FR2734374A1 - Dispositif optique comportant des capteurs et des reflecteurs spectralement selectifs - Google Patents
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Abstract
Il s'agit d'un dispositif pouvant comprendre un réflectomètre (3), des capteurs optiques en série (10a , 10b , ...) pour la détection de variations de paramètres physique(s) ou chimique(s) du milieu environnant, lesdits capteurs comportant des réflecteurs optiques spectralement sélectifs (6a ,16a , 6b , 16b , ...) pourvus de moyens opératoires pour modifier les propriétés optiques de la lumière émise, en fonction des paramètres du milieu. Selon l'invention, les capteurs comprennent en outre un coupleur optique (5a , 5b , ...) dont certaines au moins des fibres de sortie sont pourvues desdits réflecteurs optiques pour une réflexion sélective dans le domaine spectral de la lumière incidente. Application notamment pour détecter la présence en excès de gaz dans un milieu.
Description
L'invention se rapporte à un dispositif optique du type comprenant
- des moyens d'émission et de réception de lumière, pour émettre un signal lumineux incident et recevoir en retour un signal lumineux réfléchi, et
- au moins un capteur optique relié par au moins une fibre optique auxdits moyens d'émission et de réception de lumière, pour la détection de variation de propriétés physique(s) ou chimique(s) d'un milieu environnant dans lequel le capteur est placé, ledit capteur étant pourvu de réflecteurs optiques spectralement sélectifs pour une réflexion sélective, vers lesdits moyens de réception, d'une partie au moins de la lumière incidente reçue, dans un domaine spectral déterminé, ces réflecteurs optiques étant associés, ou liés, à des moyens opératoires pour modifier les propriétés optiques de la lumière issue des moyens d'émission de lumière, en fonction des paramètres physique(s) ou chimique(s) dudit milieu environnant.
- des moyens d'émission et de réception de lumière, pour émettre un signal lumineux incident et recevoir en retour un signal lumineux réfléchi, et
- au moins un capteur optique relié par au moins une fibre optique auxdits moyens d'émission et de réception de lumière, pour la détection de variation de propriétés physique(s) ou chimique(s) d'un milieu environnant dans lequel le capteur est placé, ledit capteur étant pourvu de réflecteurs optiques spectralement sélectifs pour une réflexion sélective, vers lesdits moyens de réception, d'une partie au moins de la lumière incidente reçue, dans un domaine spectral déterminé, ces réflecteurs optiques étant associés, ou liés, à des moyens opératoires pour modifier les propriétés optiques de la lumière issue des moyens d'émission de lumière, en fonction des paramètres physique(s) ou chimique(s) dudit milieu environnant.
Un tel dispositif est notamment décrit dans le brevet européen EP-A-0275 275.
Toutefois, le dispositif optique qui y est présenté offre des possibilités d'utilisation pratique relativement réduites (notamment dans le cadre d'une utilisation d'un réseau de plusieurs capteurs en série) et un coût de fabrication élevé dû en particulier à la difficulté qu'il y aurait à intégrer plusieurs tels capteurs le long du guide d'ondes choisi, sans rapide perte exagérée de lumière, ni modification optique sensible des capteurs.
Un capteur optique, équipé de réflecteurs spectralement optiques sélectifs et comprenant des moyens opératoires pour modifier les propriétés optiques de la lumière en fonction des paramètres physique(s) ou chimique(s) du milieu environnant où est disposé le capteur, est également décrit dans la publication de brevet français FR-A-2 638 628.
Pour intéressant qu'il soit, le capteur optique en question présente toutefois comme inconvénient d'avoir notamment une réponse qui peut dans certains cas être jugée un peu trop aléatoire.
L'objectif de l'invention est de proposer un dispositif optique du type général précité qui soit performant, relativement peu onéreux à utiliser et qui puisse permettre d'utiliser en série un nombre important de capteurs, sans perte exagérée de lumière en particulier à l'endroit de chaque capteur, lesquels devront avantageusement pouvoir être interrogés par des moyens d'interrogation assez peu sophistiqués, c'est-àdire relativement peu onéreux et d'utilisation commune dans le domaine de l'optique.
La solution proposée par l'invention aux inconvénients et/ou problèmes mentionnés ci-dessus consiste en particulier à ce que
- les moyens d'émission et de réception de lumière comprennent avantageusement des moyens de réflectométrie temporelle,
- et le, ou l'un au moins des, capteur(s) comprend un coupleur (appelé également diviseur) optique à au moins une fibre optique d'entrée raccordée audit moyen de réflectométrie temporelle et plusieurs n fibres optiques de sortie, certaines au moins de ces n fibres de sortie étant pourvues desdits réflecteurs optiques spectralement sélectifs, pour une réflexion sélective dans le domaine spectral de la lumière incidente.
- les moyens d'émission et de réception de lumière comprennent avantageusement des moyens de réflectométrie temporelle,
- et le, ou l'un au moins des, capteur(s) comprend un coupleur (appelé également diviseur) optique à au moins une fibre optique d'entrée raccordée audit moyen de réflectométrie temporelle et plusieurs n fibres optiques de sortie, certaines au moins de ces n fibres de sortie étant pourvues desdits réflecteurs optiques spectralement sélectifs, pour une réflexion sélective dans le domaine spectral de la lumière incidente.
Il va être en particulier ainsi possible de réaliser un dispositif servant de capteur chimique, notamment pour la détection de gaz, tel que du méthane, la mesure de la puissance ou intensité optique (ou d'un rapport de puissances ou intensités) dans les fibres pourra conduisant à la connaissance du paramètre considéré.
D'autres applications de l'invention existent. Elles sont fondées sur la variation de la puissance ou intensité optique véhiculée dans les fibres du dispositif, d'une part, et sur la variation de leurs transmittances spectrales, d'autre part.
Dans le cadre de toutes ces applications, on s'est également attaché à optimiser les "moyens opératoires" utilisés pour modifier les propriétés optiques de la lumière en fonction des paramètres physique(s) ou chimique(s) du milieu environnant où est disposé le capteur.
A ce sujet, on notera en particulier qu'aucune des solutions proposées dans EP-A-275 275 n'a été considérée comme satisfaisante.
Deux solutions sont plus particulièrement proposées par l'invention.
La première consiste, pour réaliser ces moyens opératoires, à placer certains au moins des réflecteurs optiques sélectifs en liaison avec une substance réactive disposée pour être au moins en partie pénétrée par la lumière issue des moyens de réflectométrie temporelle et dont l'indice de réfraction est sensible à et varie en fonction de la variation desdites propriétés physique(s) ou chimique(s) du milieu environnant le capteur considéré.
On notera dès à présent qu'en tant que "réflecteurs optiques sélectifs", il est notamment prévu l'utilisation de réseaux de Bragg, de cavités Fabry-Pérot (appelées également interféromètres de Fabry-Pérot) ou encore de réseaux optiques de diffraction.
La seconde solution consiste, quant à elle, à placer les fibres optiques d'entrée et de sortie de certains au moins des coupleurs ou diviseurs optiques au contact de la substance réactive précité, toujours disposée pour être au moins en partie pénétrée par la lumière issue des moyens de réflectométrie, avec un indice de réfraction variable en fonction de la variation des propriétés physique(s) ou chimique(s) du milieu environnant, le taux de dérivation de la lumière dans ces coupleurs variant alors en conséquence.
En particulier si on utilise une telle substance réactive, lorsque la valeur de l'indice de réfraction de la substance sera commandé par l'utilisateur (de manière thermique, par exemple), le dispositif de l'invention pourra devenir un élément réglable capable d'orienter la puissance vers une ou plusieurs fibres de dérivation en sortie du coupleur avec un taux de couplage (appelé également taux de dérivation) variable théoriquement de O à 100 %. Par ailleurs, la dépendance spectrale d'un coupleur considéré par rapport à cet indice pourra permettre la réalisation d'un multiplexeur réglable en longueur d'ondes permettant d'obtenir un taux de couplage donné, à une longueur d'ondes donnée, par un choix judicieux de l'indice de réfraction de ladite substance.
Comme on l'a déjà indiqué ci-avant, les caractéristiques déjà présentées du dispositif de l'invention ont pour avantage de lui permettre de pouvoir potentiellement assurer la mise en oeuvre de toute une série de capteurs dont le nombre devrait pouvoir dépasser une vingtaine, et ce sur au minimum une centaine de mètres et dans des conditions de fiabilité et de coûts de réalisations particulièrement intéressantes.
En relation avec cela, une caractéristique complémentaire de l'invention prévoit donc de disposer en série plusieurs capteurs optiques du type déjà présenté.
Dans le cas notamment de l'utilisation d'un réflectomètre comme moyen d'émission de lumière et d'interrogation des capteurs en ligne, il pourra s'avérer judicieux de désaccorder spectralement entre eux lesdits réflecteurs optiques alors disposés sensiblement à une même distance des moyens de réflectométrie, les réflecteurs de différents capteurs échelonnés sur la ligne des capteurs étant eux-mêmes spectralement désaccordés entre eux, a priori de manière plus importante que ceux d'un même capteur.
Un autre problème qu'a également cherché à résoudre l'invention concerne la réalisation de mesures différentielles par rapport à un paramètre perturbateur (dans le but, par exemple, d'éliminer l'influence de la température lors d'une détection de gaz).
Dans la mesure où la principale application de la solution proposée par l'invention à ce problème concerne a priori les capteurs chimiques, cette solution peut s'énoncer comme suit
- on rend spécifiquement sensible et perméable à ce composé chimique (tel qu'une composition gazeuse) la substance réactive du coupleur d'un capteur optique déterminé,
- dans la mesure où la sensibilité de ladite substance à ce composé chimique induit (naturellement) des variations de paramètres physiques secondaires perturbateurs, tels que la température ou la pression, auxquels ladite substance est par nature également sensible, l'entrée d'un coupleur optique additionnel de type n x n est raccordée aux réflecteurs optiques sélectifs du capteur en question et lesdites fibres du coupleur additionnel sont placées en contact avec la substance réactive précitée,
- un masque est adjoint aux fibres du coupleur additionnel pour rendre sa substance réactive pratiquement insensible audit composé chimique tout en conservant sa sensibilité auxdits paramètres secondaires,
- et des moyens de renvoi de la lumière dans les fibres optiques du dispositif sont disposés après le dernier capteur de la série, de manière que la réponse du capteur considéré à l'onde incidente aller issue des moyens de réflectométrie soit corrigée par leur réponse au retour de l'onde.
- on rend spécifiquement sensible et perméable à ce composé chimique (tel qu'une composition gazeuse) la substance réactive du coupleur d'un capteur optique déterminé,
- dans la mesure où la sensibilité de ladite substance à ce composé chimique induit (naturellement) des variations de paramètres physiques secondaires perturbateurs, tels que la température ou la pression, auxquels ladite substance est par nature également sensible, l'entrée d'un coupleur optique additionnel de type n x n est raccordée aux réflecteurs optiques sélectifs du capteur en question et lesdites fibres du coupleur additionnel sont placées en contact avec la substance réactive précitée,
- un masque est adjoint aux fibres du coupleur additionnel pour rendre sa substance réactive pratiquement insensible audit composé chimique tout en conservant sa sensibilité auxdits paramètres secondaires,
- et des moyens de renvoi de la lumière dans les fibres optiques du dispositif sont disposés après le dernier capteur de la série, de manière que la réponse du capteur considéré à l'onde incidente aller issue des moyens de réflectométrie soit corrigée par leur réponse au retour de l'onde.
De cette manière, la réponse à l'aller (relative au paramètre principal à détecter) du "signal sonde" déterminée par la première série de capteurs de la ligne pourra être corrigée par la réponse au retour (relative au(x) paramètre(s) perturbateur(s)) déterminée par une seconde série de capteurs
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemples et non limitatifs et dans lesquels
- la figure 1 schématiquement un dispositif conforme à l'invention, comprenant une chaîne de capteurs en série,
- les figures 2 et 3 schématisent respectivement un capteur de la chaîne précitée, respectivement de type 1 x n et n x n,
- la figure 4 schématise un réseau de Bragg créé dans une fibre optique et pourvu d'une substance réactive propre à interroger avec par exemple un composé chimique,
- la figure 5 schématise un coupleur/diviseur optique dans chaque branche de sortie de laquelle a été créé un réseau de Bragg,
- la figure 6 est une vue agrandie du détail
VI de la figure 5,
- la figure 7 représente, pour un réflectomètre à deux gammes de longueurs d'ondes, l'évolution de la puissance émise dans le dispositif en fonction de la longueur d'ondes,
- la figure 8 illustre l'évolution de la réflectance spectrale d'un réflecteur optique du dispositif en fonction de la longueur d'ondes,
- la figure 9 schématise la réponse du dispositif à l'une des longueurs d'ondes du réflectomètre,
- la figure 10 est une variante de l'illustration de la figure 1, permettant de rendre la réponse des capteurs de la chaîne pratiquement insensible à des paramètres perturbateurs des mesures,
- et la figure 11 représente, comme la figure 6, une partie de la zone de couplage d'un coupleur/diviseur, ici recouverte d'un masque d'isolement chimique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemples et non limitatifs et dans lesquels
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- et la figure 11 représente, comme la figure 6, une partie de la zone de couplage d'un coupleur/diviseur, ici recouverte d'un masque d'isolement chimique.
Intéressons-nous tout d'abord à la figure 1.
Le dispositif optique illustré se présente comme une chaîne de capteurs 10a' 10b, ... 10;, reliés entre eux par des fibres optiques excitées à partir de moyens d'émission et de réception de lumière 3, propres à émettre une lumière incidente dans la chaîne des capteurs et recevoir en retour un signal lumineux réfléchi par tel ou tel capteur.
La source lumineuse 3 est très avantageusement constituée par des moyens de réflectométrie optique temporelle. Il peut en particulier s'agir d'un réflectomètre "classique" à deux sources laser de longeurs d'ondes de 1,3 et 1,54 ssm. De tels réflectomètres existent dans le commerce, on peut par exemple citer les modèles "Advantest Q 860 A" et "Hewlett
Packard 8415 A".
Packard 8415 A".
Chaque capteur comprend un coupleur optique (également appelé diviseur optique) comprenant au moins une fibre optique d'entrée excitée par la lumière incidente des moyens d'émission 3 et plusieurs fibres optiques de sortie intégrant, pour certaines au moins, des réflecteurs optiques sélectifs adaptés pour assurer une réflexion sélective dans le domaine spectral de la lumière incidente.
Sur les figures 2 et 3, on a représenté en vue agrandie le premier capteur 10a de la ligne ainsi que l'un des capteurs suivants, en l'espèce repéré 101.
Ces deux capteurs se différencient en ce que le capteur 10a comprend un coupleur ou diviseur optique de de type 1 x n (c'est-à-dire, avec un guide d'ondes d'entrée excité par ladite lumière incidente et n guide d'ondes de sortie, avec n > 1), alors que le capteur 10 comprend un diviseur optique 5;, de type n x n, avec en l'espèce n = 2 (n étant d'une manière générale un entier naturel).
Outre son "diviseur" optique, chaque capteur de la ligne comprend donc des réflecteurs optiques sélectifs en longueur d'ondes tels que 6a.16a, 6b' 16b, ... 6;, 161.
Ces réflecteurs optiques peuvent consister en un réseau de Bragg, ou encore en des cavités Fabry-Pérot, ou encore en un réseau de diffraction, par exemple.
Pour tout renseignement complémentaire concernant l'intégration de tels réflecteurs optiques sur des fibres optiques, ou plus généralement sur des guides d'ondes, on pourra notamment se référer à EP-A-O 275 275, à FR-A-2 638 628, à WO-91/10156, à US 5 007 705 ou à
US 5 042 897.
US 5 042 897.
Concernant les réseaux de Bragg, il convient toutefois de noter que parmi ces documents, on trouve d'une manière générale deux types de réseaux : ceux à strates perpendiculaires à l'axe de la fibre et ceux dont la normale aux strates est inclinée d'un angle a par rapport à ce même axe, avec 0 < a < 90 .
Sous certaines conditions, ces deux types de réseaux sont utilisables dans l'invention. Ceci dépend de la manière dont on souhaite rendre le capteur de l'invention sensible aux paramètres physique(s) ou chimique(s) du milieu environnant.
Une première solution est d'assurer la sensibilité du capteur à l'endroit, ou par l'intermédiaire, de ses réflecteurs optiques spectralement sélectifs.
Dans ce cas, comme illustré sur la figure 4, les strates 11 du réseau de Bragg 12 sont disposées de manière que leur normale N soit inclinée de l'angle a précité (0 < a < 90 par rapport à l'axe 13a de la fibre optique 13 schématiquement figurée.
De manière classique cette fibre 13 comprend un coeur 14 et une gaine optique 17 (la gaine mécanique de protection extérieure n'ayant pas été figurée).
Pour assurer à l'endroit du réseau de Bragg la sensibilité de la fibre 13 au(x) paramètre(s), une partie au moins de la gaine optique 17 comporte dans sa constitution une substance réactive dont les propriétés optiques ont la particularité de varier en fonction de l'évolution dudit paramètre dans le milieu environnant la fibre, par interaction chimique entre eux.
Comme l'illustre la flèche 19, la substance réactive ou sélective 18 est placée pour être au moins en partie pénétrée par la lumière issue à l'origine des moyens d'émission 3.
Si l'on prévoit l'utilisation d'une telle structure, alors on préfèrera utiliser comme coupleur, un coupleur classique du type précité.
Dans la seconde solution envisagée, ce sera l'inverse : le coupleur sera placé en liaison avec la substance réactive, tandis que les réflecteurs optiques seront de préférence dépourvus de cette substance.
Plus précisément, on peut envisager pour, par exemple, un coupleur 5 à deux branches guides d'ondes d'entrée et deux branches guides d'ondes de sortie (comme sur la figure 5) de réaliser la zone de couplage comme l'illustre localement la vue agrandie de la figure 6.
L'illustration de la figure 6 est tout à fait schématique. Elle ne prétend pas traduire précisément la réalité, d'autant que, d'une part, seule la circulation d'une onde lumineuse dans un sens a été figurée par la flèche 22 et par les deux "sous-flèches 22a, 22b" censées représenter la division de l'onde à l'endroit de cette zone de couplage et que, d'autre part, la structure interne de fibres couplées varie en fonction des techniques et des conditions de fabrication. Ainsi, en particulier pour la réalisation de fibres fusionnées, la structure interne des fibres à l'endroit de leur couplage dépend notamment de leur étirage axial et de la température à laquelle on les soumet à cet endroit.Dans certains cas, le coeur de la fibre peut avoir quasiment disparu et ce sont les deux gaines optiques (qui localement peuvent n'en former qu'une) qui constituent la partie centrale principale porteur de l'onde. En l'espèce, la figure 6 montre toutefois la présence de deux coeurs 23a' 23b disposés côte à côte, à proximité immédiate l'un de l'autre, juste séparés et entourés par une gaine optique commune 24 (provenant de la fusion des gaines optiques d'origine des deux fibres). La gaine 24 est elle-même entourée par la substance réactive qui porte toujours le même repère 18.
Que cette substance soit destinée à être placée en liaison avec une zone de couplage ou avec des réflecteurs optiques sélectifs, son choix va dépendre du domaine d'application du capteur.
Par exemple, dans le cas d'un capteur chimique sensible à un gaz, tel que le méthane, on pourra en particulier prévoir de combiner par dépôt avec greffage chimique (silanisation, par exemple), un ou plusieurs polymère(s) tel(s) qu'un gel de polyacrylamide, avec de l'hétéropolysiloxane. D'autres exemples de constitution sont donnés dans EP-A-275 275, en particulier en pages 9 et 10.
Notamment dans ces applications "capteurs de gaz", l'épaisseur des différentes couches (coeur/gaine optique/couche de substance réactive) sera de préférence comprise entre quelques microns et quelques dizaines ou centaines de microns. Et l'indice de réfraction des coeurs sera supérieur (au moins légèrement, par exemple quelques centièmes) à celui de la gaine. On pourra en outre prévoir qu'il en sera de même de l'indice de la gaine vis-à-vis de celui de la couche de substance réactive, laquelle couche, pour la détection d'une substance chimique, devra bien entendu être poreuse ou perméable à cette substance.
Concernant la réalisation de la zone de couplage, on pourra en particulier procéder ainsi : les deux fibres optiques considérées dans l'exemple choisi sont privées de leur gaine primaire de protection, sont torsadées et soumises localement à une température proche de la température de fusion de la silice (matériau généralement constitué en principal du coeur et de la gaine optique). Par étirage axial, les fibres sont en même temps amincies à l'endroit de la zone de couplage et fusionnent. La substance réactive d'indice de réfraction variable est alors placée en contact au moins local avec la portion amincie et fusionnée des fibres, en occupant au moins cette portion, de telle manière que cette substance puisse être au moins en partie pénétrée par la lumière incidente, comme l'illustrent les flèches 22a, 22b de la figure 6.Il est à noter que la substance en question pourrait être un liquide, et pas seulement une matière déposable en couche. Sa capacité de réaction au(x) paramètre(s) considéré(s) pourra en particulier être appréciée par la connaissance de la variation du taux de dérivation (T) du coupleur (c'est-à-dire la proportion relative de répartition de l'onde incidente entre les fibres) en fonction de la variation du paramètre en cause, cette variation du taux (T) étant une conséquence de la modification de l'indice optique de réfraction de la substance provoquée par ladite variation du paramètre.
Comme le montre la figure 5, à un coupleur 5 comprenant une zone de couplage correspondant à l'illustration de la figure 6, on pourra adjoindre, comme moyens réflecteurs spectralement sélectifs interposés sur les fibres, une structure à réseau de Bragg "classique", c'est-à-dire de préférence dépourvue de substance réactive, avec la particularité que les strates 11 seront orientées perpendiculairement à l'axe de la fibre.
Revenons maintenant à la figure 1 pour décrire le principe de fonctionnement de ces capteurs à codage chromatique.
Avant cela, on notera encore qu'avantageusement les réflecteurs optiques de chaque capteur, tels que 6a vis-à-vis de 6b ou 16a vis-à-vis de 16b, seront désaccordés (ou décorrélés) en longueur d'ondes entre eux parce que disposés sensiblement à la même distance de la source émettrice/réceptrice 3, de manière que si l'on utilise par exemple un réflectomètre "classique" fonctionnant autour de deux longueurs d'ondes, seule une première série de capteurs 6aw 6bf ...
6, 61+1, ..., répondront à la première gamme de longueurs d'ondes, tandis que seuls les capteurs de l'autre série 16a, 16b, ... 16i, 16i+l, répondront à la seconde gamme de longueurs d'ondes.
Par souci d'efficacité, ils pourront en outre être désaccordés en longueurs d'ondes entre capteurs, lesquels capteurs seront de toute façon espacés les uns des autres d'une distance supérieure à la "zone morte" où les réponses de deux capteurs successifs risquent d'être difficiles à dissocier.
Ceci étant dit, supposons que sur la figure 1, les coupleurs/diviseurs 5a 5b' ..., et les réflecteurs optiques spectralement sélectifs sont du type illustré sur les figures 5 et 6.
Avec une construction en série de tels capteurs, on va notamment pouvoir accroître la fiabilité des mesures de la variation du paramètre physique ou chimique à détecter, par rapport aux fluctuations non contrôlées des taux de couplage des coupleurs/diviseurs.
Dans cette réalisation, la totalité de la puissance ou intensité optique en sortie du coupleur/diviseur 5a et non réfléchie par les réflecteurs chromatiques 6o, l6a, va se retrouver à l'entrée du coupleur/diviseur suivant, 5b pour ensuite être divisée en direction des seconds réflecteurs chromatiques 6b, 16b, et ainsi de suite. La puissance ou intensité optique émise en 3 pourra être ajustée de telle manière qu'en bout de ligne, il n'y ait pratiquement plus d'onde lumineuse. On pourrait toutefois aussi envisager que l'extrémité de la ligne soit bouclée sur elle-même, permettant ainsi d'interroger les capteurs dans les deux sens par inversion du chemin optique.
Si les réflecteurs chromatiques de la "ligne supérieure" 6a' 6b' "'' 61, 6i+1, sont désaccordés en longeurs d'ondes par rapport à ceux de la "ligne inférieure" 16a, 161+1, on va ainsi éviter toute confusion des puissances réfléchies par un couple donné de réflecteurs (tels que 6i, 16i) situés sensiblement à une même distance des moyens émetteurs/récepteurs 3. Si l'on bénéficie de l'onde à l'aller et au retour, la réponse pour la zone de couplage 5 sera alors constituée par le rapport des réflectances mesurées pour les réflecteurs chromatiques 6j, 16, (à l'aller du signal lumineux) et 6i+i, 16ï+i (au retour du signal).
Les figures 7, 8 et 9 illustrent tout cela, dans le cas de l'utilisation classique d'un réflectomètre (OTDR) à deux gammes de longeurs d'ondes ##1 et
La figure 9, montre en particulier qu'à t les miroirs chromatiques 16a, 16b, ..., 16, ..., de la "ligne inférieure" ne répondent pas, c'est-à-dire qu'ils sont transparents à l'onde lumineuse. Seuls les miroirs de la "ligne supérieure" (6a, 6b, 6b, 6i, ...) réfléchissent sélectivement, dans le domaine spectral considéré.
La figure 9, montre en particulier qu'à t les miroirs chromatiques 16a, 16b, ..., 16, ..., de la "ligne inférieure" ne répondent pas, c'est-à-dire qu'ils sont transparents à l'onde lumineuse. Seuls les miroirs de la "ligne supérieure" (6a, 6b, 6b, 6i, ...) réfléchissent sélectivement, dans le domaine spectral considéré.
Si, à la différence de ce qui précède, on prévoit d'utiliser des coupleurs/diviseurs à taux de dérivation fixe, avec par contre des réflecteurs chromatiques placés en liaison avec la substance réactive, comme dans le cas de la figure 4, le fonctionnement d'ensemble de la structure de la figure 1 ainsi constituée demeurera pratiquement inchangé, les réflecteurs chromatiques 6aw 6b' ..., 16a, 16b, réfléchissant alors plus ou moins de lumière incidente en fonction des caractéristiques optiques (et en particulier de l'indice de réfraction local) de leurs fibres porteuses à cet endroit, et en fonction également bien entendu de la longueur d'ondes (ou de la gamme de longeurs d'ondes) à laquelle il est prévu qu'ils réagissent.
Intéressons-nous maintenant à la figure 10 qui est en fait une variante du montage de la figure 1.
Ce montage est a priori prévu très essentiellement pour la réalisation de capteurs chimiques.
Dans ce qui suit, on ne fera référence qu'au cas où chaque coupleur/diviseur est placé en présence de la substance réactive et que par contre les réflecteurs chromatiques ne le sont pas. On se place donc dans le cadre de la figure 5. Il doit toutefois être clair que l'invention n'est pas limitée à ce cas de figure.
Quoi qu'il en soit, si le but est de réaliser un capteur chimique, par exemple un capteur de gaz, la solution de la figure 10 va permettre d'obtenir des mesure pratiquement indépendantes de la présence de paramètres perturbateurs.
En effet, il est très courant, notamment dans le cas d'une composition gazeuse, que si la substance réactive choisie réagit avec ce paramètre par pénétration de celui-ci dans sa structure perméable (et donc interaction des produits réactifs de la substance avec ladite composition), que des paramètres physiques secondaires perturbateurs (tels que la température) agissent également sur l'indice de réfraction de ladite substance et viennent en conséquence perturber la réponse du capteur qui ne réagit plus alors seulement au seul paramètre chimique.
La solution de l'invention tient en trois étapes
Tout d'abord, un second coupleur n x n va être adjoint à un capteur considéré. Ainsi, pour le capteur 10', de la figure 10, un second coupleur 5' est raccordé en entrée aux réflecteurs spectralement sélectifs 6i, 16i, de telle sorte que ces derniers soient interposés entre les deux coupleurs/diviseurs 5, 5' du capteur en question.
Tout d'abord, un second coupleur n x n va être adjoint à un capteur considéré. Ainsi, pour le capteur 10', de la figure 10, un second coupleur 5' est raccordé en entrée aux réflecteurs spectralement sélectifs 6i, 16i, de telle sorte que ces derniers soient interposés entre les deux coupleurs/diviseurs 5, 5' du capteur en question.
Ensuite, le second coupleur/diviseur de cette paire 5j, 5'j, ..., est rendu insensible au paramètre chimique que doit détecter le premier (si). Dans le cas d'un gaz, on peut en particulier prévoir de recouvrir d'une gaine la couche réactive choisie, sans pour autant empêcher l'influence de la température de s'exercer sur ladite substance (en prévoyant par exemple, pour cela, une très fine gaine 26 de polymère imperméable au gaz comme sur la figure 11). En d'autres termes, la présence de ce "masque" a pour but de ne conserver sur la substance réactive que l'influence du, ou des, seuls paramètres physiques perturbateurs identifiés.
Une alternative à cette solution "d'isolement" du coupleur/diviseur pourrait être d'utiliser des substances à sensibilités différentes par rapport au(x) paramètre(s) à détecter.
Enfin, on va en bout de ligne, boucler sur lui-même le réseau, comme l'indique le repère 28, par exemple soit par un bouclage physique de fibres, soit en utilisant un miroir.
Avec un réseau ainsi réalisé, la réponse relative au paramètre chimique à l'aller du signal lumineux défini, pour le capteur 10' en question de la chaîne, par l'ensemble constitué par le coupleur 5 et les miroirs chromatiques 6i, 16, sera corrigée par la réponse au retour de l'onde déterminée, par le coupleur/diviseur "supplémentaire" 5'l associée aux mêmes miroirs chromatiques, cette réponse étant alors relative au(x) paramètre(s) physique (s) perturbateur(s).
De préférence, deux paires successives de coupleurs/diviseurs constituées de la manière susmentionnée seront espacées l'un de l'autre d'au moins quelques mètres, comme schématisé sur la figure 11 (espace d).
Bien entendu, l'invention ne se limite pas strictement aux modes de réalisation évoqués ci-avant.
En particulier, en alternative à l'utilisation, en tant que moyens opératoires de modification des propriétés optiques de lumière issue de l'émetteur 3, de la substance réactive 18 (sous forme de couche, voire de matière liquide), on pourrait notamment prévoir des moyens de traction propres à agir sur une extrémité du dispositif, à l'opposé des moyens émetteur/récepteur 3. On obtiendra ainsi un tensiomètre, le paramètre "à détecter" devenant la force ou la pression exercée. On pourrait même prévoir de faire réagir à ce même paramètre chaque capteur individuellement, obtenant ainsi un réseau de tensiomètres.
Claims (7)
1.- Dispositif optique comprenant
- des moyens (3) d'émission et de réception de lumière, pour émettre un signal lumineux incident et recevoir en retour un signal lumineux réfléchi,
- au moins un capteur optique (10au 10b' 101) relié par au moins une fibre optique (13) auxdits moyens d'émission et de réception de lumière, pour la détection de variations de paramètres physique(s) ou chimique(s) d'un milieu environnant dans lequel le capteur est placé, ledit capteur étant pourvu de réflecteurs optiques spectralement sélectifs (6a 16a, 6bt 16b, ...) pour une réflexion sélective vers lesdits moyens de réception d'une partie au moins de la lumière incidente reçue, dans un domaine spectral déterminé, ces réflecteurs optiques étant associés, ou liés, à des moyens opératoires (18) pour modifier les propriétés optiques de la lumière issue des moyens d'émission de lumière, en fonction des paramètres physique(s) ou chimique(s) dudit milieu environnant, caractérisé en ce que le, ou l'un au moins des, capteur(s) comprend en outre un coupleur optique (5a 5bt ...) à au moins une fibre optique d'entrée raccordée auxdits moyens d'émission et de réception et n fibres optiques de sortie (n > 1), certaines au moins des n fibres de sortie dudit coupleur étant pourvues desdits réflecteurs optiques spectralement sélectifs (6a, 6bt ... ; 16a, 16b, ...,) pour une réflexion sélective dans le domaine spectral de la lumière incidente.
2.- Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'émission et de réception de lumière comprennent des moyens de réflectométrie optique temporelle (3)
3.- Dispositif optique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que
- il comprend une chaîne de capteurs (10a, 10b, ...) disposés en série, et
- plusieurs des fibres optiques de sortie du coupleur d'un capteur optique déterminé de la chaîne sont pourvues desdits réflecteurs optiques spectralement sélectifs, lesquels sont alors disposés sensiblement à une même distance du réflectomètre et sont spectralement désaccordés entre eux.
4.- Dispositif optique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que
- il comprend une chaîne de capteurs (10au 10b, ...) disposés en série, et
- lesdits réflecteurs optiques spectralement sélectifs de différents capteurs optiques (10a' ..., 10) de ladite chaîne sont spectralement désaccordés entre eux.
5.- Dispositif optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens opératoires (18) de modification des propriétés optiques de la lumière issue des moyens (3) d'émission de lumière comprennent une substance réactive placée en liaison avec certains au moins desdits réflecteurs optiques sélectifs (6at 6b ... , 16a, 16b, ...,) et disposée pour être au moins en partie pénétrée par la lumière issue desdits moyens d'émission de lumière, cette substance réactive étant sélectionnée pour avoir un indice de réfraction sensible à, et qui varie, en fonction de la variation desdites propriétés physique(s) ou chimique(s) du milieu dans lequel ladite substance et le(s) capteur(s) correspondant(s) sont disposés.
6.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens opératoires (18) de modification des propriétés optiques de la lumière issue des moyens d'émission de lumière comprennent une substance réactive placée en liaison avec et les fibres optiques d'entrée et de sortie de certains au moins des coupleurs (5a 5b' ..,) et disposée pour être au moins en partie pénétrée par la lumière desdits moyens (3) d'émission de lumière, cette substance réactive étant sélectionnée pour avoir un indice de réfraction sensible à, et qui varie, en fonction de la variation desdites propriétés physique(s) ou chimique(s) du milieu dans lequel le capteur considéré est disposé, le taux de dérivation de la lumière dans ces coupleurs variant en conséquence.
7.- Dispositif optique selon les revendications 3 ou 4 et 6, caractérisé en ce que
- la substance réactive (18) du coupleur d'un capteur optique (10',) déterminé est perméable à un composé chimique, tel qu'une composition gazeuse, en tant que paramètre chimique à détecter,
- dans la mesure où la sensibilité de ladite substance réactive à ce composé chimique induit des variations de paramètres physiques secondaires perturbateurs, tels que la température ou la pression, auxquels ladite substance est également sensible, un coupleur optique additionnel (5') comprenant n fibres optiques d'entrée et n fibres optiques de sortie (n > 1), est raccordé par ses fibres d'entrée aux réflecteurs optiques spectralement sélectifs (6,, 16,) dudit capteur et les fibres du coupleur additionnel sont placées en contact avec ladite substance réactive (18),
- un masque (26) est adjoint auxdites fibres du coupleur additionnel pour rendre sa substance réactive (18) pratiquement insensible audit composé chimique tout en conservant sa sensibilité auxdites variations des paramètres physiques secondaires,
- et des moyens (28) de renvoi de la lumière dans lesdites fibres optiques du dispositif sont disposés après le dernier capteur de la chaîne, de manière que la réponse dudit capteur (10',), à l'aller, à la lumière incidente issue des moyens d'émission (3) soit corrigée par la réponse au retour de l'onde.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9505999A FR2734374B1 (fr) | 1995-05-19 | 1995-05-19 | Dispositif optique comportant des capteurs et des reflecteurs spectralement selectifs |
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| FR9505999A FR2734374B1 (fr) | 1995-05-19 | 1995-05-19 | Dispositif optique comportant des capteurs et des reflecteurs spectralement selectifs |
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| FR2734374A1 true FR2734374A1 (fr) | 1996-11-22 |
| FR2734374B1 FR2734374B1 (fr) | 1997-06-27 |
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ID=9479196
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- 1995-05-19 FR FR9505999A patent/FR2734374B1/fr not_active Expired - Lifetime
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| FR2734374B1 (fr) | 1997-06-27 |
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