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SONDE ELECTRO-OPTIQUE DE MESURE VECTORIELLE D'UN CHANlP
ELECTROMAGNETIQUE
Domaine de l'invention
La présente invention concerne la mesure de champs
électromagnétiques dans des zones d'analyse de petites dimen-
sions.
Dans la présente demande, on désigne par "champ
électromagnétique", ou tout simplement par "champ", un champ
électromagnétique proprement dit, ou bien un champ magnétique
pur, ou bien un champ électrique pur.
Exposé de l'art antérieur
L'une des difficultés quand on veut mesurer un champ
électromagnétique est que ce champ est susceptible de réagir
directement sur les circuits des instruments de mesure utilisés
pour le mesurer ou d'être influencé par ceux-ci. Pour éviter cet
inconvénient, on a prévu des systèmes de détection optiques dans
lesquels le champ réagit sur un faisceau lumineux traversant un
cristal électro-optique. Dans un cristal électro-optique, le
champ agit essentiellement sur la polarisation d'un faisceau
lumineux. On sera amené ici à mentionner des ondes optiques à
polarisation rectiligne, à polarisation circulaire et à polari-
sation elliptique. Pour ne pas alourdir la présente description,
on parlera, comme cela est souvent effectué dans la pratique,
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d'ondes rectilignes, circulaires ou elliptiques, et on
comprendra qu'il s'agit chaque fois d'ondes optiques dont la
polarisation est respectivement rectiligne, circulaire ou
elliptique.
Un exemple de dispositif classique de mesure optique
d'un champ électromagnétique est illustré en figure 1. Le détec-
teur est constitué d'un cristal électro-optique 1 dont une
extrémité 2 comporte une surface réflectrice et dont l'autre
extrémité est couplée par un coupleur 3 à une extrémité d'une
fibre optique à maintien de polarisation 5. De la lumière pola-
risée est envoyée par une source lumineuse polarisée, cohérente
ou non, comprenant par exemple une diode photoémettrice 7 et un
polariseur 8, à l'autre extrémité de la fibre optique 5 par
l'intermédiaire d'un coupleur 9.
La lumière renvoyée par le miroir 2 et ayant donc
traversé deux fois le cristal 1 et deux fois la fibre 5 est
reprise par une séparatrice 11 et envoyée dans un ensemble
d'analyse de polarisation comprenant par exemple une lame quart
d'onde (ou lame ~,/4) 13, une lame demi onde (ou lame ~,/2) 14 et
un polariseur 15, chacun de ces éléments étant individuellement
réglable en rotation, soit manuellement soit sous l'effet d'un
dispositif de commande 17. On notera que, habituellement, dans
le domaine de l'optique anisotrope, on appelle "polariseur" un
élément susceptible de fixer la polarisation de la lumière qui
le traverse en direction d'un dispositif utilisant cette
lumière, et on appelle "analyseur" ce même dispositif quand il
est placé du côté du détecteur d'un système, et sert à l'analyse
de la polarisation de la lumière qu'il reçoit. Dans la présente
description, on utilisera toujours le terme "polariseur", que
celui-ci soit placé dans une position où il fixe la polarisation
ou dans une position où il analyse la polarisation de la lumière
qu'il reçoit, étant donné qu'il s'agit bien du même dispositif
matériel. On réservera le terme analyseur à un ensemble d'ana-
lyse de l'état de polarisation d'une onde lumineuse, comprenant
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l'ensemble de la lame ~,/4 13, de la lame ~,/2 14 et du polariseur
15.
A la sortie du polariseur 15 est disposé un détecteur
19 qui fournit sur une borne 20 un signal proportionnel à
l'intensité de l'onde incidente sur le polariseur 15 dans la
direction de polarisation de ce polariseur. L'homme de l'art
comprendra que, en l'absence de champ au niveau du capteur 1, la
fibre optique 5 transmettra vers le cristal 1 une onde à polari-
sation rectiligne selon la direction d'un axe de la fibre à
maintien de polarisation (si le polariseur 8 est aligné selon
l'un des deux axes de la fibre 5). Cet état de polarisation sera
modifié par le cristal anisotrope qui renverra dans la fibre une
onde elliptique. L'analyseur 13-15 est réglé en l'absence de
champ pour fixer un point de référence. Ensuite, quand un champ
est appliqué sur le cristal 1, ceci modifie les indices du cris-
tal et la polarisation de l'onde reçue au niveau de l'analyseur
13-15 se modifie. Cette modification est caractéristique du
champ appliqué au niveau du capteur et pourra être détectée par
l'analyseur 13-15.
On rappellera que l'on ne mesure en fait par ce type
de dispositif qu'une composante du champ, parallèle à un vecteur
sensibilité caractéristique du cristal électro-optique utilisé.
Divers moyens ont été proposés pour optimiser la
mesure. Par exemple, on préfèrera que les axes du cristal
électro-optique 2 forment un angle de 45 avec les axes de la
fibre à maintien de polarisation.
Un dispositif du type décrit ci-dessus donne a priori
de bons résultats, notamment du fait qu'il permet que les
éléments nécessitant la présence de courants électriques,
comprenant la source lumineuse 7, le photorécepteur 19 et les
circuits non représentés d'analyse de son signal de sortie 20
soient à distance de la zone où l'on mesure le champ. Ainsi, ces
éléments ne sont pas perturbés par le champ à mesurer, pas plus
qu'ils ne perturbent ce champ. Toutefois, on s'aperçoit que le
réglage du dispositif, et notamment le réglage du point de
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référence susmentionné, dérive considérablement au cours du
temps, surtout quand la fibre optique est longue. On a pu noter
que ce déréglage est notamment lié aux fluctuations de tempéra-
ture. Ainsi, un même champ risque d'être mesuré comme ayant des
valeurs différentes si la température a varié sans que l'on s'en
aperçoive. Il faut donc effectuer très souvent un réajustement
du réglage du point de référence de l'analyseur 13-15 si l'on
veut obtenir une mesure fiable, et ce réglage, empirique, est
relativement long et difficile.
Résumé de l'invention
La présente invention vise à pallier au moins certains
des inconvénients des dispositifs optiques de mesure de champ et
notamment à s'abstraire des effets induits par une variation de
température de la fibre.
La présente invention vise en outre à prévoir un
système d'analyse particulièrement simple à utiliser.
La présente invention vise également à fournir deux
composantes du champ au niveau de la zone d'analyse.
Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que
d'autres, la présente invention prévoit un dispositif de mesure
de deux composantes d'un champ électromagnétique dans une zone
d'analyse, comprenant : une source lumineuse envoyant dans une
fibre optique à maintien de polarisation un faisceau lumineux
polarisé selon un axe de la fibre ; un matériau électro-optique
isotrope disposé dans ladite zone, recevant le faisceau de la
fibre optique par l'intermédiaire d'une lame ~,/4 ayant ses axes
orientés à un angle de 45 des axes de la fibre optique et
renvoyant un faisceau dans cette fibre, cette lame étant légère-
ment déréglée quant à sa caractéristique ou à son orientation ;
des moyens de déphasage du faisceau renvoyé dans la fibre réglés
pour imposer un déphasage égal et opposé à celui imposé entre
les deux polarisations alignées selon les axes diélectriques
propres de la fibre ; des moyens d'analyse de l'orientation et
de l'ellipticité de l'onde sortant des moyens de déphasage,
l'orientation et l'ellipticité étant liées par des relations non
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triviales à l'orientation et à l'intensité du champ dans la zone
d'analyse.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
les moyens d'analyse comprennent une lame ~,/4, et des polari-
5 seurs respectivement disposés sur deux voies distinctes entre la
lame quart d'onde et des détecteurs d'intensité.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
les moyens de déphasage comprennent une lame ~,/4 et une lame
~,/ 2 .
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
les moyens de déphasage comprennent un compensateur de Soleil-
Babinet.
Un procédé de réglage des moyens de déphasage du
dispositif comprend les étapes suivantes :
disposer un polariseur derrière les moyens de
déphasage à 45 de la polarisation de référence définie par un
axe de la fibre, et
régler les moyens de déphasage pour que le polariseur
transmette la moitié de la lumière qu'il reçoit.
Brève description des dessins
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que
d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans
la description suivante de modes de réalisation particuliers
faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes
parmi lesquelles :
la figure 1 représente schématiquement un dispositif
de mesure d'un champ électromagnétique par un cristal à effet
électro-optique selon l'art antérieur ; et
la figure 2 représente schématiquement un mode de
réalisation d'un dispositif de mesure d'un champ électromagné-
tique par un cristal à effet électro-optique selon la présente
invention.
Description détaillée
La présente invention, dont un mode de réalisation est
illustré en figure 2, utilise un dispositif matériel dont
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certains éléments sont identiques à ceux représentés en figure
1. Ces éléments sont désignés par de mêmes références et ne
seront pas décrits à nouveau.
Selon la présente invention, on utilise comme cristal
à effet électro-optique un cristal 21, isotrope en l'absence de
champ et qui devient anisotrope en présence de champ, par exem-
ple un cristal du type arséniure de gallium ou tellure de zinc.
Entre le cristal 21 et la fibre 5 est insérée une lame
quart d'onde 22 orientée à 45 des axes de la fibre. Cette lame
doit ou bien n'être pas exactement quart d'onde ou bien ne pas
être orientée exactement à 45 des axes de la fibre. Alors, la
polarisation envoyée dans le cristal sera une polarisation quasi
circulaire. Les axes du cristal peuvent être mis à un angle
quelconque par rapport aux axes de la fibre et de la lame quart
d'onde.
Le faisceau renvoyé par le cristal 21 dans la fibre 5
est dévié par la séparatrice 11 vers un ensemble déphaseur
comprenant par exemple une lame quart d'onde (ou lame ~,/4) 13 et
une lame demi onde (ou lame ~,/2) 14. On notera que, en l'absence
de champ, le cristal 21 étant isotrope, l'onde sortant de la
séparatrice 11 serait rectiligne si la lame 22 était parfaite-
ment quart d'onde et exactement à 45 . En raison du caractère
volontairement imparfait de la lame ~,/4 22, cette onde est légè-
rement elliptique, présentant par exemple une composante
orthogonale ayant une intensité de quelques pourcents de sa
composante principale.
Le faisceau de sortie du déphaseur 13-14 est envoyé
vers un polariseur 15 et un détecteur 19. Et l'inventeur a pu
montrer que l'état de polarisation en sortie de l'ensemble
déphaseur, quand un champ électrique est appliqué sur le cristal
21, est donné par les expressions suivantes
- a+y+0 )
Ex=(1-ejU)=e 2
+ a+y+6 )
Ey=(l+ejU)=e 2 (1)
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en utilisant les notations suivantes
j : le nombre dont le carré est égal à-l,
Ex, Ey : composantes orthogonales de polarisation,
6: déphasage introduit par la fibre à maintien de polarisa-
tion 5 entre les polarisations alignées selon ses axes
diélectriques propres (ce déphasage varie avec la
température de la fibre),
cpE : déphasage introduit en présence d'un champ entre les
polarisations orientées selon les axes diélectriques du
cristal par un aller et retour dans le matériau du
cristal électro-optique, en notant que cpE est toujours
très petit devant 27[,
y: déphasage introduit par le déphaseur correspondant à
l'ensemble des lames ~,/4 13 et ~,/2 14, et
oc : valeur angulaire dépendant de l'orientation du champ
électromagnétique par rapport aux axes du cristal 21.
On voit que, si on règle y égal à-6, l'état de polari-
sation à la sortie de l'analyseur 13-14 devient indépendant de
6, c'est-à-dire des paramètres de la fibre optique, et notamment
des variations 6, c'est-à-dire de la température de la fibre.
Les équations (1) deviennent alors :
Ex = (1- eJ~PE )e-Ja
Ey = (l + eJ~PE )eJa (2)
On notera en outre que, comme cpE est toujours très
petit devant 1, l'onde obtenue est pratiquement rectiligne.
Pour s'assurer que y=-6, selon un exemple de réalisa-
tion de la présente invention, on mesure l'intensité reçue par
le détecteur 19 situé derrière le polariseur 15. Cette intensité
I est donnée par :
I= cos2yl + ôsin (y + 6) sin2yl (3)
où .
yl définit l'orientation du polariseur 15,
5 définit le déphasage lié à l'imperfection de la lame 22.
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Si on règle le polariseur 15 à 45 de la direction de
polarisation imposée par le polariseur d'entrée 8, l'équation
(3) devient :
I = 1/2 + ôsin (y + 6) (4)
Ainsi on vérifie que la condition y=-6 est satisfaite
quand, à la suite du réglage de l'analyseur 13-14, la puissance
à la sortie du polariseur 15 (réglé à 45 ) est égale à la moitié
de ce qu'elle serait en l'absence de ce polariseur. La sortie du
détecteur 19 peut être utilisée par un contrôleur 23 agissant
sur l'analyseur 13-14 pour que cette condition soit en perma-
nence satisfaite. Alors, comme on l'a indiqué précédemment, le
signal analysé sera indépendant des variations de température de
la fibre 5.
En outre, l'onde de sortie de l'analyseur 13-14, qui
est donnée par :
Ex = (1- eJ(PE )e-Ja
Ey = (l + eJ~PE )eJa (2)
est déviée par une séparatrice 31 vers un dispositif d'analyse
de cette ellipticité.
Rappelons que cpE caractérise l'intensité du champ sur
le capteur 21 et que oc caractérise l'orientation du champ par
rapport aux axes du cristal 21. cpE et oc sont reliés par des
relations non triviales à l'ellipticité et à l'orientation par
rapport à la direction de référence de polarisation de l'onde
sortie du déphaseur
De nombreux types d'analyseurs de polarisation
pourront être utilisés pour déterminer cpE et oc. Un exemple en
est donné en figure 2 et comprend une lame ~,/4 32 transformant
l'onde elliptique aplatie en une onde quasi circulaire, et cette
onde quasi circulaire est envoyée par l'intermédiaire d'une
séparatrice 33 sur deux voies, vers des détecteurs Sl et S2 par
l'intermédiaire de polariseurs Pl et P2 d'orientation yll et y12.
Sur les détecteurs Sl et S2, on obtient des signaux
respectifs Pl et P2 tels que :
Pi =[1 - sincpE.cos2 (yli+(X) ] /2, avec i = 1 ou 2.
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Alors, en prenant par exemple y1l=0 et y12=7[/4, on obtient
sincpE = [ ( 2 P 1 - 1 ) 2 + (2P2 - 1) 2] 1/2, et
tan206 = - (2P2 - 1) / (2P1 - 1)
Par ailleurs, la présente invention est susceptible de
nombreuses particularités ou variantes, parmi lesquelles on peut
mentionner, sans caractère limitatif, les suivantes.
1. Pour déphaser l'onde reçue, au lieu d'utiliser une lame ~,/4
13 et une lame ~,/2 14, on pourra utiliser tout dispositif de
déphasage connu, par exemple un compensateur de Soleil-
Babinet. Ce compensateur sera plus facile à asservir par le
dispositif de contrôle 23.
2. Si le champ appliqué au capteur 21 est un champ alternatif de
fréquence donnée, on réalisera de préférence des détections
synchrones du signal de sortie des capteurs Sl et S2.
3. Pour augmenter la sensibilité, on pourra associer au cristal
capteur des éléments formant antenne.
L'homme de l'art aura compris qu'il est équivalent de
parler de mesure de deux composantes d'un champ, ou de mesure de
l'intensité d'un champ et de son orientation, ou de mesure
vectorielle d'un champ.
Bien entendu, la présente invention est susceptible de
toutes autres variantes et modifications qui apparaîtront à
l'homme de l'art.
