliquant qu'un seul élément sélectif et des composants d'électronique standard. B 12132.3 DB TABLEAU I Ion laser Bandes de Iongueurs d'onde Bandes de longueurs d'onde de pompage (nm) d'émission laser (nm) Yb3+ 850 à 920 1000 à 1100 Nd3+ 780 à 810 1040 à 1070 850 à 885 et 930 à 940 1350 à 1360 Tm3+ 650 à 675 et 790 à 800 1850 à 1950 et 1460 à 1500 et 2300 à 2400 Pm3+ 1000 à 1030 1300 à 1310 Er+ 790 à 810 et 970 à 990 1530 à 1570 et 2710 à 2780 TABLEAU Il Distance du réseau à boucle de I 10 100 rétroaction (m) Durée de vie du photon typique tR (ns) 10 100 1000 Fréquence critique de construction (kHz) 100 10 1 B 12132.3 DB REFERENCES [1] W.W.Morey Distributed fiber grating sensors, OFS'90, pp. 285-288 [2] W.W. Morey, UNITED TECHNOLOGY CORPORATION (USA) Distributed multiplexed optical fiber Bragg grating sensor arrangement - US 91/4, 996, 419 D.R. Lyons and S.M. Reich, GRUMMAN AEROSPACE CORPORATION (USA) Optical electronic multiplexing reflection sensor system - US 93/5, 191,458 [3] A.D. Kersey and W.W. Morey Multi-element Bragg-grating based fibre-laser strain sensor Electr. Lett., vol. 29, n 11, 1993, pp. 964966 [4] All-Fiber Fabry-Perot Scanning Interferometer FFP SI Micron Optics, Inc. 2801 Buford Hwy, Ste 140 Atlanta, Georgia 30329 [5] C.M. Miller Low-loss cascaded fiber Fabry-Perot with finesse greater than 3500 ECOC-IOOC'91, Paris, paper TuB3-2 [6] D. B. Mortimore Fiber loop reflectors J. of Light. Tech., vol. 6, n 7,1988, pp. 1217-1224 [7] K.O. Hill, D.C. Johnson, F. Bilodeau and S. Faucher Narrow-bandwidth optical waveguide transmission filters Electr. Lett., vol. 23, n 9, 1987, pp. 465-466 B 12132.3 DB [8] M. Digonnet and H.J. Shaw Wavelength multiplexing in single-mode fiber couplers Appl. Opt., vol. 22, n 3,1983, pp. 484-491 [9] P. Ferdinand et al., OFS'94, 11-13 Oct. 94, Glasgow, pp. 162-166 B 12132.3 DB REFERENCES ANNEXES CONCERNANT L'INSCRIPTION DE RESEAUX DE BRAGG PHOTO-INSCRITS Publications: G. Meltz, W.W. Morey and W.H. Glenn o10 Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographie method Opt. Lett., vol. 14, n 15, 1989, p. 823-825 Brevets: W.H. Glenn, G. Meltz and E. Snitzer, UNITED TECHNOLOGY CORPORATION (USA) Method for impressing gratings within fiber optics - WO 86/01303 *B 12132.3 DB REVENDICATIONS 1. Dispositif capteur à fort rapport signal-sur-bruit, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un transducteur à réseau de Bragg photo-inscrit sur un guide diélectrique, et une boucle de rétroaction constituée d'un interféromètre de Sagnac incluant un élément sélectif en longueur d'onde, modulé temporellement, permettant de réaliser un capteur laser déclenché. 2. Dispositif à grande capacité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plus d'un transducteur à réseau de Bragg à des o10 longueurs d'onde caractéristiques différentes contenues dans la bande spectrale de gain du matériau amplificateur, et que le démultiplexage de ces transducteurs ainsi que la mesure de leurs longueurs d'onde caractéristiques sont toutes deux obtenues par le déclenchement laser sélectif engendrant une succession d'impulsions laser de fac,çon séquentielle. 3. Dispositif selon l'une au moins des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément sélectif en longueur d'onde est un interféromètre de Fabry-Perot accordable dont l'intervalle spectral libre est supérieur à la largeur utile de la courbe de gain, qui correspond à la bande spectrale de gain du matériau amplificateur suffisante pour déclencher l'effet laser. 4. Dispositif selon l'une au moins des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est intégré sous forme "compatible fibre". 5. Dispositif selon l'une au moins des revendications I à 4, caractérisé en ce que l'interféromètre de Sagnac est de type équilibré de sorte qu'il se comporte comme un réflecteur à fibre 100 % réflectif. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un coupleur-multiplexeur (23), relié en entrée à une diode laser de pompage (22), et à une sortie d'un coupleur 50 % ajustable (21), dont les deux entrées sont connectées à un interféromètre de Fabry-Perot accordable (20), en ce que des réseaux de Bragg (25) sont photo-inscrits sur une fibre (26) soudée à une fibre dopée (24) reliée au coupleur-multiplexeur (23), celle-ci se terminant par la fibre (26) non réflectrice, en ce qu'un modulateur (29) est relié d'une part à l'interféromètre (20) et à un dispositif d'acquisition- échantillonnage (28), délivrant un signal de sortie parallèle (SP) correspondant aux valeurs de longueurs d'onde d'accord, et en ce qu'une photodiode (27) B 12132.3 DB recevant le signal laser déclenché est également connectée à ce dispositif d'acquisition-échantillonnage (28). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la fibre non réfiectrice (26) se termine par un biseau ou un dépôt antirefiet s 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le coupleurmultiplexeur (23) est un coupleur-multiplexeur à fibre conçu pour assurer le couplage du faisceau de pompage issu de la diode laser (22) tout en assurant la transmission du faisceau laser vers la boucle de rétroaction. 9. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la io fibre dopée (24) est dopée avec des ions de terres-rares. 10. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un système électronique d'acquisition séquentielle des longueurs d'onde d'accord de Bragg. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ce système électronique d'acquisition comprend un amplificateur (31), relié à la photodiode (27), suivi d'un comparateur (32), un échantillonneur- bloqueur (33) qui reçoit la sortie du comparateur (32) sur son entrée déclenchement et le signal sortant du modulateur (29) sur son entrée signal, en ce qu'un convertisseur analogique-numérique de codage supérieur ou égal à 14 bits (34) relié à un ordinateur (35) est disposé en sortie de cet échmbl uroquu (33), une remise à zéro de réchantillonneur-bloqueur (33) ayant lieu dés la fin de conversion. 12. Dispositif selon rune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour la surveillance de contMraint dans une structure. 13. Dispositif selon rune quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour la surveillance de températures dans une structure. B 12132.3 DB