FR2751409A1 - Optical temperature sensor with linear electro-optical modulation - Google Patents
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Abstract
Description
Parmi les capteurs de température, certains font appel à la modification de propriétés optiques. Ainsi, certains capteurs utilisent la variation en fonction de la température de l'émission d'un corps placé en bout d'une fibre optique (R.R. Dils, Journal of Applied Physics, vol.54, mars 1983, p.1198-1201), ou encore la variation de la luminescence de certains éléments, la variation de rotativité d'un milieu... Ces diverses techniques permettent un grand choix de plages de température, mais la résolution peut aller de 30C, à au mieux 0,1 C dans le cas d'un micro-corps noir en bout de fibre (Techniques de l'ingénieur R 2 800). Some of the temperature sensors use the modification of optical properties. Thus, some sensors use the variation as a function of the temperature of the emission of a body placed at the end of an optical fiber (RR Dils, Journal of Applied Physics, vol.54, March 1983, p.1198-1201) , or the variation of the luminescence of certain elements, the variation of rotativity of a medium ... These various techniques allow a wide choice of temperature ranges, but the resolution can range from 30C to at most 0.1C in the case of a black micro-body at the end of fiber (Engineering Techniques R 2 800).
On peut aussi utiliser les variations des caractéristiques de transmission d'une fibre optique, comme la modification du spectre de transmission de la fibre, ou la modification du couplage cceur- gaine. Ces types de capteurs permettent dTobtenir une relativement bonne précision, avec une résolution de 0,1 C (Techniques de l'ingénieur R 2 800)
D'autres capteurs sont basés sur la forte variation de l'indice de réfraction (donc de la biréfringence) avec la température de certains matériaux. De nombreux matériaux, qualifiés de thermo-optiques, présentent cette propriété, par exemple: le rutile Tio2, le phosphate dihydrogéné d'ammonium NH4H2PO4 (ADP), le phosphate dihydrogéné de potassium KH2P04 (KDP), les perovskites...Variations in the transmission characteristics of an optical fiber can also be used, such as modifying the transmission spectrum of the fiber, or modifying the covalent coupling. These types of sensors make it possible to obtain a relatively good precision, with a resolution of 0.1 C (Engineering Techniques R 2 800)
Other sensors are based on the strong variation of the refractive index (thus of the birefringence) with the temperature of certain materials. Many materials, termed thermo-optical, have this property, for example: Tio2 rutile, ammonium dihydrogen phosphate NH4H2PO4 (ADP), potassium dihydrogen phosphate KH2PO4 (KDP), perovskites, etc.
L'effet thermo-optigue a été mis en oeuvre dans un capteur de température utilisant simultanément l'effet Faraday pour des mesures de champ électrique ou magnétique (European Patent
Application, publication number 0 390 581 A2). Les performances obtenues dans la mesure de température peuvent être satisfaisantes, bien que leur précision absolue soit médiocre (au mieux +1,4 C). The thermo-optical effect has been implemented in a temperature sensor using simultaneously the Faraday effect for electrical or magnetic field measurements (European Patent
Application, publication number 0 390 581 A2). The performances obtained in the measurement of temperature can be satisfactory, although their absolute precision is mediocre (at best +1,4 C).
On peut également utiliser l'effet thermo-optique dans des thermomètres appelés polarimétriques par variation de biréfringence. Un tel thermomètre a été développé par A.J. Rodgers (optical temperature sensor for high voltage applications, Applied
Optics vol.21 n"5 mars 1982 p.882-885). Ce capteur permet une mesure de température dans la plage 20-1800C, avec une résolution de t20C. La détermination de la température s'effectue par mesure de différence de puissance entre la lumière sortant du laser et celle issue de la tête du capteur (le cristal thermo-optique est placé avec une lame quart d'onde entre deux polariseurs). Ce thermomètre peut être utilisé en milieu hostile (présence de forts champs électriques ou magnétiques), mais ne donne pas des mesures précises et justes de la température absolue ou relative.The thermo-optical effect can also be used in so-called polarimetric thermometers by variation of birefringence. Such a thermometer was developed by AJ Rodgers (optical temperature sensor for high voltage applications, Applied
Optics vol.21 n ° 5 March 1982 p.882-885) This sensor allows a temperature measurement in the range 20-1800C, with a resolution of t20 C. The determination of the temperature is carried out by measurement of power difference between the light coming out of the laser and that coming from the sensor head (the thermo-optical crystal is placed with a quarter-wave plate between two polarizers) This thermometer can be used in a hostile environment (presence of strong electric or magnetic fields) ), but does not give precise and accurate measurements of the absolute or relative temperature.
L'invention proposée ici consiste en un capteur de température combinant les effets thermo-optique et électro-optique linéaire (effet Pockels: variation linéaire de biréfringence en fonction de la tension appliquée à un cristal présentant cette propriété) que présentent certains cristaux et son système d'asservissement associé qui repère un point de fonctionnement appelé point de doublement de fréquence. L'asservissement consiste à suivre ce point en compensant par exemple toute variation de biréfringence d'origine thermo-optique par une variation de biréfringence par effet électro-optique. Le fait de compenser le premier effet par le second permet d'envisager des résolutions dans la mesure de variations de température inférieures à 10-3 K. De plus, ce nouveau capteur est particulièrement adapté à des mesures en milieux hostiles. The invention proposed here consists of a temperature sensor combining the linear thermo-optical and electro-optical effects (Pockels effect: linear variation of birefringence as a function of the voltage applied to a crystal exhibiting this property) that certain crystals and its system exhibit. associated servo which identifies an operating point called frequency doubling point. Servo-control consists in following this point by compensating, for example, any birefringence variation of thermo-optical origin by a birefringence variation by electro-optical effect. The fact of compensating the first effect by the second makes it possible to consider resolutions in the measurement of temperature variations of less than 10-3 K. Moreover, this new sensor is particularly suitable for measurements in hostile environments.
Résumé de l'invention
La présente invention permet de mesurer des variations de température avec une excellente précision, sur une plage de température que l'on peut adapter selon le montage employé et le cristal (ou les cristaux) utilisé(s).Summary of the invention
The present invention makes it possible to measure temperature variations with excellent precision, over a temperature range that can be adapted according to the assembly employed and the crystal (or crystals) used.
Un cristal à la fois électro-optique et thermo-optique (ou deux cristaux l'un thermo-optique et l'autre électro-optique) est (sont) placé(s) entre deux lames quart d'onde, elles-mêmes placées entre deux polariseurs. Le faisceau laser traversant cet ensemble est ainsi modulé en intensité par application d'un champ électrique au dit cristal électro-optique. Le but de cette invention est de mesurer des variations de température en asservissant un point de fonctionnement donné, soit en modifiant la partie continue de la tension de modulation appliquée au cristal électro-optique, soit par rotation d'un polariseur, soit par régulation directe de température. A crystal that is both electro-optical and thermo-optical (or two crystals, one thermo-optical and the other electro-optical) is (are) placed between two quarter-wave plates, themselves placed. between two polarizers. The laser beam passing through this assembly is thus modulated in intensity by applying an electric field to said electro-optical crystal. The object of this invention is to measure temperature variations by controlling a given operating point, either by modifying the continuous portion of the modulation voltage applied to the electro-optical crystal, or by rotation of a polarizer, or by direct regulation. temperature.
La connaissance de la compensation nécessaire pour conserver ce point de fonctionnement permet de déterminer la variation de température qu'a subie le cristal thermo-optique. Knowing the compensation required to maintain this operating point makes it possible to determine the temperature variation experienced by the thermo-optical crystal.
Description détaillée de l'invention
L'invention est schématisée sur la figure 1. Le montage comprend une source laser 1 (U.V., visible ou I.R.), dont le faisceau émis traverse successivement une éventuelle fibre optique 2, un polariseur 3, une lame quart d'onde 4 dont les axes sont à 45" par rapport à l'axe du polariseur 3, un cristal électrooptique et thermo-optique 5 placé de telle façon que ses axes soient parallèles aux axes de la lame quart d'onde 4. Le cristal 5 présente une biréfringence naturelle. On choisit un cristal dans lequel la biréfringence varie proportionnellement au champ électrique appliqué entre deux faces du cristal (effet électrooptique linéaire), et proportionnellement à la température du cristal (effet thermo-optique linéaire). Ces effets linéaires peuvent être accompagnés d'effets d'ordre supérieur.Detailed description of the invention
The invention is shown diagrammatically in FIG. 1. The assembly comprises a laser source 1 (UV, visible or IR) whose emitted beam passes successively through a possible optical fiber 2, a polarizer 3, a quarter-wave plate 4 whose axes are at 45 "with respect to the axis of the polarizer 3, an electro-optical and thermo-optical crystal 5 placed in such a way that its axes are parallel to the axes of the quarter-wave plate 4. The crystal 5 has a natural birefringence A crystal is chosen in which the birefringence varies proportionally to the electric field applied between two faces of the crystal (linear electro-optical effect), and proportionally to the temperature of the crystal (linear thermo-optical effect) .These linear effects may be accompanied by effects higher order.
Le faisceau laser généré par la source laser, qui après avoir traversé le polariseur 3, la lame quart d'onde 4, le cristal électro-optique et thermo-optique 5, traverse une deuxième lame quart d'onde 6 dont les axes sont parallèles à ceux de la première lame quart d'onde 4, puis un analyseur 7. Le faisceau de sortie de cet ensemble traverse éventuellement une fibre optique 8, puis est prélevé par un dispositif de détection de lumière 9 (photodiode par exemple), dont le signal électrique de sortie est directement proportionnel à l'intensité lumineuse détectée. The laser beam generated by the laser source, which after passing through the polarizer 3, the quarter wave plate 4, the electro-optical and thermo-optical crystal 5, passes through a second quarter-wave plate 6 whose axes are parallel to those of the first quarter wave plate 4, then an analyzer 7. The output beam of this assembly eventually passes through an optical fiber 8, then is taken by a light detection device 9 (photodiode for example), the electrical output signal is directly proportional to the detected light intensity.
Le cristal électro-optique et thermo-optique 5 est muni d'électrodes afin de lui appliquer une tension électrique. La figure 1 présente le dit cristal 5 dans une configuration transverse dans laquelle la tension appliquée est perpendiculaire à l'axe de transmission du faisceau laser à travers ce cristal. The electro-optical and thermo-optical crystal 5 is provided with electrodes in order to apply an electrical voltage thereto. FIG. 1 shows said crystal 5 in a transverse configuration in which the applied voltage is perpendicular to the axis of transmission of the laser beam through this crystal.
Mais le cristal 5 peut également être placé dans une configuration longitudinale, c'est-à-dire une géométrie dans laquelle la tension appliquée au cristal est parallèle à l'axe de transmission du faisceau laser, les électrodes étant alors transparentes à la longueur d'onde émise par la source laser 1.But the crystal 5 can also be placed in a longitudinal configuration, that is to say a geometry in which the voltage applied to the crystal is parallel to the transmission axis of the laser beam, the electrodes then being transparent to the length of the laser. wave emitted by the laser source 1.
Les variations de température du cristal provoquent des variations de la biréfringence du cristal, linéairement avec la température, sur une plage de température donnée (effet thermooptique linéaire). Cette variation module le faisceau laser traversant le dit cristal 5, changeant son état de polarisation en fonction de la tension à chaque instant. The crystal temperature variations cause variations of the crystal birefringence, linearly with temperature, over a given temperature range (linear thermooptic effect). This variation modulates the laser beam passing through said crystal 5, changing its state of polarization as a function of the voltage at each instant.
La tension appliquée au cristal électro-optique 5 est la superposition au niveau de l'amplificateur 11 d'une tension continue commandée par le système de commande de tension continue 13, et d'une tension sinusoïdale à la fréquence o0 générée par l'oscillateur 12. Cette tension influe sur le cristal d'une façon similaire à la température, c'est-à-dire que la biréfringence du cristal varie linéairement avec la tension par effet électrooptique. The voltage applied to the electro-optical crystal 5 is the superposition at the amplifier 11 of a DC voltage controlled by the DC voltage control system 13, and of a sinusoidal voltage at the frequency o0 generated by the oscillator 12. This voltage influences the crystal in a manner similar to the temperature, that is to say that the birefringence of the crystal varies linearly with the voltage by electrooptic effect.
Le passage à travers le polariseur 7 (nommé analyseur) produit un signal lumineux modulé en intensité. Cette intensité en sortie de l'analyseur 7 suit une variation de type cosinus carré en fonction du déphasage induit dans le montage par la variation de température perçue par le cristal ou de la tension qui lui est appliquée. L'expression de cette intensité est
I=Io Cos2(P+r/2) (1) où
ss est l'angle de l'analyseur 7 par rapport aux axes du cristal électro-optique 5,
r est le déphasage introduit dans le cristal électro-optique et thermo-optique 5, dû à la fois à la biréfringence naturelle de ce cristal et aux variations de biréfringence d'origines thermooptique et électro-optique dans le dit cristal 5.The passage through the polarizer 7 (called analyzer) produces an intensity modulated light signal. This output intensity of the analyzer 7 follows a variation of cosine type square as a function of the phase shift induced in the mounting by the variation in temperature perceived by the crystal or the voltage applied thereto. The expression of this intensity is
I = Io Cos2 (P + r / 2) (1) where
ss is the angle of the analyzer 7 with respect to the axes of the electro-optical crystal 5,
r is the phase shift introduced into the electro-optical and thermo-optical crystal 5, due both to the natural birefringence of this crystal and to the birefringence variations of thermooptic and electro-optical origins in said crystal 5.
Ce déphasage r peut être décomposé en trois contributions:
Le déphasage F1 lié à la biréfringence naturelle du cristal 5: 2iLn
vi = (2)
avec L longueur du cristal électro-optique et thermo-optique
5 traversé par le faisceau laser,
An biréfringence naturelle du cristal électro-optique et
thermo-optique 5.This phase shift r can be decomposed into three contributions:
The phase shift F1 linked to the natural birefringence of the crystal 5: 2iLn
vi = (2)
with L length of the electro-optical and thermo-optical crystal
5 crossed by the laser beam,
A natural birefringence of the electro-optical crystal and
thermo-optical 5.
X longueur d'onde dans le vide de la source laser 1 (ex:
pour le laser HeNe, h=632,8.10-9m). X wavelength in the vacuum of the laser source 1 (ex:
for the HeNe laser, h = 632.8.10-9m).
Le déphasage r2 lié à la variation de biréfringence induite par effet thermo-optique dans le cristal 5. Dans une plage de quelques degrés autour d'un point de fonctionnement donné, on peut considérer cet effet comme linéaire en fonction de la température, le coefficient de proportionnalité entre la variation de biréfringence dans le cristal et la variation de température qui a induit cette variation de biréfringence étant le coefficient thermo-optique défini par: #=(#(#n)/#T) (3)
où T est la température, et 6T sa variation
An est la biréfringence naturelle du cristal, 6(An) sa
variation.The phase shift r2 related to the birefringence variation induced by the thermo-optical effect in the crystal 5. In a range of a few degrees around a given operating point, this effect can be considered as linear as a function of the temperature, the coefficient of proportionality between the variation of birefringence in the crystal and the temperature variation which induced this variation of birefringence being the thermo-optical coefficient defined by: # = (# (# n) / # T) (3)
where T is the temperature, and 6T its variation
An is the natural birefringence of the crystal, 6 (An) sa
variation.
Ce déphasage vaut:
2tL
F2= X T (4)
La troisième contribution est celle du déphasage r3 lié à la variation de biréfringence induite par effet électro-optique linéaire, dans le cristal électro-optique 5:
F3 = Vm (5)
#3 = #Vm/V#
où Vm est la tension de modulation en sortie de
l'amplificateur 11, appliquée au cristal électro-optique
5,
Vs est la tension demi-onde du cristal électro-optique
5.This phase shift is:
2TL
F2 = XT (4)
The third contribution is that of the phase shift r3 related to the linear electro-optical effect induced birefringence variation in the electro-optical crystal 5:
F3 = Vm (5)
# 3 = # Vm / V #
where Vm is the modulation voltage at the output of
the amplifier 11, applied to the electro-optical crystal
5
Vs is the half-wave voltage of the electro-optical crystal
5.
La tension demi-onde d'un cristal électro-optique est définie comme la tension nécessaire à appliquer à un cristal pour que le déphasage entre deux composantes du champ électrique de la polarisation du faisceau laser soit égal à it. Cette tension vaut V# = #d
n3rL avec d: dimension du cristal selon laquelle on applique la tension
(épaisseur d dans le cas de la configuration transverse,
longueur L dans le cas de la configuration longitudinale).The half-wave voltage of an electro-optical crystal is defined as the voltage required to be applied to a crystal so that the phase difference between two components of the electric field of the polarization of the laser beam is equal to it. This voltage is worth V # = #d
n3rL with d: dimension of the crystal according to which the tension is applied
(thickness d in the case of the transverse configuration,
length L in the case of the longitudinal configuration).
L: longueur du cristal traversé par le faisceau,
r coefficient électro-optique du cristal,
Afin de comparer les performances des cristaux, on considère généralement leur tension demi-onde réduite, qui est la tension demi-onde dans le cas où L=d.L: length of the crystal crossed by the beam,
r electro-optical coefficient of the crystal,
In order to compare the performances of the crystals, their reduced half-wave voltage is generally considered, which is the half-wave voltage in the case where L = d.
Vit=X/ (n3*r) . (7)
A titre d'exemple, ~ t.. > ;3i. n demi-onde est de l'ordre de 104 Volts pour ADP, et peut être inférieure à 50 Volts pour certains matériaux comme le sélénate de rubidium hydrogéné RbH2SeO4 (RHSe) [J.P. Salvestrini, M.D. Fontana, Brevet d'invention n094 02015]. Vit = X / (n3 * r). (7)
For example, ~ t ..>; 3i. n half-wave is of the order of 104 volts for ADP, and may be less than 50 volts for some materials such as hydrogenated rubidium selenate RbH2SeO4 (RHSe) [JP Salvestrini, MD Fontana, Patent No. 02015 02015].
La tension effectivement nécessaire pour commander le cristal et provoquer un déphasage donné est proportionnelle à Vit, mais on peut aussi faire varier le rapport d/L pour réduire cette valeur. The voltage actually needed to control the crystal and cause a given phase shift is proportional to Vit, but we can also vary the ratio d / L to reduce this value.
Le déphasage lié à la biréfringence induite par effet électrooptique dans le cristal 5 est donc proportionnel à l'amplitude du champ électrique appliqué au dit cristal électro-optique et thermo-optique, et est donc proportionnel à la tension appliquée au cristal par l'amplificateur 11. The phase shift related to the birefringence induced by electrooptic effect in the crystal 5 is therefore proportional to the amplitude of the electric field applied to said electro-optical and thermo-optical crystal, and is therefore proportional to the voltage applied to the crystal by the amplifier 11.
Le déphasage produit dans un cristal thermo-optique par une variation de température donnée sera d'autant plus facilement détectable que le coefficient thermo-optique du cristal 4 est élevé. Pour obtenir de grandes variations de biréfringence par effet thermo-optique lors de faibles variations de température, on peut utiliser un cristal d'ADP, qui a un coefficient thermooptique d'une valeur de 48,9.10-1 OC-? [N.P.BARNES, P.J.GETTEMY et
R.S.ADHAV, Journal of the Optical Society of America, 72,895 (1982)], ou BaTiO3, dont le coefficient thermo-optique vaut 1,42.10-4 OC-l. [F.ABDI, M.AILLERIE et M.D.FONTANA, Nonlinear
Optics, 1996, vol. 16, pp. 65-78]. The phase shift produced in a thermo-optical crystal by a given temperature variation will be all the more easily detectable as the thermo-optical coefficient of the crystal 4 is high. To obtain large variations of birefringence by thermo-optical effect at low temperature variations, it is possible to use an ADP crystal, which has a thermooptic coefficient of a value of 48.9 × 10 -1 OC-. [NPBARNES, PJGETTEMY and
RSADHAV, Journal of the Optical Society of America, 72,895 (1982)], or BaTiO3, whose thermo-optical coefficient is 1.42.10-4 OC-1. [F.ABDI, M.AILLERIE and MDFONTANA, Nonlinear
Optics, 1996, vol. 16, pp. 65-78].
Si l'on veut compenser le déphasage induit par effet thermooptique par un déphasage créé par effet électro-optique, il faut utiliser un cristal électro-optique dont la tension demi-onde réduite soit aussi faible que possible. En effet plus la tension demi-onde réduite est faible, moins la tension à appliquer au cristal pour obtenir un déphasage donné est importante. On peut dans ce cas privilégier des cristaux comme RHSe. If it is desired to compensate for the phase shift induced by the thermo-optical effect by a phase shift created by electro-optical effect, it is necessary to use an electro-optical crystal whose reduced half-wave voltage is as low as possible. Indeed, the lower the half-wave voltage is reduced, the less the voltage to be applied to the crystal to obtain a given phase shift is important. In this case, it is possible to favor crystals such as HSHE.
Le faisceau lumineux modulé en intensité perçu après l'analyseur 7, après passage dans la fibre optique 8, est capté par le système de détection de lumière 9, qui transforme ce signal en signal électrique. Ce signal est directement proportionnel à l'intensité lumineuse en sortie de l'ensemble optique. On peut l'écrire sous la forme:
E=Eo cos 2 (ss+r/2 ) (8)
La figure 2 illustre la courbe de réponse du système. Si l'on suppose l'analyseur fixe, l'abscisse correspond au demi-déphasage perçu entre les deux composantes de la polarisation du faisceau laser sur les axes du cristal 5, lors de la traversée par le faisceau du dit cristal.The intensity-modulated light beam perceived after the analyzer 7, after passing through the optical fiber 8, is picked up by the light detection system 9, which transforms this signal into an electrical signal. This signal is directly proportional to the light intensity at the output of the optical assembly. It can be written as:
E = Eo cos 2 (ss + r / 2) (8)
Figure 2 illustrates the response curve of the system. If the fixed analyzer is assumed, the abscissa corresponds to the half-phase difference perceived between the two components of the polarization of the laser beam on the axes of the crystal 5, during the crossing by the beam of said crystal.
Une variation du point de fonctionnement peut être dû:
- soit à une variation de la température du cristal 5 par effet thermo-optique.A variation of the operating point may be due:
or to a variation of the temperature of the crystal 5 by thermo-optical effect.
- soit à une variation de la tension continue appliquée au cristal 5 par l'intermédiaire de effet électro-optique,
- soit à l'association de ces deux phénomènes.or to a variation of the DC voltage applied to the crystal by means of an electro-optical effect,
- or to the combination of these two phenomena.
Le point de fonctionnement peut aussi être modifié par rotation de l'analyseur 7. L'abscisse de la figure 2 est directement proportionnelle à la position angulaire du dit analyseur 7, car la grandeur dont dépend le cosinus carré dans l'équation (1) est la somme du demi-déphasage induit dans le cristal et de la position angulaire de cet analyseur--7. The operating point can also be modified by rotation of the analyzer 7. The abscissa of FIG. 2 is directly proportional to the angular position of said analyzer 7, since the magnitude on which the square cosine depends in equation (1) is the sum of the half-phase shift induced in the crystal and the angular position of this analyzer - 7.
Lorsque l'on applique au cristal électro-optique 5 une tension continue et une tension alternative à la fréquence o0, le faisceau lumineux en sortie de l'analyseur 7 (ainsi que le signal électrique issu du système de détection de la lumière) est, quel que soit le point de fonctionnement, composé spectralement de trois fréquences [M.AILLERIE, M.D.FONTANA, F.ABDI, C.CARABATOS
NEDELEC et N.THEOFANOUS, SPIE Vol.1018 Electro-optic and Magneto
Optic Materials (1988)]:
- une composante continue (fréquence nulle) correspondant à l'intensité moyenne transmise par le montage,
- une composante à la fréquence de modulation oo appliquée au cristal électro-optique et thermo-optique 5,
- une composante à la fréquence 2 *oo, double de celle appliquée au cristal électro-optique et thermo-optique 5.When applying to the electro-optical crystal 5 a DC voltage and an AC voltage at the frequency o0, the light beam at the output of the analyzer 7 (as well as the electrical signal from the light detection system) is, whatever the operating point, spectrally composed of three frequencies [M.AILLERIE, MDFONTANA, F.ABDI, C.CARABATOS
NEDELEC and N.THEOFANOUS, SPIE Vol.1018 Electro-optic and Magneto
Optic Materials (1988)]:
a continuous component (zero frequency) corresponding to the average intensity transmitted by the assembly,
a component at the modulation frequency o o applied to the electro-optical and thermo-optical crystal 5,
a component at the frequency 2 * oo, twice that applied to the electro-optical and thermo-optical crystal 5.
L'invention consiste à asservir le système décrit sur la figure 1 afin de conserver un point de fonctionnement donné sur la courbe de la figure 2. Ce point peut être quelconque sur la courbe. Mais afin d'obtenir le point de fonctionnement le plus sensible possible, le système est asservi sur le point où l'intensité transmise est à la fréquence double de celle de modulation, c'est-à-dire lorsque la valeur moyenne du signal électrique modulant le cristal électro-optique et thermo-optique 5 se trouve en regard d'un minimum de transmission sur la dite courbe (point O). The invention consists in controlling the system described in FIG. 1 in order to keep a given operating point on the curve of FIG. 2. This point may be arbitrary on the curve. But in order to obtain the most sensitive operating point possible, the system is slaved to the point where the transmitted intensity is at the frequency twice that of modulation, that is to say when the average value of the electrical signal modulating the electro-optical and thermo-optical crystal 5 is opposite a minimum of transmission on said curve (point O).
En ce point de fonctionnement, le signal de sortie ne comprend que deux composantes spectrales: une composante continue (valeur moyenne) et une composante à la fréquence double de celle de modulation. At this point of operation, the output signal comprises only two spectral components: a DC component (average value) and a component at the frequency double that of modulation.
Pour des déplacements du point de fonctionnement légèrement à droite ou légèrement à gauche de ce point de doublement sur la courbe de réponse du système, les signaux en sortie du système de détection de lumière sont de forme similaire. Il existe seulement un déphasage par rapport au signal électrique de modulation différent dans les deux cas. Afin de préciser le sens du déplacement, on utilise une détection synchrone, qui permet généralement de déterminer l'amplitude et la phase d'une composante spectrale précise dans un signal complexe ou noyé dans un bruit important. On va analyser ici la composante du signal du système de détection de lumière 9 à la fréquence o0:
Si on se trouve exactement au point de doublement, la composante spectrale à la fréquence < oo dans le signal issu du système de détection 9 n'existe pas. Elle a une amplitude nulle.For displacements of the operating point slightly to the right or slightly to the left of this doubling point on the response curve of the system, the output signals of the light detection system are of similar shape. There is only one phase shift compared to the different modulation electrical signal in both cases. In order to specify the direction of the displacement, a synchronous detection is used, which generally makes it possible to determine the amplitude and the phase of a precise spectral component in a complex signal or embedded in a large noise. Here we will analyze the signal component of the light detection system 9 at the frequency o0:
If one is exactly at the doubling point, the spectral component at the frequency <oo in the signal coming from the detection system 9 does not exist. It has zero amplitude.
a sortie de la détection synchrone 10 est également nulle. a output of the synchronous detection 10 is also zero.
Si le système se trouve dans des conditions telles que, sur la courbe de réponse du système, le point de fonctionnement se trouve à droite du point de doublement, le système se rapproche progressivement dtun fonctionnement en phase (point A), c'est-àdire un fonctionnement où le signal de sortie est à la fréquence de modulation et tel que les maxima de la tension de modulation correspondent à des maxima d'intensité transmise. Dans le cas d'un tel décalage, la composante du signal de sortie à la fréquence de modulation 0 est donc en r ! .-. :ec le signal de modulation, et d'amplitude d'autant plus importante que l'on s'éloigne du point de doublement. La sortie de la détection 10 est positive et d'autant plus importante que l'on s'éloigne du point de doublement. If the system is in such a condition that, on the system response curve, the operating point is to the right of the doubling point, the system is progressively closer to phase operation (point A), ie ie an operation where the output signal is at the modulation frequency and such that the maximums of the modulation voltage correspond to transmitted intensity maxima. In the case of such an offset, the component of the output signal at the modulation frequency 0 is therefore r! .-. : ec the modulation signal, and amplitude all the more important as one moves away from the doubling point. The output of the detection 10 is positive and all the more important as one moves away from the doubling point.
Inversement, si le système se trouve dans des conditions telles que, sur la courbe de réponse du système, le point de fonctionnement se trouve à gauche du point de doublement, le système se rapproche progressivement d'un fonctionnement en opposition de phase (point B), c'est-à-dire un fonctionnement où le signal de sortie est à la fréquence de modulation et tel que les maxima de la tension de modulation correspondent d des minima d'intensité transmise. Dans le cas d'un tel décalage, la composante du signal optique de sortie à la fréquence de modulation wo est donc en opposition de phase avec le signal de modulation, et d'intensité d'autant plus importante que l'on s'éloigne du point de doublement. En conséquence, la sortie de la détection 10 devient négative et augmente avec le déplacement. Conversely, if the system is in such a condition that, on the system response curve, the operating point is to the left of the doubling point, the system is progressively closer to counter-phase operation (point B ), that is to say an operation where the output signal is at the modulation frequency and such that the maxima of the modulation voltage correspond to minima of transmitted intensity. In the case of such an offset, the component of the optical output signal at the modulation frequency wo is therefore in phase opposition with the modulation signal, and intensity all the more important as one moves away from the doubling point. As a result, the output of the detection 10 becomes negative and increases with the displacement.
En analysant la composante à < Do du signal de sortie de la photodiode, on sait donc immédiatement dans quel sens effectuer une correction sur la partie continue de la tension de modulation appliquée au cristal électro-optique 5 pour retrouver le point de doublement de fréquence. Le fait de suivre un point de fonctionnement donné revient à garder une phase ss+r/2 donnée. Pour mesurer des variations de température par ce principe, il faut compenser toute variation de biréfringence due à l'effet thermooptique dans le cristal 5 par une variation de biréfringence provoquée par effet électro-optique en modifiant la partie continue de la tension appliquée au cristal électro-optique 5. Le déphasage du à cette seconde variation de biréfringence doit alors correspondre à un déphasage égal en amplitude et opposé en signe au déphasage provoqué par la variation de température par effet thermo-optique dans le cristal 5. By analyzing the <Do component of the output signal of the photodiode, it is therefore immediately known in which direction to perform a correction on the continuous portion of the modulation voltage applied to the electro-optical crystal 5 to find the frequency doubling point. Following a given operating point amounts to keeping a given phase ss + r / 2. To measure temperature variations by this principle, it is necessary to compensate for any variation in birefringence due to the thermo-optical effect in the crystal 5 by a variation of birefringence caused by the electro-optical effect by modifying the continuous portion of the voltage applied to the electro-crystal. -optique 5. The phase shift due to this second variation of birefringence must then correspond to a phase shift equal in amplitude and opposite in sign to the phase shift caused by the temperature variation by thermo-optical effect in the crystal 5.
Le suivi d'un point de fonctionnement par modification discrète de la tension continue appliquée par l'amplificateur 11 au cristal électro-optique et thermo-optique 5 s'effectue selon l'algorithme décrit ci-dessous et schématisé sur la figure 3. The monitoring of an operating point by discrete modification of the DC voltage applied by the amplifier 11 to the electro-optical and thermo-optical crystal 5 is carried out according to the algorithm described below and shown schematically in FIG.
Comme nous l'airons signal auparavant, le signal en sortie du détecteur d'amplitude et de phase 10 (détection synchrone), e:" positif ou négatif, selon que l'on se trouve à gauche ou à droite du point de doublement de fréquence que l'on cherche à asservir. As we signal earlier, the output signal of the amplitude and phase detector 10 (synchronous detection), e: "positive or negative, depending on whether one is to the left or to the right of the doubling point of frequency that one seeks to enslave.
On effectue donc d'abord un premier test T1, afin de savoir si le signal en sortie de la détection 10 est positif ou négatif. Si il est positif on effectue le test T2, si il est négatif, on effectue le test T3.Firstly, a first test T1 is carried out in order to know whether the signal at the output of the detection 10 is positive or negative. If it is positive one carries out the test T2, if it is negative, one carries out the test T3.
Les tests T2 et T3 ont la meme fonction. Ils déterminent si on se trouve près ou loin du point de doublement que l'on cherche à poursuivre afin de permettre une compensation variable. Cette disrimination se fait en comparant l'amplitude de sortie du détecteur à un seuil prédéterminé. The T2 and T3 tests have the same function. They determine whether one is near or far from the doubling point that one seeks to pursue in order to allow variable compensation. This disruption is done by comparing the output amplitude of the detector to a predetermined threshold.
- Si l'amplitude de sortie est inférieure au seuil de comparaison, on considère le système de régulation relativement proche du point de fonctionnement recherché. On effectue alors un rattrapage relativement faible en appliquant une tension de biais 2 à la partie continue de la tension de modulation appliquée au cristal par ltamplificateur. If the output amplitude is below the comparison threshold, the control system is considered relatively close to the desired operating point. A relatively weak catch-up is then effected by applying a bias voltage 2 to the DC portion of the modulation voltage applied to the crystal by the amplifier.
- Si l'amplitude de sortie est supérieure au seuil de comparaison, on considère que le système de régulation n'est pas assez proche du point de fonctionnement recherché. On effectue alors un rattrapage relativement rapide en appliquant une tension de biais 1 (d'amplitude supérieure à celle de biais 2) à la partie continue de la tension de modulation appliquée au cristal par l'amplificateur. Cette tension de biais 1 est additionné à la partie continue de la tension de modulation appliquée au cristal électro-optique et thermo-optique pour le test T2. Il est retranché à la partie continue de la tension de modulation appliquée au cristal pour le test T3. - If the output amplitude is greater than the comparison threshold, it is considered that the control system is not close enough to the desired operating point. A relatively fast catch-up is then performed by applying a bias voltage 1 (of amplitude greater than that of bias 2) to the continuous portion of the modulation voltage applied to the crystal by the amplifier. This bias voltage 1 is added to the continuous portion of the modulation voltage applied to the electro-optical and thermo-optical crystal for the T2 test. It is subtracted from the continuous portion of the modulation voltage applied to the crystal for the T3 test.
Une fois la tension de biais appliquée, on effectue une nouvelle analyse du signal de sortie du système de détection de lumière 9. Once the bias voltage has been applied, a new analysis of the output signal of the light detection system 9 is performed.
Simultanément, connaissant la tension de biais appliquée au cristal électro-optique et thermo-optique 5, on en déduit la variation de biréfringence induite par effet électro-optique dans le dit cristal électro-optique. Cela implique donc un déphasage entre les composantes de la lumière incidente à la traversée de ce cristal. Ce déphasage correspond à celui résultant de l'effet thermo-optique, c'est-à-dirh de lc variation de biréfringence due à une variation de tempéracure, su le cristal 5. La valeur de la variation de température 8T est alors liée à la variation 8V de tension continue appliquée au cristal par la relation:
n3xr ;v (9)
#T= n3 xr #V (9)
2xdx#
Le suivi du point de doublement permet de suivre en temps réel les variations de température subies par le cristal 5.Simultaneously, knowing the bias voltage applied to the electro-optical and thermo-optical crystal 5, we deduce the electro-optical effect induced birefringence variation in said electro-optical crystal. This implies a phase shift between the components of the light incident to the crossing of this crystal. This phase shift corresponds to that resulting from the thermo-optical effect, that is to say from the birefringence variation due to a variation of temperature, on the crystal 5. The value of the temperature variation 8T is then linked to the DC voltage variation 8V applied to the crystal by the relation:
n3xr; v (9)
# T = n3 xr #V (9)
2xdx #
The tracking of the doubling point makes it possible to follow in real time the temperature variations undergone by the crystal 5.
Variantes du montage de base Variante n01:
Il est possible d'utiliser à la place du cristal 5 de la figure 1, deux cristaux présentant l'un (le cristal 5) la propriété thermo-optique l'autre (le cristal 5') la propriété électro-optique. Le montage correspondant est présenté sur la figure 4. Dans ce cas, il faut différencier dans les formules les longueurs des deux cristaux L5 et L5,. I1 faut également prendre en compte les biréfringences naturelles des deux cristaux qui donnent des déphasages qui s'ajoutent.Variations of the basic assembly Variant n01:
It is possible to use in place of the crystal 5 of Figure 1, two crystals having one (the crystal 5) the thermo-optical property the other (the crystal 5 ') the electro-optical property. The corresponding arrangement is shown in FIG. 4. In this case, it is necessary to differentiate in the formulas the lengths of the two crystals L5 and L5. It is also necessary to take into account the natural birefringences of the two crystals which give additional phase shifts.
Ce montage peut présenter un avantage dans le choix des deux cristaux selon les propriétés caractéristiques de chacun et selon les performances visées. This arrangement may have an advantage in the choice of the two crystals according to the characteristic properties of each and according to the desired performances.
Si l'on choisit de n'utiliser qu'un seul cristal, il convient de prendre en compte toutes les Caractéristiques concernées, à savoir la tension demi-onde réduite et le coefficient thermooptique du cristal. Or il peut exister une grande disparité dans les performances respectives des propriétés thermo-optique et électro-optique selon le cristal. Ainsi, la tension demi-onde de certains cristaux est assez élevée: z 104 Volts pour ADP ce qui ntest pas très favorable alors qu'il est un 'bon' matériau thermooptique. D'autres matériaux ayant un coefficient thermo-optique plus faible, peuvent avoir des tensions demi-ondes réduites beaucoup moins élevées. Ces cristaux peuvent donc être commandés plus facilement en tension, éventuellement sans amplificateur haute tension (caj tit < cristal HSe > . If we choose to use only one crystal, we must take into account all the relevant characteristics, namely the reduced half-wave voltage and the thermo-optical coefficient of the crystal. However, there may be a great disparity in the respective performances of the thermo-optical and electro-optical properties according to the crystal. Thus, the half-wave voltage of some crystals is quite high: z 104 volts for ADP which is not very favorable while it is a 'good' thermo-optical material. Other materials having a lower thermo-optical coefficient may have much lower half-wave voltages. These crystals can therefore be controlled more easily in voltage, possibly without a high voltage amplifier (caj tit <crystal HSe>.
Variante n 2:
Il est possible de placer à distance la source laser 1 par l'intermédiaire d'une fibre optique 2 (équipée d'un dispositif permettant de faire converger la lumière incidente dans la fibre, et d'un dispositif permettant de collimater le faisceau en sortie de fibre, à l'aide de micro-lentilles par exemple), ou par visée directe.Variant 2:
It is possible to remotely place the laser source 1 via an optical fiber 2 (equipped with a device for converging the light incident in the fiber, and a device for collimating the beam output fiber, using micro-lenses for example), or by direct sighting.
Il est également possible de placer à distance le système de detection de lumière 9 en utilisant une fibre optique 8 (équipée d'un dispositif permettant de faire converger la lumière incidente dans la fibre, et d'un dispositif permettant de collimater le faisceau en sortie de fibre) pour transmettre les variations d'intensité. Ce déport peut lui aussi être effectué par visée directe. It is also possible to remotely locate the light detection system 9 using an optical fiber 8 (equipped with a device for converging the light incident in the fiber, and a device for collimating the beam output of fiber) to transmit the variations of intensity. This offset can also be done by direct sight.
Variante n 3:
Le fait d'utiliser deux cristaux permet de séparer la commande en tension (et donc l'asservissement ou mesure) de la partie proprement sensible à de température, à savoir le cristal thermooptique 5. Ceci présente un grand avantage pour des mesures de température dans des milieux sensibles aux champs électromagnétiques ou électriques. Ainsi, dans ce cas, il est possible d'isoler le seul cristal thermo-optique 5 dans l'enceinte à caractériser en température, en déportant les autres éléments de montage. Le respect de l'alignement des axes tels qu'ils sont décrits dans l'invention pour les différents éléments concernés doit être respecté, et la traversée de toutes les pièces optiques par visée directe ou en utilisant des fibres optiques reste possible. Le cristal thermo-optique 5 peut être ainsi placé dans des conditions telles qu'il soit insensible à d'éventuelles perturbations électriques ou électromagnétiques. Il est alors possible d'utiliser un tel capteur dans des milieux hostiles tels que ceux où sont présents de forts champs électriques et magnétiques.Variant 3:
The fact of using two crystals makes it possible to separate the control in voltage (and thus the servo or measurement) of the part properly sensitive to temperature, namely the thermo-optical crystal 5. This presents a great advantage for temperature measurements in environments sensitive to electromagnetic or electric fields. Thus, in this case, it is possible to isolate the single thermo-optical crystal 5 in the chamber to be characterized in temperature, by deporting the other mounting elements. Compliance with the alignment of the axes as described in the invention for the various elements concerned must be respected, and the crossing of all optical parts by direct sight or using optical fibers is possible. The thermo-optical crystal 5 can thus be placed under conditions such that it is insensitive to any electrical or electromagnetic disturbances. It is then possible to use such a sensor in hostile environments such as those where strong electric and magnetic fields are present.
Le fait d'utiliser deux cristaux donne une relation différente entre la variation de température #T que l'on veut mesurer et la variation de tension SV nécessaire à la compensation électrooptique. Cette relation est:
n3 x L5. x r #V (10)
2 xd5. x L5 x #
On peut influencer sur la valeur de la tension nécessaire à la compensation de la température en modifiant le rapport Ls./(ds,*L=). The fact of using two crystals gives a different relation between the temperature variation #T that one wants to measure and the voltage variation SV necessary for the electro-optical compensation. This relationship is:
n3 x L5. xr #V (10)
2 xd5. x L5 x #
The value of the voltage required for temperature compensation can be influenced by modifying the ratio Ls./(ds,*L=).
Variante n 4:
L'asservissement de la phase #, effectué par compensation des variations de température par modification de la partie continue de la tension électrique issue de llamplificat..ur 11 et appliquée au cristal électro-optique, sert à maintenir l'angle p+r/2 constant quelle que soit la perturbation thermique. I1 est également possible de faire cet asservissement par modification de l'angle , c'est-à-dire par une rotation directe de l'analyseur 7 d'un angle correspondant. Dans ce cas, il faut avoir une tension de modulation appliquée au cristal électro-optique par l'amplificateur 11, dont la partie sinusoïdale est toujours constante (générée par l'oscillateur 12), et dont la partie continue est fixe, voire nulle. L'asservissement ne s'effectue pas sur la partie continue de la dite tension appliquée au cristal électro-optique, mais par rotation de l'analyseur 7 selon l'algorithme de la figure 3 en remplacant les biais appliqués à la partie continue de la tension, par des pas de rotation plus ou moins importants, selon que le signal est plus ou moins éloigné du point de fonctionnement recherché.Variant 4:
The enslavement of the phase #, carried out by compensation of the temperature variations by modifying the continuous part of the electrical voltage coming from the amplifier 11 and applied to the electro-optical crystal, serves to maintain the angle p + r / 2 constant regardless of the thermal disturbance. It is also possible to do this servocontrol by modifying the angle, that is to say by direct rotation of the analyzer 7 by a corresponding angle. In this case, it is necessary to have a modulation voltage applied to the electro-optical crystal by the amplifier 11, whose sinusoidal part is always constant (generated by the oscillator 12), and whose continuous part is fixed, or even zero. The servocontrol does not take place on the continuous part of the said voltage applied to the electro-optical crystal, but by rotation of the analyzer 7 according to the algorithm of FIG. 3, replacing the bias applied to the continuous part of the voltage, by more or less significant rotation steps, depending on whether the signal is more or less distant from the desired operating point.
Applications
La mise en oeuvre du capteur tel qu'il est décrit a été effectuée en utilisant un unique cristal d'ADP, de dimensions standards L=6.5mm, d=2.2mm. Ce cristal d'ADP a un facteur de mérite n3r=64pm/V. On obtient alors une relation entre la variation de tension nécessaire à la compensation d'une variation de température donnée:
#T =6,5.1O-4.K/V (11)
#V
L'asservissement a été effectué pratiquement par rotation de l'analyseur 7. Nous avons pu mesurer des variations de température avec une résolution de 10 3 K. Ce résultat a pu être confirmé en utilisant deux cristaux: un cristal thermo-optique d'ADP et un cristal électro-optique de RHSe, et un asservissement par effet électro-optique dans ce cas. L'amélioration a porté sur l'amplitude de la tension utilisée, amplitude dans un rapport de 1/10 entre l température le cristal thermo-optique et un système de chauffage et refroidissement, et par contre réaction de faire travailler le dit système thermique de façon à réguler la température dans un sens opposé à la variation détectée par rapport à une consigne au niveau du cristal. On obtient ainsi un asservissement en température très stable, ce qui est nécessaire pour certaines applications biologiques, chimiques ou physique (étude de transition de phase par exemple, ou tout autre phénomène ayant lieu à une température fixe déterminée, ou dans une plage de température très faible). applications
The implementation of the sensor as described was performed using a single crystal of ADP, standard dimensions L = 6.5mm, d = 2.2mm. This ADP crystal has a merit factor n3r = 64pm / V. This gives a relationship between the voltage variation required to compensate for a given temperature variation:
#T = 6.51O-4.K / V (11)
#V
The enslavement was carried out practically by rotation of the analyzer 7. We were able to measure temperature variations with a resolution of 10 3 K. This result could be confirmed by using two crystals: a thermo-optical crystal of ADP and an electro-optical crystal of RHSe, and an electro-optic feedback servo in this case. The improvement concerned the amplitude of the voltage used, amplitude in a ratio of 1/10 between the temperature of the thermo-optical crystal and a heating and cooling system, and by reaction to make the said thermal system work. to regulate the temperature in a direction opposite to the detected variation with respect to a set point at the crystal. A very stable temperature control is thus obtained, which is necessary for certain biological, chemical or physical applications (phase transition study for example, or any other phenomenon taking place at a determined fixed temperature, or in a very high temperature range. low).
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9609271A FR2751409A1 (en) | 1996-07-19 | 1996-07-19 | Optical temperature sensor with linear electro-optical modulation |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| FR9609271A FR2751409A1 (en) | 1996-07-19 | 1996-07-19 | Optical temperature sensor with linear electro-optical modulation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2751409A1 true FR2751409A1 (en) | 1998-01-23 |
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ID=9494393
Family Applications (1)
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| FR9609271A Withdrawn FR2751409A1 (en) | 1996-07-19 | 1996-07-19 | Optical temperature sensor with linear electro-optical modulation |
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| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2751409A1 (en) |
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