FR2668610A1 - Procede de reglage d'un magnetometre optique. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les procédés de réglage des magnétomètres optiques. Elle consiste, dans un tel magnétomètre, au lieu de mesurer directement l'atténuation par le rapport des puissances optiques entre l'entrée (106) et la sortie (107) de la cellule à gaz (101), à moduler (110) le générateur électrique (102) d'excitation de la cellule par un signal alternatif. On détecte alors (108) dans le signal lumineux qui a traversé la cellule une composante alternative à la fréquence de la modulation. L'intensité de cette fréquence est maximale lorsque la longueur d'onde du laser (105) de pompage de la cellule correspond exactement à une raie d'absorption de l'hélium. On utilise alors les variations d'intensités de cette composante autour de ce maximum pour régler (109) les paramètres qui déterminent la longueur d'onde d'émission du laser. Elle permet d'obtenir une meilleure stabilité des réglages.

Description

PROCEDE DE REGLAGE
D'UN MAGNETOMETRE OPTIQUE
La présente invention se rapporte aux procédés qui permettent de régler la source d'énergie lumineuse d'un magnétomètre à pompage optique fonctionnant par mesure de la résonance magnétique nucléaire.

On sait réaliser des magnétomètres optiques qui fonctionnent en mesurant la fréquence de précession de l'aimantation macroscopique créé dans un ensemble d'atomes, généralement d'hélium, en présence d'un champ magnétique.

Dans le cas de l'hélium 3 par exemple, on sait mesurer la fréquence de précession libre de l'aimantation d'origine nucléaire, ce qui correspond au phénomène connu sous le nom de résonance magnétique nucléaire.

Pour cela on induit une aimantation macroscopique en alignant un grand nombre de spins nucléaires par pompage optique sous l'action d'un champ magnétique de l'hélium en phase gazeuse soumis à une décharge électrique permettant de peupler le niveau métastable 23s. Le pompage optique est obtenu dans la pratique à l'aide d'un laser émettant un faisceau lumineux dont la longueur d'onde se situe sur la fréquence de résonance des atomes d'hélium ainsi excités, c'est-à-dire aux environs de 1, 08 pin. Le dispositif comprend une cellule de verre dans laquelle est enfermée une faible quantité d'hélium gazeux, et une bobine dans laquelle les variations de flux créées par la précession de l'aimantation macroscopique induisent un signal permettant de mesurer le champ magnétique dans lequel est plongée la cellule de mesure.

Plus le taux de polarisation de l'hélium de la cellule, c'est-à-dire le pourcentage d'atomes alignés par rapport à ceux qui ne le sont pas, est grand, et plus le magnétomètre est sensible. Une des difficultés de réalisation d'un tel dispositif consiste justement à obtenir un fort taux de polarisation. Pour cela il faut que le faisceau lumineux provenant du laser présente une longueur d'onde correspondant très précisément avec celle permettant le pompage optique. Or la longueur d'onde d'émission d'un laser est très sensible à différents paramètres, notamment la température et l'intensité du courant d'alimentation, et il est donc nécessaire d'ajuster avec précision ces paramètres.

Toutefois le simple réglage initial de ces divers paramètres ntest pas suffisant, en raison des dispersions de fabrication et des dérives dans le temps. I1 faut donc ajuster ce réglage et maintenir cet ajustement en permanence. Pour cela une méthode connu consiste à mesurer l'absorption de puissance du faisceau lumineux traversant la cellule de mesure et à régler les paramètres du laser pour maximiser cette absorption. En effet l'absorption est d'autant plus importante que la longueur d'onde du faisceau lumineux de pompage est proche de la longueur d'onde de la raie d'absorption de l'hélium utilisée.

La technique utilisée actuellement est représentée sur la figure 1.

Le magnétomètre comprend une cellule d'hélium 101 excitée par un générateur d'ionisation 102 à l'aide d'électrodes 103 et 104. Un laser 105 émet un faisceau lumineux qui traverse cette cellule -afin de pomper l'hélium qui y est contenu.

Une fraction déterminée du faisceau incident sortant du laser 105, obtenue par exemple à l'aide d'un miroir semi-transparent, est appliquée sur un détecteur 106 qui permet de mesurer la puissance émise par le laser.

Le faisceau lumineux qui a traversé la cellule est appliqué à un deuxième détecteur 107, qui permet de déterminer la puissance résiduelle après traversée de la cellule.

Les valeurs de ces puissances sont appliquées à un dispositif 108 qui permet de calculer l'absorption du faisceau lumineux dans la cellule 101, en faisant le rapport entre la puissance émise et la puissance transmise.

Le résultat de ce calcul est transmis à un circuit 109 qui permet de régler les paramètres du laser qui influent sur la longueur d'onde. Ce circuit fonctionne en faisant varier les différents paramètres en commençant par le plus important, qui est la valeur de l'intensité du courant dans le laser, et en utilisant des relations connues qui relient la variation de ces paramètres à la variation de la longueur d'onde. Pour un réglage plus fin ce circuit peut en outre fonctionner selon une méthode de zéro.

En fait, compte tenu de l'instabilité d'un laser en fonction du courant et de sa température, des disparités de sensibilité des détecteurs photoélectriques 106 et 107 et de leur couplage au faisceau lumineux, ce dispositif est compliqué à mettre en oeuvre, présente une réponse relativement lente, et ne donne en définitive que des résultats très moyens.

Pour pallier ces inconvénients l'invention propose un dispositif selon un procédé de réglage d'un magnétomètre optique, dans lequel on mesure l'absorption du faisceau lumineux de pompage d'une cellule de mesure à gaz par cette cellule et on ajuste les paramètres de réglage de la source du faisceau lumineux pour obtenir une absorption maximale, principalement caractérisé en ce que l'on module l'excitation électrique permettant d'ioniser le gaz de la cellule, que l'on détecte dans le faisceau lumineux ayant traversé la cellule une composante alternative à la fréquence de modulation, et que l'on mesure l'absorption du faisceau à partir de la valeur de cette composante alternative.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante présentée en face des figures annexées qui représentent
- la figure 1, le schéma d'un dispositif connu ; et
- la figure 2, le schéma d'un dispositif selon l'invention.

Sur la figure 2, on a comme sur la figure 1 les organes de base d'un magnétomètre, comprenant la cellule d'hélium 101, le générateur d'ionisation 102 avec ses électrodes 103 et 104 appliquées à la cellule, et le laser 105 servant de source au faisceau lumineux de pompage.

Par contre on n'utilise qu'un seul détecteur 107 pour déterminer la puissance lumineuse du faisceau en sortie de la cellule 101. En outre on module la décharge électrique dans la cellule en appliquant au générateur 102 un signal de modulation obtenu à partir d'un générateur de modulation 110. Cette modulation est, dans un premier mode de réalisation, une modulation d'amplitude.

Dans ces conditions, la puissance lumineuse du faisceau optique qui a traversé la cellule présente une composante alternative à cette fréquence de modulation, lorsque la longueur d'onde de l'émission laser correspond à une raie d'absorption de lthélium. En effet, la densité d'atomes excités suit l'intensité de la décharge provoquée par le générateur 102 et présente donc une composante variable à la fréquence de modulation de ce générateur. Comme le pompage des atomes dans l'état excité par le faisceau lumineux correspond à un transfert de puissance de ce faisceau aux atomes, l'intensité du faisceau diminue (c'est l'absorption) proportionnellement au nombre d'atomes excités susceptibles d'être pompés. Comme en outre ce nombre d'atomes excités est fonction de la modulation, on retrouve dans l'intensité du faisceau transmis une variation à la fréquence de cette modulation.

Cette absorption ne se produit que lorsque la longueur d'onde du faisceau lumineux correspond à une raie d'absorption dans l'hélium et, comme pour tout phénomène physique, l'effet se produit encore pour un très faible écart entre cette fréquence et l'arrêt en diminuant d'intensité très rapidement, ce qui représente un pic étroit de résonance.

La composante alternative à la fréquence de la source de modulation 110 se retrouve donc dans le signal électrique délivré par le détecteur 107, ce qui permet de calculer dans le circuit 108 l'absorption effective du faisceau lumineux par la cellule 101 et donc l'adéquation entre la longueur d'onde de ce faisceau et la raie d'absorption de l'hélium. Ce circuit 108 peut être formé par un simple détecteur de la modulation de la puissance optique transmise, qui est de quelques pourcents de la puissance totale. Ce détecteur sera avantageusement de type synchrone et fonctionnera alors à partir d'un signal de référence reçu de la source de modulation 110 pour obtenir la fréquence et la phase de démodulation.

A partir de la valeur de l'absorption ainsi déterminée on commande un circuit de réglage 109 des paramètres du laser, qui permet de régler ces paramètres.

La forme de la modulation d'amplitude du générateur d'ionisation peut être très variable, aussi bien sinusoïdale que rectangulaire, ou même éventuellement non périodique. Dans le cas où l'on utilise une modulation d'amplitude sinusoïdale, la fréquence peut être comprise entre 1 Hz et quelques kHz.

Dans un autre mode de réalisation, on peut utiliser une modulation de fréquence. En effet compte tenu de ce que l'ensemble se comporte comme un circuit accordé à bande étroite, cette modulation de fréquence induira dans l'absorption de la cellule une modulation d'amplitude, par un phénomène semblable à celui bien connu utilisé autrefois dans certains récepteurs à modulation de fréquence utilisant des circuits accordés. La fréquence utilisée pourra être par exemple de l'ordre de 3 MHz avec une excursion de 50%.

L'invention a été décrite dans le cadre d'un 3 magnétomètre utilisant de l'hélium excité sur le niveau 23s correspondant à une longueur d'onde sensiblement égale à 1,08 ,um, mais elle s'étend à tous les types de magnétomètres utilisant la résonance magnétique nucléaire avec un autre gaz que l'hélium ou d'autres niveaux métastables correspondant à d'autres longueurs d'ondes.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Procédé de réglage d'un magnétomètre optique, dans lequel on mesure (108) l'absorption du faisceau lumineux de pompage d'une cellule de mesure à gaz par cette cellule et on ajuste (109) les paramètres de réglage de la source (105) du faisceau lumineux pour obtenir une absorption maximale, caractérisé en ce que l'on module (110) l'excitation électrique (102) permettant d'ioniser le gaz de la cellule, que l'on détecte (108) dans le faisceau lumineux ayant traversé la cellule une composante alternative à la fréquence de modulation, et que l'on mesure l'absorption (108) du faisceau à partir de la valeur de cette composante alternative.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la modulation (110) est une modulation en amplitude.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la modulation (110) est une modulation en fréquence.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la détection (108) est une détection synchrone.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz est de l'hélium 3 ionisé sur un niveau métastase 23s et que la longueur d'onde du faisceau lumineux est sensiblement de 1,08 ,um.