Session 2 - Capteurs et réseaux de capteurs à fibres optiques

 

Présidents de séance : P. Ferdinand – CEA LIST, Lab. Mesures Optiques, Gif-sur-Yvette (F)

                                    C. Lupi - Laboratoire GeM, Université de Nantes (F)

 

Les présentations constituant cette session étaient centrées sur la mise en œuvre de capteurs présents en extrémité de fibres optiques sous forme de microlentilles ou de réseaux de Bragg, puis d’un capteur infrarouge tout optique tirant profit des fibres chalcogénures. La dernière présentait les propriétés des fibres optiques polarisantes, différentes de celles à maintien de polarisation.

 

1 Capteur de température à fibre optique à extrémité micro-structurée

 

A. Guessoum (1), N.E. Demagh (2), Guermat-Abdelhak (1)

(1) Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA), Institut d’Optique et Mécanique de Précision, Université Ferhat Abbas, Sétif (DZ)

(2) Unité de recherche en Optique et Photonique, UROP-CDTA, Université Ferhat Abbas           Sétif (DZ)

Ces travaux exposent les études liées au développement d'un capteur de température réalisé en extrémité de fibre optique, correspondant à la présence d'une cavité conique réalisée par attaque chimique (acide fluorhydrique). Cette cavité est alors remplie par une microgoutte de polymère (PDMS). Après solidification du produit, une mince couche d'or est déposée sur cette micro-lentille en bout de fibre, afin de réaliser une cavité réfléchissante qui réinjecte une partie de la lumière dans la fibre optique. Les effets de la température sur cette cavité modifient ses propriétés (dilatation thermique et effet thermo-optique) et, par conséquent, le flux de lumière réfléchie dans la fibre optique. Des caractérisations de l'intensité lumineuse réfléchie dans la fibre optique en fonction de la température ont démontré la linéarité de la réponse du capteur dans la gamme de 4 à 10°C. En dehors de cette gamme, le prototype développé à ce jour ne permet pas d'établir une corrélation directe entre signal rétrodiffusé et température.

 

2 Mesures continues de la vitesse de détonation et du profil de contrainte par fibres optiques à réseau de Bragg

 

Y. Barbarin (1), A. Lefrançois (1), S. Magne (2), V. Chuzeville (1), G. Zaniolo (1), K. Woirin (3), L. Jacquet (1), F. Sinatti (1), J. Luc (1)

(1) CEA, DAM, Gramat (F)

(2) CEA LIST, Laboratoire Capteurs, Architectures Electroniques, Gif-sur-Yvette (F)

(3) Herakles, groupe SAFRAN, CRB, Vert-le-Petit (F)

Ces travaux concernent l’instrumentation en détonique, donc des mesures ultra-rapides. Deux paramètres sont recherchés : la vitesse de détonation et l’évolution du « profil de choc » au sein d’un matériau. Des réseaux de Bragg longs à pas variable, photo-inscrits en bout de fibre, sont utilisés comme transducteur.

 

La détermination de la vitesse repose sur le système BraggFast, utilisé avec 3 cartouches d’explosifs, et sur le fait que tout réseau à pas variable réfléchit un spectre large dont chaque raie correspond à une position le long de la fibre. Or, lorsque le front de détonation progresse, il le détruit progressivement et l’intensité réfléchie diminue proportionnellement avec la position du front d’onde. L’évolution de la vitesse s’obtient après calibrage de la chaîne de mesure. Lors de détonations établies, les pentes des diagrammes de marche du front de choc fournissent la vitesse de détonation. Les résultats (6790 ± 100 m/s pour une cartouche de TNT) sont très proches de celles délivrées par les sondes classiques. Dans le cas de transition choc-détonation, le point de détonation est mesuré en temps et en position, de même que la vitesse de choc et celle de la détonation.

La mesure du profil des contraintes induites utilise un spectromètre rapide analysant, vs le temps, la longueur d’onde centrale du réseau de Bragg illuminé par une source C+L. Sous contraintes, l’indice effectif de la silice croît, tandis que le pas du réseau décroît. Ainsi, le décalage spectral (très lié au gainage de la fibre) décroît avec les contraintes subies. Les expériences menées à différents niveaux de contrainte générées par l’impact plan d’un projectile sur une cible en alu, avec un réseau de Bragg de 50 mm de long, à 1605 nm démontrent la faisabilité des mesures de pression, le décalage spectral étant de 8,0 ± 1,4 nm/GPa. Le meilleur résultat est obtenu avec un réseau de Bragg collé dans un trou de 400 μm de diamètre. Cependant, le couplage matériau-fibre reste très sensible au type de montage. La suite du travail consistera à intégrer les équations d’états et le comportement élastique de la colle dans le modèle de simulation hydrodynamique. D’autres expériences sont prévues avec divers matériaux. Enfin, un algorithme inverse permettra de remonter au profil des contraintes au cœur de la cible vs le temps, à partir des spectres temporels acquis.

 

3 Capteur infrarouge tout optique pour la surveillance de sites géologiques de stockage de CO2

 

R. Chahal (1), A.L. Pelé (2), C. Boussard-Plédel (1), J.L. Doualan (2), A. Braud (2), J.B. Briand (3), L. Quetel (3), K. Michel (4), F. Starecki (1), B. Bureau (1), P. Camy (2), V. Nazabal (1)

(1) ISCR, Equipe Verres & Céramiques, Université de Rennes 1 (F)

(2) CIMAP-Equipe MIL, CEA-CNRS-ENSI Caen, Université de Caen (F)

(3) IDIL Fibres Optiques, Lannion (F)

(4) Bureau de Recherches Géologiques & Minières, Orléans (F)

Ces travaux sont menés en collaboration entre deux laboratoires universitaires, le Bureau de Recherches Géologiques et Minières et IDIL Fibre Optique. La problématique est liée au suivi des sites de stockage de CO2 et plus particulièrement à la  mesure de concentration en CO2, basée sur l'absorption à 4,3 µm du CO2. Dans cette gamme de longueur d'onde, les fibres en verre de chalcogénures sont exploitées pour le transport de l'onde lumineuse entre la source, la cellule de gaz et le détecteur. Dans ce contexte, un capteur de concentration de CO2 a pu être "packagé" pour rendre cette tête de mesure robuste et compatible avec une application de terrain. Cependant pour que la mesure soit compatible avec des applications sur de grandes structures (site d'enfouissement), une solution « tout optique » est proposée. Pour s'affranchir des pertes conséquentes dans les fibres en chalcogénures, l'information serait véhiculée sur des fibres optiques silice standards et la conversion de longueur d'onde réalisée au cœur d'une fibre chalcogénure dopée par des ions de terres rares. Les premiers essais en cours laissent présager de la faisabilité de la structure, avec à ce jour des puissances de laser de pompe permettant de réaliser la conversion optique qui restent cependant conséquentes.

 

4 Fibre optique polarisante : différences et avantages par rapport à une fibre à maintien de polarisation

 

T. Villedieu, P. Crochet

iXBlue, BU Solutions Photoniques, Lannion (F)

La présentation porte sur la fibre optique monomode polarisante, ne transmettant par nature qu’un seul des états de polarisation (EdP), sur une bande spectrale déterminée par son profil d’indice de réfraction et sur laquelle le second EdP est fortement atténué. Il s’agit ici d’une fibre classique, dénommée TIGER, fonctionnant à 780 nm, pour laquelle la biréfringence s’obtient au moyen d’une gaine de forme elliptique contraignant de manière différentielle les deux axes propres du cœur monomode.

L’optimisation de cette structure repose sur un profil d’indice de réfraction de type "W", à fuite sur l’un des deux axes, obtenu en intercalant autour du cœur une gaine d’indice inférieure à celle de la silice.

L’indice effectif neff du mode guidé dépend en partie du recouvrement de son champ et du profil d’indice. Pour une fibre à saut d’indice classique, la largeur du mode guidé croit avec la longueur d’onde, d’où une baisse de l’indice effectif. A contrario, dans le cas d’une fibre à profil en W, comme le recouvrement entre le mode guidé et la dépression d’indice augmente avec la longueur d’onde, l’indice effectif devient inférieur à celui de la gaine à une certaine longueur d’onde, interdisant le guidage et rendant le mode évanescent. L’écart entre les longueurs d’ondes à fuite des deux modes propres définit la largeur de la plage spectrale d’utilisation de la fibre polarisante.