FR3088722A1 - Hybrid optical fiber refractometer for measuring the refractive index of a fluid and corresponding sensor - Google Patents
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Abstract
Réfractomètre à fibre optique hybride pour la mesure d’indice de réfraction d’un fluide, et capteur correspondant Il est proposé un réfractomètre optique pour la mesure d’indice de réfraction d’un fluide, comprenant un bras de mesure 10 doté d’une fibre optique multimode 11 de mesure, dénudée sur une première portion P de sa longueur, et une fibre optique monomode 12 de mesure, couplée en série à et placée en amont de la fibre multimode de mesure 11. FIGURE 1Hybrid optical fiber refractometer for measuring the refractive index of a fluid, and corresponding sensor An optical refractometer is proposed for measuring the refractive index of a fluid, comprising a measuring arm 10 provided with a multimode optical measurement fiber 11, stripped over a first portion P of its length, and a single-mode optical measurement fiber 12, coupled in series to and placed upstream of the multimode measurement fiber 11. FIGURE 1
Description
DescriptionDescription
Titre de l'invention : Réfractomètre à fibre optique hybride pour la mesure d’indice de réfraction d’un fluide et capteur correspondantTitle of the invention: Hybrid optical fiber refractometer for measuring the refractive index of a fluid and corresponding sensor
1. Domaine technique [0001] Le domaine de l’invention est celui de la mesure de caractéristiques physicochimiques d’un fluide au moyen d’un réfractomètre optique.1. Technical field The field of the invention is that of measuring the physicochemical characteristics of a fluid by means of an optical refractometer.
[0002] Plus précisément, l’invention concerne un réfractomètre à dynamique de mesure étendue conçu pour la mesure d’indice de réfraction d’un fluide, tel que par exemple un gaz évoluant dans un environnement marin.More specifically, the invention relates to a refractometer with extended measurement dynamics designed for measuring the refractive index of a fluid, such as for example a gas evolving in a marine environment.
[0003] L’invention s’applique notamment, mais non exclusivement, à l’instrumentation marine, par exemple pour la conception de capteurs de gaz sous-marins destinés à être utilisés dans le cadre de campagnes de surveillance ou de prospection océanographique.The invention applies in particular, but not exclusively, to marine instrumentation, for example for the design of underwater gas sensors intended to be used in the context of oceanographic monitoring or prospecting campaigns.
2. Etat de la technique [0004] On s’attache plus particulièrement dans la suite de ce document à décrire la problématique existant dans le domaine de la surveillance de facteurs environnementaux, et plus particulièrement de la mesure de concentration de gaz en milieu marin, à laquelle ont été confrontés les inventeurs. L’invention ne se limite bien sûr pas à ce domaine particulier d’application, mais présente un intérêt pour toute technique de réfractométrie destinée à la mesure d’indice de réfraction d’un fluide devant faire face à une problématique proche ou similaire.2. State of the Art In the remainder of this document, more specifically, the problem exists in the field of monitoring environmental factors, and more particularly the measurement of gas concentration in the marine environment, faced by the inventors. The invention is of course not limited to this particular field of application, but is of interest for any refractometry technique intended for measuring the refractive index of a fluid having to face a similar or similar problem.
[0005] Un grand défi sociétal actuel consiste à trouver des solutions pour garantir aux différentes populations de la planète terre un environnement sain et durable, en limitant notamment l’impact des sources de pollution atmosphérique sur ces populations. La majeure partie des efforts de surveillance de l’environnement est concentrée sur la détection de polluants atmosphériques (pouvant être émis par diverses sources d’origine humaine (usines de production d’énergie, moyens de transport, agriculture,) et/ou d’origine naturelle (feux de forêt, éruptions volcaniques, etc.)), pour lesquels il existe déjà des capteurs de mesure adaptés, généralement à base de technologies électrochimiques.A great current societal challenge consists in finding solutions to guarantee to the different populations of planet Earth a healthy and sustainable environment, in particular by limiting the impact of the sources of air pollution on these populations. The major part of environmental monitoring efforts is concentrated on the detection of air pollutants (which can be emitted by various sources of human origin (energy production plants, means of transport, agriculture,) and / or natural origin (forest fires, volcanic eruptions, etc.)), for which there are already suitable measurement sensors, generally based on electrochemical technologies.
[0006] Or, un secteur critique pour lequel les efforts restent à poursuivre est celui de l’environnement marin, en raison notamment de l’absence de capteurs appropriés qui soient suffisamment précis et robustes pour résister aux conditions de fonctionnement océaniques. L’océan représente en effet un immense réservoir d'énergie potentielle, contenant des sources d’émission de gaz (évents hydrothermaux, volcans sous-marins, lignes de faille typiquement) de natures diverses : dioxyde de carbone, monoxyde de carbone, sulfure d’hydrogène et méthane entre autres, dont les concentrations sont difficilement quantifiables. Le méthane, en particulier, est un gaz à effet de serre qui constitue un des facteurs à l’origine du réchauffement climatique, mais qui représente une formidable source d’énergie potentielle si ses origines sous-marines pouvaient être retracées, cartographiées et quantifiées à des fins d’exploitation de sources d’énergie calorifique, mécanique ou encore électrique.However, a critical sector for which efforts remain to be pursued is that of the marine environment, in particular because of the absence of appropriate sensors which are sufficiently precise and robust to withstand the oceanic operating conditions. The ocean indeed represents an immense reservoir of potential energy, containing sources of gas emission (hydrothermal vents, submarine volcanoes, fault lines typically) of various natures: carbon dioxide, carbon monoxide, sulphide of hydrogen and methane among others, the concentrations of which are difficult to quantify. Methane, in particular, is a greenhouse gas that is one of the factors behind global warming, but which represents a formidable source of potential energy if its underwater origins could be traced, mapped and quantified to for the exploitation of heat, mechanical or even electrical energy sources.
[0007] Un nombre croissant d’acteurs des secteurs de la recherche, de l’industrie et de l’énergie est résolument motivé par la volonté de mettre au point des capteurs de type réfractométrique adaptés à l’exploitation des énergies marines. En effet, la réfrac tométrie optique apparaît comme une technique non-destructive à fort potentiel qui peut être utilisée pour détecter certains gaz d’intérêt en milieu marin et d’en mesurer la concentration grâce à une mesure de l’indice de réfraction de celui-ci.A growing number of players in the research, industry and energy sectors are resolutely motivated by the desire to develop refractometric type sensors adapted to the exploitation of marine energies. Indeed, optical refraction appears as a non-destructive technique with high potential which can be used to detect certain gases of interest in the marine environment and to measure their concentration thanks to a measurement of the refractive index of that -this.
[0008] Compte tenu de l’application visée, le capteur de gaz doit être le plus sensible possible sur une plage de mesure la plus grande possible (aussi couramment appelée dynamique ou étendue de mesure).Given the intended application, the gas sensor must be as sensitive as possible over the greatest possible measuring range (also commonly called dynamic or measuring range).
[0009] Une des solutions connues de l’état de l’art pour mesurer l’indice de réfraction d’un gaz en milieu marin consiste à utiliser une fibre optique multimode dégainée sur une portion de longueur donnée et couplée à une source de lumière d’une part et à un détecteur de lumière d’autre part. Le cœur de la fibre multimode ainsi mis à nu étant plongé dans le gaz à analyser, il est ainsi possible de suivre l’évolution de l’indice de réfraction dudit gaz (en contact avec la partie dénudée) en fonction de l’intensité de lumière transmise dans la fibre multimode. Un tel réfractomètre optique (aussi appelé réfractomètre fibré) est décrit par exemple dans la publication scientifique « A multimode fiber refractive index sensor », H. Apriyanto et al. - IEEE Sensors Conf. 2016 - 4 Nov 2016. Le réfractomètre est doté d’un bras de référence en sus du bras de mesure. Le bras de mesure comprend la fibre optique multimode dénudée (la portion de fibre dénudée servant de partie sensible au gaz à analyser) et un bras de référence. Chaque bras du réfractomètre est couplé à un objectif de microscope (c’est-à-dire un système de lentille complexe) agencé pour injecter la lumière dans la fibre multimode du bras concerné, l’objectif de microscope étant mécaniquement relié à une platine de support multi-axe.One of the known solutions in the state of the art for measuring the refractive index of a gas in the marine environment consists in using a multimode optical fiber stripped over a portion of given length and coupled to a light source. on the one hand and a light detector on the other. The core of the multimode fiber thus exposed being immersed in the gas to be analyzed, it is thus possible to follow the evolution of the refractive index of said gas (in contact with the stripped part) as a function of the intensity of light transmitted in multimode fiber. Such an optical refractometer (also called a fiber refractometer) is described for example in the scientific publication "A multimode fiber refractive index sensor", H. Apriyanto et al. - IEEE Sensors Conf. 2016 - Nov 4, 2016. The refractometer has a reference arm in addition to the measurement arm. The measurement arm comprises the stripped multimode optical fiber (the portion of stripped fiber serving as part sensitive to the gas to be analyzed) and a reference arm. Each arm of the refractometer is coupled to a microscope objective (that is to say a complex lens system) arranged to inject light into the multimode fiber of the arm concerned, the microscope objective being mechanically connected to a stage of multi-axis support.
[0010] Un tel réfractomètre offre une sensibilité relativement élevée à l’indice de réfraction du gaz analysé, mais sur une dynamique de mesure relativement étroite. De plus, Γutilisation d’un système d’injection de lumière composé d’un objectif de microscope et d’une platine mécanique pose des problèmes d’encombrement, mais également de stabilité mécanique, source d’erreurs de mesure.Such a refractometer offers a relatively high sensitivity to the refractive index of the gas analyzed, but on a relatively narrow measurement dynamic. In addition, the use of a light injection system composed of a microscope objective and a mechanical stage poses problems of space, but also of mechanical stability, a source of measurement errors.
[0011] Pour la mesure de gaz en milieu marin, les concepteurs de capteur optique segmentent la dynamique de mesure (qui constitue le domaine de variation envi sageable de l’indice de réfraction à mesurer) en fonction du phénomène de propagation du signal lumineux observé dans le bras de mesure, à savoir, pour une longueur d’onde de mesure de 1550 nm :For the measurement of gas in a marine environment, the designers of an optical sensor segment the measurement dynamics (which constitutes the enviable range of variation of the refractive index to be measured) as a function of the phenomenon of propagation of the light signal observed. in the measurement arm, namely, for a measurement wavelength of 1550 nm:
[0012] - une première zone de mesure, dite Zone I, pour laquelle la réponse du capteur résulte du phénomène d’absorption d’onde lumineuse évanescente, c’est-à-dire pour laquelle l’indice de réfraction du gaz à mesurer (et plus généralement du milieu à mesurer) est strictement inférieur à 1,4351 ;- A first measurement zone, called Zone I, for which the response of the sensor results from the phenomenon of absorption of evanescent light wave, that is to say for which the refractive index of the gas to be measured (and more generally of the medium to be measured) is strictly less than 1.4351;
[0013] - une deuxième zone de mesure, dite Zone II, pour laquelle la réponse du capteur résulte des phénomènes d’absorption d’onde lumineuse évanescente et de la perte de mode spatial, c’est-à-dire pour laquelle l’indice de réfraction du gaz à mesurer est compris entre 1,4351 et 1,4440 ;- A second measurement zone, called Zone II, for which the response of the sensor results from the phenomena of absorption of evanescent light wave and from the loss of spatial mode, that is to say for which the refractive index of the gas to be measured is between 1.4351 and 1.4440;
[0014] - une troisième zone de mesure, dite Zone III, pour laquelle la réponse du capteur résulte du phénomène de réflexion de Fresnel (ou réflexion externe), c’est-à-dire pour laquelle l’indice de réfraction du gaz à mesurer est supérieur à 1,4440.- A third measurement zone, called Zone III, for which the sensor response results from the Fresnel reflection phenomenon (or external reflection), that is to say for which the refractive index of the gas to measure is greater than 1.4440.
[0015] Ainsi, un tel réfractomètre présente une sensibilité à l’indice de réfraction du gaz relativement élevée dans la zone de mesure II mais relativement faible dans les zones de mesure I et III, ce qui n’est pas optimal notamment pour les applications de prospection de gaz sous-marins à hautes performances où la sensibilité recherchée doit être maximisée dans chacune des trois zones de mesure précitées. En effet, certains gaz peuvent se présenter sous de très faibles concentrations (pouvant être inférieures à 1 micromole, voire quelques dizaines de nanomoles). De plus, l’utilisation de ce type de réfractomètre se limite à la mesure d’indice de réfraction d’un gaz spécifique.Thus, such a refractometer has a relatively high sensitivity to the refractive index of the gas in the measurement area II but relatively low in the measurement areas I and III, which is not optimal in particular for applications prospecting for high performance submarine gases where the desired sensitivity must be maximized in each of the three aforementioned measurement zones. Indeed, some gases can be present in very low concentrations (possibly less than 1 micromole, or even a few tens of nanomoles). In addition, the use of this type of refractometer is limited to the measurement of the refractive index of a specific gas.
[0016] Il apparaîtrait donc particulièrement intéressant de pouvoir disposer d’un réfractomètre compact, peu coûteux et qui permette d’offrir une sensibilité de mesure augmentée, combinée, en particulier, à une dynamique de mesure également augmentée.It would therefore appear particularly advantageous to be able to have a compact, inexpensive refractometer which makes it possible to offer an increased measurement sensitivity, combined, in particular, with an equally increased measurement dynamic.
3. Résumé de l'invention [0017] Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, il est proposé un réfractomètre pour la mesure d’indice de réfraction d’un fluide, comprenant un premier bras de mesure comprenant une fibre optique multimode, dite fibre multimode de mesure, dénudée sur une première portion de sa longueur, le premier bras de mesure étant tel qu’il comprend une première fibre optique monomode, dite fibre monomode de mesure, couplée en série à et placée en amont de la première fibre multimode de mesure.3. Summary of the invention In a particular embodiment of the invention, there is provided a refractometer for measuring the refractive index of a fluid, comprising a first measurement arm comprising a multimode optical fiber , called multimode measurement fiber, stripped over a first portion of its length, the first measurement arm being such that it comprises a first single-mode optical fiber, called single-mode measurement fiber, coupled in series with and placed upstream of the first multimode fiber measurement.
[0018] Le principe de l’invention repose sur l’utilisation d’une fibre optique hybride monomode-multimode pour réaliser de la mesure d’indice de réfraction d’un fluide par réfractométrie. Ainsi, grâce à un tel couplage, le réfractomètre bénéficie d’une plage de mesure élargie, tout en conservant une sensibilité élevée sur la majeure partie de cette plage de mesure. L’utilisation d’une telle fibre hybride permet ainsi de s’affranchir de l’utilisation d’un système à base de lentilles complexes et d’une platine de mesure, ce qui est plus simple, plus stable et robuste et moins coûteux à mettre en œuvre. De plus, il s’avère que l’utilisation d’une telle fibre hybride permet d’accroître la lumière injectée dans la fibre multimode, rendant le réfractomètre beaucoup plus sensible à l’indice de réfraction du milieu extérieur que les réfractomètres de l’art antérieur (en particulier dans les plages de mesure à indice de réfraction élevé (typiquement dans les zones de mesure II et III)).The principle of the invention is based on the use of a hybrid single-mode-multimode optical fiber to measure the refractive index of a fluid by refractometry. Thus, thanks to such a coupling, the refractometer benefits from an enlarged measurement range, while retaining a high sensitivity over most of this measurement range. The use of such a hybrid fiber thus makes it possible to dispense with the use of a system based on complex lenses and a measuring plate, which is simpler, more stable and robust and less expensive to enforce. In addition, it turns out that the use of such a hybrid fiber makes it possible to increase the light injected into the multimode fiber, making the refractometer much more sensitive to the refractive index of the external environment than the refractometers of the prior art (in particular in measurement ranges with a high refractive index (typically in measurement zones II and III)).
[0019] Selon un aspect particulier de l’invention, ladite première portion de fibre multimode dénudée a une longueur L et un diamètre D satisfaisant l’inégalité L/D < 1000.According to a particular aspect of the invention, said first portion of stripped multimode fiber has a length L and a diameter D satisfying the inequality L / D <1000.
[0020] Ainsi, en ajustant les dimensions de la portion de fibre dénudée de façon à satisfaire cette inégalité, on améliore significativement la sensibilité du réfractomètre notamment dans les zones de mesure II et III.Thus, by adjusting the dimensions of the portion of stripped fiber so as to satisfy this inequality, the sensitivity of the refractometer is significantly improved, especially in measurement areas II and III.
[0021] Selon une caractéristique particulière, le réfractomètre comprend un bras de référence lui-même comprenant :According to a particular characteristic, the refractometer comprises a reference arm itself comprising:
[0022] - une fibre optique multimode, dite fibre multimode de référence, exempte de portion dénudée ; et [0023] - une fibre optique monomode, dite fibre monomode de référence, couplée en série à la fibre multimode de référence, et placée en amont de la fibre multimode de référence.- a multimode optical fiber, called reference multimode fiber, free of stripped portion; and a single-mode optical fiber, known as a single-mode reference fiber, coupled in series with the reference multimode fiber, and placed upstream of the reference multimode fiber.
[0024] L’ajout d’un tel bras permet de compenser les erreurs de mesure liées aux perturbations de température et/ou aux vibrations mécaniques grâce à une mesure comparative entre l’intensité lumineuse traversant le bras de mesure et celle traversant le bras de référence.The addition of such an arm makes it possible to compensate for measurement errors linked to temperature disturbances and / or mechanical vibrations by means of a comparative measurement between the light intensity passing through the measurement arm and that passing through the reference.
[0025] Selon une caractéristique particulièrement avantageuse, le réfractomètre comprend un deuxième bras de mesure comprenant :According to a particularly advantageous characteristic, the refractometer comprises a second measuring arm comprising:
[0026] - une fibre optique à cristaux photoniques dénudée sur au moins une deuxième portion (P’) de sa longueur ;- an optical fiber with photonic crystals stripped over at least a second portion (P ’) of its length;
[0027] - un premier segment de fibre optique multimode couplé en série à et placé en amont de la fibre optique à cristaux photoniques ;- A first segment of multimode optical fiber coupled in series with and placed upstream of the optical fiber with photonic crystals;
[0028] - un deuxième segment de fibre optique multimode couplé en série à et placé en aval de la fibre optique à cristaux photoniques ;- A second multimode optical fiber segment coupled in series with and placed downstream of the photonic crystal optical fiber;
[0029] - une deuxième fibre optique monomode couplée en série à et placée en amont du premier segment de fibre optique multimode.- A second single mode optical fiber coupled in series to and placed upstream of the first multimode optical fiber segment.
[0030] L’ajout d’un tel bras de mesure a pour effet d’augmenter la sensibilité du réfractomètre dans la zone de mesure I. Le fonctionnement traditionnel d’une fibre à cristaux photoniques est astucieusement détourné pour favoriser la propagation des ondes évanescentes à travers la deuxième région de gaine (c’est-à-dire vers la périphérie de la fibre à cristaux photoniques dénudée). Autrement dit, au lieu d’injecter de la lumière dans le cœur de la fibre, on se sert d’un segment de fibre optique multimode pour envoyer cette lumière vers l’interface gaine-fluide.The addition of such a measurement arm has the effect of increasing the sensitivity of the refractometer in the measurement area I. The traditional operation of a photonic crystal fiber is cleverly diverted to promote the propagation of evanescent waves. through the second cladding region (i.e. towards the periphery of the stripped photonic crystal fiber). In other words, instead of injecting light into the core of the fiber, we use a segment of multimode optical fiber to send this light to the sheath-fluid interface.
[0031] Selon un aspect particulier, ladite deuxième portion de fibre dénudée a une longueurIn a particular aspect, said second portion of stripped fiber has a length
L’ et un diamètre D’ de fibre optique à cristaux photoniques satisfaisant l’inégalitéL ’and a diameter D’ of optical fiber with photonic crystals satisfying the inequality
1000 > L7D’ > 100.1000> L7D ’> 100.
[0032] Ainsi, en ajustant les dimensions de la deuxième portion de fibre de façon à satisfaire cette inégalité, la sensibilité du réfractomètre dans la zone de mesure I est assurée d’être augmentée.Thus, by adjusting the dimensions of the second portion of fiber so as to satisfy this inequality, the sensitivity of the refractometer in the measurement area I is ensured to be increased.
[0033] Selon un aspect particulier, la fibre optique à cristaux photoniques présente un cœur entouré par une première région de gaine comprenant un réseau ordonné de trous s’étendant le long de ladite fibre optique à cristaux photoniques, lesdits trous du réseau étant agencés transversalement pour former un motif prédéterminé.In a particular aspect, the optical fiber with photonic crystals has a core surrounded by a first cladding region comprising an ordered array of holes extending along said optical fiber with photonic crystals, said holes in the network being arranged transversely. to form a predetermined pattern.
[0034] Selon un aspect particulier, chaque trou du réseau présente un indice de réfraction inférieur à l’indice de réfraction du cœur.In a particular aspect, each hole in the network has a refractive index lower than the refractive index of the heart.
[0035] Une telle configuration permet de confiner efficacement la lumière dans la fibre à cristaux photoniques.Such a configuration makes it possible to effectively confine the light in the photonic crystal fiber.
[0036] Selon un aspect particulier, le premier segment de fibre optique multimode présente un diamètre de cœur qui est strictement supérieur à un diamètre maximal du motif prédéterminé.According to a particular aspect, the first multimode optical fiber segment has a core diameter which is strictly greater than a maximum diameter of the predetermined pattern.
[0037] Cela permet d’injecter une partie de la lumière transmise dans la deuxième portion de gaine de la fibre à cristaux photoniques.This allows part of the transmitted light to be injected into the second cladding portion of the photonic crystal fiber.
[0038] Selon un aspect particulier, le deuxième segment de fibre optique multimode présente un diamètre de cœur supérieur ou égal au diamètre du cœur de la fibre optique à cristaux photoniques.According to a particular aspect, the second multimode optical fiber segment has a core diameter greater than or equal to the diameter of the core of the photonic crystal optical fiber.
[0039] Cela permet d’optimiser le couplage entre ces deux éléments de façon à récupérer le maximum de lumière en sortie de la fibre à cristaux photoniques.This optimizes the coupling between these two elements so as to recover the maximum light at the output of the photonic crystal fiber.
[0040] Selon un aspect particulier, la deuxième fibre optique monomode et lesdits premier et deuxième segments de fibre optique multimode ont chacune une ouverture numérique supérieure à l’ouverture numérique de la fibre optique à cristaux photoniques.In a particular aspect, the second single mode optical fiber and said first and second multimode optical fiber segments each have a digital aperture greater than the digital aperture of the photonic crystal optical fiber.
[0041] Cela permet d’assurer la génération et un guidage maximal des ondes évanescentes dans la fibre à cristaux photoniques et favorise ainsi l’augmentation de sensibilité dans la zone de mesure I du réfractomètre.This ensures the generation and maximum guidance of the evanescent waves in the photonic crystal fiber and thus promotes the increase in sensitivity in the measurement area I of the refractometer.
[0042] Selon un aspect particulier, la première région de gaine comprend une partie solide à base d’un matériau appartenant au groupe comprenant :According to a particular aspect, the first sheath region comprises a solid part based on a material belonging to the group comprising:
[0043] - Silice ;- Silica;
[0044] - Silice dopée ;- doped silica;
[0045] - fluorozirconate ;- fluorozirconate;
[0046] - fluoroaluminate ;- fluoroaluminate;
[0047] - un verre de chalcogénure.- a glass of chalcogenide.
[0048] Selon un aspect particulier, chaque trou du réseau comprend un matériau appartenant au groupe comprenant :According to a particular aspect, each hole of the network comprises a material belonging to the group comprising:
[0049] - un gaz ;- a gas;
[0050] - un liquide ;- a liquid;
[0051] - un solide ;- a solid;
[0052] - un matériau particulaire.- a particulate material.
[0053] Selon un aspect particulier, le motif prédéterminé appartient au groupe comprenant :According to a particular aspect, the predetermined pattern belongs to the group comprising:
[0054] - un motif de forme hexagonal ;- a hexagonal pattern;
[0055] - un motif de forme octogone ;- an octagonal pattern;
[0056] - un motif de forme décagone ;- a decagon shaped pattern;
[0057] - un motif de forme circulaire.- a circular pattern.
[0058] Dans un autre mode de réalisation particulier de l’invention, il est proposé un capteur de gaz comprenant un réfractomètre selon l’un quelconque de ses différents modes de réalisation.In another particular embodiment of the invention, there is provided a gas sensor comprising a refractometer according to any one of its different embodiments.
4. Présentation des figures [0059] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels :4. Presentation of the Figures [0059] Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description, given by way of non-limiting example, and the appended drawings, in which:
[fig. 1] est une représentation schématique d’un réfractomètre pour la mesure de concentration d’un gaz selon un premier mode de réalisation particulier de l’invention ;[fig. 1] is a schematic representation of a refractometer for measuring the concentration of a gas according to a first particular embodiment of the invention;
- [fig. 2a] illustre le principe de couplage et d’injection de lumière d’une fibre optique monomode vers une fibre optique multimode, mis en œuvre dans le cadre de la présente invention ;- [fig. 2a] illustrates the principle of coupling and injecting light from a single mode optical fiber to a multimode optical fiber, implemented in the context of the present invention;
[fig. 2b] illustre le principe de couplage et d’injection de lumière d’une fibre optique monomode vers une fibre optique multimode, mis en œuvre dans le cadre de la présente invention ;[fig. 2b] illustrates the principle of coupling and injecting light from a single mode optical fiber to a multimode optical fiber, implemented in the context of the present invention;
[fig. 3] est une représentation schématique d’un réfractomètre pour la mesure de concentration d’un gaz selon un deuxième mode de réalisation particulier de l’invention ;[fig. 3] is a schematic representation of a refractometer for measuring the concentration of a gas according to a second particular embodiment of the invention;
- [fig. 4] présente de façon schématique le principe de fonctionnement d’une fibre optique à cristaux photoniques utilisée dans le mode de réalisation particulier de la figure 3 ;- [fig. 4] schematically shows the operating principle of an optical fiber with photonic crystals used in the particular embodiment of Figure 3;
- [fig. 5] présente une vue en coupe transversale de la fibre optique à cristaux photoniques des figures 3 et 4.- [fig. 5] presents a cross-sectional view of the optical fiber with photonic crystals of FIGS. 3 and 4.
5. Description détaillée de l'invention [0060] Sur toutes les figures du présent document, les éléments identiques sont désignés par une même référence numérique.5. Detailed description of the invention In all the figures in this document, identical elements are designated by the same reference numeral.
[0061] Comme discuté ci-dessus, le principe de l’invention repose sur I’utilisation astucieuse d’une fibre optique hybride monomode-multimode pour réaliser une mesure d’indice de réfraction d’un fluide par réfractométrie.As discussed above, the principle of the invention is based on the astute use of a hybrid single-mode-multimode optical fiber to measure the refractive index of a fluid by refractometry.
[0062] Le réfractomètre décrit ci-dessous dans l’un quelconque de ses modes de réalisation est destiné à la mesure de concentration de gaz évoluant dans un milieu marin, par exemple dans le cadre d’une campagne de prospection océanographique. Bien entendu, il s’agit là d’un exemple d’application purement illustratif, et il peut être aisément adapté à de nombreuses autres applications, sans sortir du cadre de l’invention. De manière générale, l’invention s’applique en effet indépendamment de la nature du fluide à analyser ; il peut très bien s’agir d’un gaz contenu ou non dans un liquide ou encore d’un simple liquide.The refractometer described below in any one of its embodiments is intended for measuring the concentration of gas evolving in a marine environment, for example in the context of an oceanographic prospecting campaign. Of course, this is an example of a purely illustrative application, and it can be easily adapted to many other applications, without departing from the scope of the invention. In general, the invention is in fact applied regardless of the nature of the fluid to be analyzed; it may very well be a gas contained or not contained in a liquid or even a simple liquid.
[0063] Il est propose deux modes de réalisation particuliers : un premier mode de réalisation dans lequel le réfractomètre est doté de deux bras à fibre optique hybride et un deuxième mode de réalisation dans lequel le réfractomètre est doté de trois bras à fibre optique hybride. Le deuxième mode de réalisation est décrit postérieurement.There are two particular embodiments: a first embodiment in which the refractometer is provided with two hybrid optical fiber arms and a second embodiment in which the refractometer is provided with three hybrid optical fiber arms. The second embodiment is described later.
[0064] Réfractomètre optique hybride à deux bras [0065] La figure 1 présente le schéma de principe d’un réfractomètre 100 selon un premier mode de réalisation particulier de l’invention. Le réfractomètre 100 représenté sur cette figure est un réfractomètre à deux bras hybrides apte à délivrer des informations sur la concentration d’un ou plusieurs gaz G analysé(s) en milieu marin. Il peut être utilisé dans ou en tant que capteur de gaz sous-marin.FIG. 1 presents the block diagram of a refractometer 100 according to a first particular embodiment of the invention. The refractometer 100 shown in this figure is a refractometer with two hybrid arms capable of delivering information on the concentration of one or more G gases analyzed in the marine environment. It can be used in or as an underwater gas sensor.
[0066] Le réfractomètre 100 comprend plus particulièrement :The refractometer 100 more particularly comprises:
[0067] - un bras de mesure hybride 10 doté :- a hybrid measuring arm 10 provided with:
[0068] * d’une fibre optique multimode 11 de mesure, de longueur L, dénudée sur une portion P de sa longueur ;* Of a multimode optical fiber 11 for measurement, of length L, stripped over a portion P of its length;
[0069] * d’une fibre optique monomode 12 de mesure, couplée en série à et placée en amont de la fibre multimode de mesure 11 ;* A single-mode optical fiber 12 for measurement, coupled in series with and placed upstream of the multimode measurement fiber 11;
[0070] - un bras de référence hybride 20 doté :- a hybrid reference arm 20 provided with:
[0071] * d’une fibre optique multimode 21 de mesure, par exemple de longueur L, qui est, contrairement à la fibre multimode de mesure 11, exempte de portion dénudée ;* A multimode optical fiber 21 for measuring, for example of length L, which is, unlike the multimode measuring fiber 11, free of stripped portion;
[0072] * d’une fibre optique monomode 22 de mesure, couplée en série à et placée en amont de la fibre multimode de mesure 21 ;* A single-mode optical fiber 22 for measurement, coupled in series with and placed upstream of the multimode measurement fiber 21;
[0073] - une source de lumière 40 ;- a light source 40;
[0074] - un détecteur de lumière 50 ;- a light detector 50;
[0075] - une unité de traitement 60.- a processing unit 60.
[0076] On entend par « dénudée » ou « dégainée », la portion de fibre optique multimode de mesure mise à nu (c’est-à-dire que l’âme ou le cœur est sans revêtement de protection extérieure) pour être au contact avec le gaz à analyser. Cette portion de fibre dénudée forme ainsi la partie sensible du réfractomètre à l’indice de réfraction du gaz à analyser.The term "stripped" or "stripped" means the portion of multimode optical fiber for measurement laid bare (that is to say that the core or the heart is without an external protective coating) to be at contact with the gas to be analyzed. This stripped portion of fiber thus forms the sensitive part of the refractometer to the refractive index of the gas to be analyzed.
[0077] Par ailleurs, on entend par « hybride », dans le cadre de la présente invention, un bras optiquement fibré du réfractomètre résultant d’un couplage en série de deux fibres optiques de nature différente, par exemple une fibre optique monomode avec une fibre optique multimode comme illustré sur la figure 2a.Furthermore, the term “hybrid”, in the context of the present invention, an optically fiber-reinforced arm of the refractometer resulting from a series coupling of two optical fibers of different nature, for example a single-mode optical fiber with a multimode optical fiber as shown in Figure 2a.
[0078] Comme illustré sur la figure 1, le bras de mesure 10 et le bras de référence 20 sont disposés sensiblement parallèles l’un à l’autre. Un coupleur de fibre 70 est agencé en amont des deux bras pour coupler les fibres monomodes de mesure 12 et de référence 22, et ainsi assurer une liaison optique entre les bras de mesure 10 et de référence 20 jusqu’à la source de lumière 40. Une autre fibre optique monomode 75 est prévue entre la source de lumière 40 et le coupleur 70 pour assurer la liaison optique entre ces deux éléments.As illustrated in Figure 1, the measuring arm 10 and the reference arm 20 are arranged substantially parallel to each other. A fiber coupler 70 is arranged upstream of the two arms to couple the single-mode measurement fibers 12 and reference 22, and thus ensure an optical link between the measurement arms 10 and reference 20 to the light source 40. Another single mode optical fiber 75 is provided between the light source 40 and the coupler 70 to ensure the optical link between these two elements.
[0079] Quand le réfractomètre 100 est en fonctionnement, la source de lumière 40 émet une lumière monochromatique par exemple de longueur d’onde λ = 1550 nm. Le détecteur de lumière 50, par exemple une caméra CCD ou CMOS, ou encore une photodiode ou un spectromètre, sensible au moins au spectre de la lumière monochromatique λ = 1550 nm, détecte, en provenance des bras de mesure 10 et de référence 20, l’intensité de la lumière monochromatique qu’il reçoit et la convertit en signal électrique a' destination de l’unité de traitement 60. L’unité de traitement 60 est raccordée électriquement au détecteur de lumière 50.When the refractometer 100 is in operation, the light source 40 emits monochromatic light, for example of wavelength λ = 1550 nm. The light detector 50, for example a CCD or CMOS camera, or even a photodiode or a spectrometer, sensitive at least to the spectrum of monochromatic light λ = 1550 nm, detects, coming from the measurement arms 10 and reference arms 20, the intensity of the monochromatic light which it receives and converts it into an electrical signal intended for the processing unit 60. The processing unit 60 is electrically connected to the light detector 50.
[0080] A noter que la source choisie ici est un exemple purement illustratif et le principe de l’invention peut très bien s’appliquer avec une source de lumière de nature différente, telle que par exemple une source de lumière non monochromatique, c’est-à-dire présentant un spectre plus large contenant plusieurs raies d’émission. Dans ce cas, le détecteur de lumière sera choisi pour que sa plage de sensibilité soit compatible avec le spectre de la source de lumière.Note that the source chosen here is a purely illustrative example and the principle of the invention can very well be applied with a light source of different nature, such as for example a non-monochromatic light source, it that is to say having a wider spectrum containing several emission lines. In this case, the light detector will be chosen so that its sensitivity range is compatible with the spectrum of the light source.
[0081] Dans cet exemple, le détecteur de lumière 50 comprend des première et deuxième zones de mesure distinctes (zones référencées 50a et 50b sur la figure), configurées pour détecter l’intensité de lumière reçue des bras de mesure 10 et de référence 20 respectivement. A titre d’alternative, on pourrait envisager sans sortir du cadre de l’invention d’utiliser deux détecteurs distincts : un premier détecteur de lumière associé au bras de mesure 10 et un deuxième détecteur de lumière associé au bras de référence 20, chaque détecteur étant apte à détecter l’intensité de la lumière qu’il reçoit du bras avec lequel il est associé. Dans ce cas, c’est l’unité de traitement 60 raccordée à chacun des détecteurs qui réalise le traitement des informations reçues de chacun des deux capteurs.In this example, the light detector 50 comprises first and second separate measurement zones (zones referenced 50a and 50b in the figure), configured to detect the intensity of light received from the measurement arms 10 and of reference 20 respectively. As an alternative, it would be possible without departing from the scope of the invention to use two separate detectors: a first light detector associated with the measurement arm 10 and a second light detector associated with the reference arm 20, each detector being able to detect the intensity of the light it receives from the arm with which it is associated. In this case, it is the processing unit 60 connected to each of the detectors which performs the processing of the information received from each of the two sensors.
[0082] Lorsque la portion P - dite partie sensible du réfractomètre - se trouve en contact du gaz à analyser, il est alors possible de suivre l’évolution de l’indice de réfraction de ce gaz en fonction de l’intensité de lumière transmise dans le bras de mesure 10 ou du spectre de lumière reçu par le détecteur de lumière. En effet, la propagation de la lumière dans une fibre optique étant traditionnellement liée à la différence d’indice de réfraction à l’interface cœur-gaine, la différence d’indice de réfraction à l’interface cœur-portion P de fibre dénudée, permet alors de renseigner sur la nature et/ou la concentration du gaz analysé.When the portion P - called the sensitive part of the refractometer - is in contact with the gas to be analyzed, it is then possible to follow the evolution of the refractive index of this gas as a function of the intensity of light transmitted. in the measuring arm 10 or of the light spectrum received by the light detector. Indeed, the propagation of light in an optical fiber being traditionally linked to the difference in refractive index at the core-cladding interface, the difference in refractive index at the core-portion P interface of stripped fiber, then provides information on the nature and / or concentration of the gas analyzed.
[0083] La présence du bras de référence 20 en sus du bras de mesure 10 est une caractéristique technique complémentaire du réfractomètre selon l’invention ; sa présence permet de compenser les erreurs de mesure liées aux perturbations de température et/ ou aux vibrations mécaniques grâce à une mesure comparative entre l’intensité lumineuse traversant le bras de mesure 10 et l’intensité lumineuse traversant le bras de référence 20.The presence of the reference arm 20 in addition to the measuring arm 10 is a complementary technical characteristic of the refractometer according to the invention; its presence makes it possible to compensate for measurement errors linked to temperature disturbances and / or mechanical vibrations by means of a comparative measurement between the light intensity passing through the measurement arm 10 and the light intensity passing through the reference arm 20.
[0084] Comme illustré sur la figure 1, la portion P est de longueur L, typiquement comprise entre 20 et 120 mm (par exemple 20, 50, 80 ou 120 mm), et de diamètre D typiquement égale à 50, 62,5, 100 ou 200 pm. Afin d’améliorer la sensibilité, notamment dans la zone de mesure III, la portion P est dimensionnée de façon à satisfaire l’inégalité L/D < 1000, et encore plus avantageusement à satisfaire l’inégalité L/D < 600. Les inventeurs ont notamment remarqué que, pour un diamètre D donné (par exemple égal à 200 pm), et une longueur de portion L choisie pour satisfaire l’inégalité rapport L/D < 600 (par exemple L compris entre 10 et 120 mm), la sensibilité du réfractomètre 100 est augmentée significativement dans la zone III de sa dynamique de mesure.As illustrated in FIG. 1, the portion P is of length L, typically between 20 and 120 mm (for example 20, 50, 80 or 120 mm), and of diameter D typically equal to 50, 62.5 , 100 or 200 pm. In order to improve the sensitivity, in particular in the measurement zone III, the portion P is dimensioned so as to satisfy the inequality L / D <1000, and even more advantageously to satisfy the inequality L / D <600. The inventors noted in particular that, for a given diameter D (for example equal to 200 μm), and a portion length L chosen to satisfy the inequality L / D ratio <600 (for example L between 10 and 120 mm), the The sensitivity of the refractometer 100 is significantly increased in zone III of its measurement dynamics.
[0085] On présente, maintenant en relation avec la figure 2b, le principe d’injection de lumière d’une fibre monomode (la fibre monomode 12 par exemple) vers une fibre multimode (la fibre multimode 11 par exemple) couplée à ladite fibre monomode. La figure 2a est une image prise au microscope d’une jonction d’une fibre monomode avec une fibre multimode obtenue par soudure à fusion. Bien entendu, il s’agit là d’une technique de couplage de fibres parmi d’autres. L’Homme du Métier est en mesure de mettre en œuvre d’autres techniques de couplage de fibres (par exemple au moyen d’un adaptateur ou de manchons d’accouplement de fibre (« mating sleeve» et «ferrure mating sleeve » en anglais), d’épissures mécaniques de fibre (« mechanical fiber splice » en anglais), ou au moyen d’une soudure par laser CO2) afin d’obtenir le bras hybride optiquement fibré conforme à la présente invention.We now present, in relation to FIG. 2b, the principle of injecting light from a single mode fiber (the single mode fiber 12 for example) to a multimode fiber (the multimode fiber 11 for example) coupled to said fiber single mode. FIG. 2a is an image taken under the microscope of a junction of a monomode fiber with a multimode fiber obtained by fusion welding. Of course, this is one of several fiber coupling techniques. Those skilled in the art are able to implement other fiber coupling techniques (for example using an adapter or fiber coupling sleeves ("mating sleeve" and "ferrure mating sleeve" in English). ), mechanical fiber splice (or “mechanical fiber splice” in English), or by means of a CO 2 laser weld) in order to obtain the optically fiber hybrid arm according to the present invention.
[0086] On propose ci-après un modèle de réponse optique d’un bras hybride de mesure monomode-multimode établi pour chacune des zones de mesure I, II et III du ré10 [0087] [0088] [0089] [0090] [0091] [0092] [0093] [0094] [0095] [0096] [0097] [0098] [0099] [0100] [0101] [0102] [0103] [0104] [0105] [0106] [0107] fractomètre 100, en fonction de l’angle d’injection de la lumière imposée par la fibre monomode à l’entrée de la fibre multimode :We propose below an optical response model of a hybrid single-mode multimode measurement arm established for each of the measurement areas I, II and III of re10 [0087] [0088] [0089] [0090] [ 0091] [0093] [0094] [0095] [0096] [0097] [0098] [0099] [0100] [0101] [0102] [0103] [0104] [0105] [0106] [0107] fractometer 100, as a function of the angle of injection of the light imposed by the single-mode fiber at the input of the multimode fiber:
- pour la zone de mesure I (mécanisme de détection par absorption d’onde évanescente) :- for measurement area I (detection mechanism by evanescent wave absorption):
[Ma,h 11Pl = i®° po ( e,· ) exp ( -N ( Θ t ) T ( Θ,. )L ) de,· (1> [Ma, h 11 Pl = i® ° p o (e, ·) exp (-N (Θ t ) T (Θ ,.) L) de, · (1 >
- pour la zone de mesure II (mécanisme de détection par absorption d’onde évanescente et par perte des modes optiques) :- for measurement area II (detection mechanism by absorption of evanescent wave and loss of optical modes):
[Ma,h21 PL = po(0 ,.)exp(-N (θ t)T(8 i)L)d0 ,<2) c'esm où : [Ma, h21 P L = p o (0 ,. ) Exp (-N (θ t ) T (8 i) L) d0, <2) c'esm where:
0csm est défini par un angle critique équivalent à l’indice du milieu mesuré (nsm) qui peut être exprimé par :0 csm is defined by a critical angle equivalent to the index of the measured medium (n sm ) which can be expressed by:
[Math 3] λ = _in-l/ (3) σ csm ( Π (-Q /[Math 3] λ = _ in -l / (3) σ csm (Π (-Q /
- pour la zone de mesure III (mécanisme de détection par réflexion de Fresnel externe) :- for measurement area III (detection mechanism by external Fresnel reflection):
[Ma,h41pt = j·;;·’ avec : [Ma, h41 p t = j · ;; · 'with:
- N, le nombre de réflexions de l’onde lumineuse à l’interface cœur-gaz par unité de longueur (m1) et peut être exprimé par la formule suivante :- N, the number of reflections of the light wave at the heart-gas interface per unit of length (m 1 ) and can be expressed by the following formula:
[Math 5] COW ? (5)[Math 5] COW ? (5)
- 2a2 - 2a 2
- T, le coefficient de transmission des ondes évanescentes (exprimé en RIU *) et donné par la formule suivante :- T, the transmission coefficient of the evanescent waves (expressed in RIU *) and given by the following formula:
[Math 6]__(X\HcoCOSe ;(6) “ π- Fism2cos2e csmVcos2e csm - COS2^ ![Math 6] __ (X \ H co COSe ; (6) “π- Fi sm 2cos 2 e csmVcos 2 e csm - COS 2 ^!
- R, le coefficient de réflexion de Fresnel (exprimé en %) donné par la formule suivante :- R, the Fresnel reflection coefficient (expressed in%) given by the following formula:
[Math 7] R (θ = ΐ(Γρ(θ y + r 5(θ .f) o θ étant l’angle d’incidence de la lumière injectée à l’entrée de la fibre multimode 11 ; et où :[Math 7] R (θ = ΐ ( Γρ (θ y + r 5 (θ .f) o θ being the angle of incidence of the light injected at the input of multimode fiber 11; and where:
[Math 8] (a \_ MsmCOS0 i ~ ^cpCOS# t (8) rpy f ~ nsmcos0 f + tîcocos0 t [Math 9] / \ _ HcoCOS0 f - HsmCOS0 t (9) r s y Q “ ncocos0 f + nsmcos0 f où rp et rs sont les coefficients de réflectances en polarisation p (parallèle) et en polarisation s (perpendiculaire) respectivement.[Math 8] (a \ _ M sm COS0 i ~ ^ cpCOS # t (8) r py f ~ n sm cos0 f + tî co cos0 t [Math 9] / \ _ H co COS0 f - H sm COS0 t ( 9) rs y Q “n co cos0 f + n sm cos0 f where r p and r s are the reflectance coefficients in p polarization (parallel) and in polarization s (perpendicular) respectively.
[0108] On observe que le couplage d’une fibre monomode avec une fibre multimode pour la mesure d’indice de réfraction par réfractométrie permet d’accroître l’angle d’incidence de la lumière injectée dans la fibre multimode (et donc dans le bras de mesure). Autrement dit, l’angle d’incidence de la lumière injectée est supérieur a' celui obtenu quand la lumière est injectée a' travers un objectif microscope comme c’est le cas dans l’art antérieur. Par conséquent, un tel système fibré contribue a' augmenter la réflexion de Fresnel en Zone III comme indique' par l’équation (4) ci-dessus. Ainsi, pour cette condition d’injection, la sensibilité du réfractomètre est améliorée dans les zones de mesure II et III.It is observed that the coupling of a monomode fiber with a multimode fiber for the measurement of refractive index by refractometry makes it possible to increase the angle of incidence of the light injected into the multimode fiber (and therefore in the measuring arm). In other words, the angle of incidence of the injected light is greater than that obtained when the light is injected through a microscope objective as is the case in the prior art. Consequently, such a fiber system contributes to 'increasing the Fresnel reflection in Zone III as indicated' by equation (4) above. Thus, for this injection condition, the sensitivity of the refractometer is improved in measurement zones II and III.
[0109] Il est proposé ci-après une estimation de la résolution du réfractomètre 100, noté ô, dans la zone de mesure III en fonction de la sensibilité (S) et du bruit du réfractomètre (Vms), définie selon l’équation suivante :It is proposed below an estimate of the resolution of the refractometer 100, denoted,, in the measurement area III as a function of the sensitivity (S) and the noise of the refractometer (V ms ), defined according to the equation next :
[0110] [Math ίο] Λ 6 Vrms (10) 0 - 5’ [0111] Le Tableau 1 ci-dessous illustre quatre exemples de rapports L/D (N° 1 à 4) conforme à l’invention et le résultat obtenu, par simulation numérique, en termes de résolution de mesure pour chacun de ces quatre profils dimensionnels de la portion P de fibre dénudée.[0110] [Math ίο] Λ 6 Vrms (10) 0 - 5 '[0111] Table 1 below illustrates four examples of L / D ratios (N ° 1 to 4) according to the invention and the result obtained , by numerical simulation, in terms of measurement resolution for each of these four dimensional profiles of the portion P of bare fiber.
Tableau 1 [0112] [Tableaux 1]Table 1 [0112] [Tables 1]
[0113] *Le terme R1U signifie en anglais « Refractive Index Unit ».* The term R1U means in English "Refractive Index Unit".
[0114] On remarque que plus le rapport L/D est faible et plus la résolution du réfractomètre dans la zone de mesure III est améliorée.It is noted that the lower the L / D ratio, the more the resolution of the refractometer in the measurement area III is improved.
[0115] On note toutefois, sur la base de la description ci-dessus, que la sensibilité du réfractomètre pourrait être améliorée dans la zone de mesure I. Pour améliorer la sensibilité dans cette zone de mesure particulière, il est proposé un réfractomètre optique hybride à trois bras, décrit ci-après.However, it is noted, on the basis of the description above, that the sensitivity of the refractometer could be improved in the measurement area I. To improve the sensitivity in this particular measurement area, a hybrid optical refractometer is proposed. with three arms, described below.
[0116] Réfractomètre optique hybride à trois bras [0117] La figure 3 présente le schéma de principe d’un réfractomètre 200 selon un deuxième mode de réalisation particulier de l’invention. Le réfractomètre 200 représenté sur cette figure est un réfractomètre à trois bras hybrides apte à délivrer des informations sur la concentration d’un ou plusieurs gaz analysé(s) en milieu marin. Il peut être utilisé dans ou en tant que capteur de gaz sous-marin.[0116] Hybrid optical refractometer with three arms [0117] FIG. 3 presents the block diagram of a refractometer 200 according to a second particular embodiment of the invention. The refractometer 200 shown in this figure is a refractometer with three hybrid arms capable of delivering information on the concentration of one or more gases analyzed in the marine environment. It can be used in or as an underwater gas sensor.
[0118] A la différence du premier mode de réalisation décrit ci-dessus, le réfractomètre 200 comprend en sus un deuxième bras de mesure hybride 30 intégrant une fibre optique à cristaux photoniques 31 en tant que deuxième partie sensible du réfractomètre 200 (la première partie sensible étant la portion P de la fibre multimode 11). Plus particulièrement, le deuxième bras de mesure 30 comprend :Unlike the first embodiment described above, the refractometer 200 further includes a second hybrid measuring arm 30 integrating a photonic crystal optical fiber 31 as the second sensitive part of the refractometer 200 (the first part sensitive being the portion P of the multimode fiber 11). More particularly, the second measuring arm 30 comprises:
[0119] - la fibre optique à cristaux photoniques (aussi appelée fibre à cristal photonique ou[0119] - optical fiber with photonic crystals (also called photonic crystal fiber or
PCF pour « Photonic Crystal Fiber ») 31 dénudée sur une portion P’ de sa longueur ;PCF for "Photonic Crystal Fiber") 31 stripped over a portion P ’of its length;
[0120] - un premier segment de fibre optique multimode 32 couplé en série à et placé en amont de la fibre à cristaux photoniques 31 ;- a first multimode optical fiber segment 32 coupled in series with and placed upstream of the photonic crystal fiber 31;
[0121] - un deuxième segment de fibre optique multimode 33 couplé en série à et placé en aval de la fibre à cristaux photoniques 31 ;- a second multimode optical fiber segment 33 coupled in series with and placed downstream of the photonic crystal fiber 31;
[0122] - une fibre optique monomode 34 couplée en série à et placée en amont du premier segment de fibre multimode 32.- a single mode optical fiber 34 coupled in series with and placed upstream of the first multimode fiber segment 32.
[0123] On entend ici par « dénudée » le fait que la fibre à cristaux photonique est mise à nu, c’est-à-dire qu’elle est sans revêtement de protection extérieur de sorte que la gaine de la fibre puisse être en contact direct avec le gaz à analyser. A noter que la longueur de la portion P’ de fibre dénudée (de son revêtement de protection) correspond, dans le présent exemple, à la longueur totale de la fibre à cristaux photoniques 31 (la fibre à cristaux photoniques 31 est effectivement totalement nue, c’est-à-dire sans présence de revêtement). Cette implémentation permet de maximiser l’étendue du spectre de mesure. Bien entendu, il est également possible (comme pour la portion P dénudée de la fibre multimode 11 du premier bras de mesure 10) que la portion P’ de la fibre à cristaux photoniques 31 soit partiellement dénudée, avec une partie intermédiaire nue servant de deuxième partie sensible du réfractomètre 200.The term “stripped” is understood here to mean the fact that the photonic crystal fiber is exposed, that is to say that it is without an external protective coating so that the sheath of the fiber can be in direct contact with the gas to be analyzed. Note that the length of the portion P ′ of stripped fiber (of its protective coating) corresponds, in the present example, to the total length of the photonic crystal fiber 31 (the photonic crystal fiber 31 is effectively completely bare, that is to say without the presence of a coating). This implementation maximizes the extent of the measurement spectrum. Of course, it is also possible (as for the stripped portion P of the multimode fiber 11 of the first measuring arm 10) that the portion P 'of the photonic crystal fiber 31 is partially stripped, with a bare intermediate portion serving as the second sensitive part of the refractometer 200.
[0124] Comme illustré sur le schéma détaillé de la figure 4, la portion P’ est de longueur L’, typiquement comprise entre 10 et 150 mm (par exemple 75 mm), et de diamètre D’ compris typiquement entre 80 et 380 μιη (par exemple 230 pm). La portion P’ correspond ici à l’ensemble de la longueur de la fibre à cristaux photoniques et forme la partie sensible du bras de mesure 30.As illustrated in the detailed diagram in Figure 4, the portion P 'is of length L', typically between 10 and 150 mm (for example 75 mm), and of diameter D 'typically between 80 and 380 μιη (for example 230 pm). The portion P ’here corresponds to the entire length of the photonic crystal fiber and forms the sensitive part of the measuring arm 30.
[0125] Afin d’obtenir une bonne sensibilité de la propagation d’ondes évanescentes vers la périphérie de la fibre à cristaux photoniques dénudée, la portion P’ est dimensionnée de façon à satisfaire l’inégalité 1000 > L7D’ > 100, par exemple L’ = 12,5 mm et D’ = 125 pm. En ajustant de cette manière les dimensions de la portion P’, la sensibilité du réfractomètre est augmentée de façon ciblée, et plus précisément dans la zone de mesure I de la dynamique du réfractomètre 200, du fait d’une absorption plus importante des ondes évanescentes au sein de la fibre à cristaux photoniques 31.In order to obtain a good sensitivity of the propagation of evanescent waves towards the periphery of the stripped photonic crystal fiber, the portion P 'is dimensioned so as to satisfy the inequality 1000> L7D'> 100, for example L '= 12.5 mm and D' = 125 pm. By adjusting the dimensions of the portion P ′ in this way, the sensitivity of the refractometer is increased in a targeted manner, and more precisely in the measurement zone I of the dynamic range of the refractometer 200, due to a greater absorption of the evanescent waves. within the photonic crystal fiber 31.
[0126] Comme illustré sur la vue en coupe transversale de la figure 5, la fibre optique à cristaux photoniques (par exemple connue sous le nom commercial ‘ESM-12’ ou ‘LMA-20’ ou ‘LMA-35’) 31 comprend un cœur solide 310 à base de Silice (nc) entouré par une première région de gaine 320 (nFSM) (montrée en pointillés sur la figure), elle-même entourée par une deuxième région de gaine 330 (ng). La première région de gaine 320 comprend un réseau ordonné de trous 321 (représentés par les régions noires) et une partie solide 322 à base de silice (représentée par la région blanche restante) s’étendant tout le long de la fibre 31. La deuxième région de gaine 330 est de même nature que la partie solide 322 (c’est-à-dire à base de silice), mais cette région de gaine est exempte de trous. Les trous 321 sont ici agencés dans la section transversale de la fibre pour former un motif de forme hexagonale.As illustrated in the cross-sectional view of FIG. 5, the optical fiber with photonic crystals (for example known under the trade name 'ESM-12' or 'LMA-20' or 'LMA-35') 31 comprises a solid core 310 based on Silica (n c ) surrounded by a first sheath region 320 (n FSM ) (shown in dotted lines in the figure), itself surrounded by a second sheath region 330 (n g ). The first cladding region 320 comprises an ordered array of holes 321 (represented by the black regions) and a solid part 322 based on silica (represented by the remaining white region) extending along the fiber 31. The second sheath region 330 is of the same nature as the solid part 322 (that is to say based on silica), but this sheath region is free of holes. The holes 321 are here arranged in the cross section of the fiber to form a hexagonal pattern.
[0127] La première région de gaine 320 (incluant le réseau de trous d’air 321 et la partie solide 322) présente un indice de réfraction équivalent nFSM inférieur à l’indice de réfraction nc du cœur 310 et de la deuxième région de gaine 330 (ng). Dans cet exemple, la partie solide 322 est à base de silice pure et les trous 321 sont à base d’air ou de silice dopé, et la deuxième région de gaine 330 est à base de silice pure. Les trous 321 sont espacés les uns des autres d’un pas Δ compris entre 7 et 25 pm, par exemple 7,5pm, et le diamètre d est choisi typiquement entre 5 et ΙΟμιη.The first sheath region 320 (including the network of air holes 321 and the solid part 322) has an equivalent refractive index n FSM lower than the refractive index n c of the core 310 and of the second region sheath 330 (n g ). In this example, the solid part 322 is based on pure silica and the holes 321 are based on air or doped silica, and the second cladding region 330 is based on pure silica. The holes 321 are spaced from each other by a pitch Δ of between 7 and 25 pm, for example 7.5 pm, and the diameter d is typically chosen between 5 and ΙΟμιη.
[0128] Bien entendu, il s’agit la' d’un exemple particulier de réalisation, d’autres motifs (par exemple octogonal, décagonal ou circulaire) peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l’invention. Egalement, d’autres matériaux pour le réseau de trous 321, d’une part, et pour la partie solide 322, d’autre part, répondant au principe ci-dessus peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l’invention. Les trous 321 du réseau peuvent comprendre plus généralement un matériau tel qu’un gaz, un liquide, un solide, un matériau particulaire ou une combinaison d’au moins deux de ces éléments. Le cœur 310, la partie solide et la deuxième région de gaine quant à elles peuvent comprendre plus généralement un matériau solide de type silice, silice dopée, fluorozirconate, fluoroaluminate et un verre de chalcogénure par exemple.Of course, this is a 'particular example of embodiment, other patterns (for example octagonal, decagonal or circular) can be envisaged without departing from the scope of the invention. Also, other materials for the array of holes 321, on the one hand, and for the solid part 322, on the other hand, meeting the above principle can be envisaged without departing from the scope of the invention. The holes 321 of the network can more generally comprise a material such as a gas, a liquid, a solid, a particulate material or a combination of at least two of these elements. The core 310, the solid part and the second cladding region, for their part, can more generally comprise a solid material of silica, doped silica, fluorozirconate, fluoroaluminate type and a chalcogenide glass for example.
[0129] Le nombre, la dimension des trous, ainsi que l’espacement périodique et la distribution de ces derniers (autrement dit la forme du motif), peuvent être adaptés au cas par cas, en fonction notamment des propriétés de guidage souhaite', du ou des gaz visés. Il convient également de prendre en compte l’indice de réfraction des trous (notamment par rapport à l’indice de réfraction choisi du cœur et de la partie solide de la première région de gaine), la proportion de surface occupée par les trous par rapport à la surface de la première région de gaine ainsi que la longueur d’onde de la lumière émise par la source 40.The number, the size of the holes, as well as the periodic spacing and the distribution of the latter (in other words the shape of the pattern), can be adapted on a case-by-case basis, in particular as a function of the desired guide properties', of the gas or gases concerned. It is also necessary to take into account the refractive index of the holes (in particular with respect to the chosen refractive index of the core and of the solid part of the first cladding region), the proportion of surface occupied by the holes relative to at the surface of the first cladding region as well as the wavelength of the light emitted by the source 40.
[0130] L’ajout d’un tel bras de mesure 30 a pour effet d’augmenter la sensibilité du réfractomètre dans la zone I de sa dynamique de mesure. En effet, l’utilisation d’une fibre à cristaux photoniques entre deux fibres multimodes a pour effet de favoriser les modes de propagation évanescents à l’interface gaine-gaz. Ainsi l’usage actuel de la fibre à cristaux photoniques (par exemple pour les applications en télécommunication par fibre optique) est ici détourné pour ajuster les propriétés de guidage des ondes évanescentes de manière à augmenter la sensibilité de façon ciblée dans la zone de mesure I. Cette mise en œuvre est d’autant plus surprenante que le principe ici repose sur la création volontaire de pertes optiques en favorisant la propagation de la lumière à l’interface gaine-gaz (favorisant ainsi la propagation des modes dits « outer-cladding » ), pour élargir le spectre de mesure du réfractomètre.The addition of such a measurement arm 30 has the effect of increasing the sensitivity of the refractometer in zone I of its measurement dynamics. Indeed, the use of a photonic crystal fiber between two multimode fibers has the effect of promoting the evanescent propagation modes at the sheath-gas interface. Thus the current use of photonic crystal fiber (for example for telecommunication applications by optical fiber) is here diverted to adjust the guiding properties of evanescent waves so as to increase the sensitivity in a targeted manner in the measurement area I This implementation is all the more surprising since the principle here is based on the voluntary creation of optical losses by promoting the propagation of light at the sheath-gas interface (thus promoting the propagation of so-called “outer-cladding” modes. ), to widen the measurement spectrum of the refractometer.
[0131] Selon un autre aspect de l’invention, la fibre monomode 34 et lesdits premier 32 et deuxième 33 segments de fibre multimode ont chacune une ouverture numérique supérieure à l’ouverture numérique de la fibre à cristaux photoniques 31. Typiquement, l’ouverture numérique O.N. de la fibre monomode 34 est de 0,15 (0,10 au minimum), l’ouverture numérique O.N. des segments de fibre multimode 32 et 33 est de 0,22 et 0,50 respectivement, alors que l’ouverture numérique O.N. de la fibre à cristaux photoniques 31 est de 0,05 (plus généralement compris entre 0,05 et 0,12). Ceci a pour effet de permettre un guidage optimisé des ondes évanescentes dans la fibre à cristaux photoniques 31 et ainsi favoriser une meilleure sensibilité et un élargissement de la dynamique de mesure du réfractomètre.According to another aspect of the invention, the single-mode fiber 34 and said first 32 and second 33 segments of multimode fiber each have a digital opening greater than the digital opening of the photonic crystal fiber 31. Typically, the digital aperture ON of single-mode fiber 34 is 0.15 (0.10 minimum), the digital aperture O.N. multimode fiber segments 32 and 33 is 0.22 and 0.50 respectively, while the digital aperture O.N. of the photonic crystal fiber 31 is 0.05 (more generally between 0.05 and 0.12). This has the effect of allowing optimized guidance of the evanescent waves in the photonic crystal fiber 31 and thus promoting better sensitivity and a widening of the measurement dynamics of the refractometer.
[0132] Par ailleurs, afin d’optimiser le couplage entre les différents éléments composant le bras de mesure 30, les dimensions du motif hexagonal formé par les trous 321 ainsi que celles du cœur 310 sont définies selon le principe suivant :In addition, in order to optimize the coupling between the different elements making up the measurement arm 30, the dimensions of the hexagonal pattern formed by the holes 321 as well as those of the heart 310 are defined according to the following principle:
- le premier segment de fibre multimode 32 a un diamètre de cœur DMMFi qui est strictement supérieur au grand diamètre du motif hexagonal DCP EXT, soit D mmfi > Dcp_ext (ceci a pour effet de s’assurer qu’une partie de la lumière soit transmise dans la deuxième portion de gaine de la fibre à cristaux photoniques (favorisant la création de la propagation d’ondes évanescentes vers la périphérie de la fibre à cristaux photoniques dénudée));- the first multimode fiber segment 32 has a core diameter D MMF i which is strictly greater than the large diameter of the hexagonal pattern D CP EXT , ie D mmfi> Dcp_ext (this has the effect of ensuring that part of the light is transmitted in the second sheath portion of the photonic crystal fiber (favoring the creation of the propagation of evanescent waves towards the periphery of the stripped photonic crystal fiber));
- le deuxième segment de fibre multimode 33 a un diamètre de cœur DMMF2 qui est supérieur ou égal au diamètre D’ de la fibre à cristaux photoniques 31, soit DMMF2 > D’ (ceci a pour effet de récupérer le maximum de lumière en sortie de fibre à cristaux photoniques).the second multimode fiber segment 33 has a core diameter D MMF2 which is greater than or equal to the diameter D 'of the photonic crystal fiber 31, ie D MMF2 >D' (this has the effect of recovering the maximum of light in output of photonic crystal fiber).
[0133] On entend par ‘grand diamètre’ du motif hexagonal, le diamètre d’un cercle qui lui est circonscrit, par opposition au petit diamètre du motif hexagonal qui lui est le diamètre du cercle qui lui est inscrit. Le grand diamètre correspond au diamètre maximal du motif hexagonal formé par les trous du réseau.By "large diameter" of the hexagonal pattern is meant the diameter of a circle which is circumscribed thereto, as opposed to the small diameter of the hexagonal pattern which is the diameter of the circle which is inscribed to it. The large diameter corresponds to the maximum diameter of the hexagonal pattern formed by the holes in the network.
[0134] A titre d’exemple purement illustratif, les segments de fibre multimode 32 et 33 ont une longueur de 150 mm (et plus généralement une longueur comprise entre 100 - 200 mm), et la fibre à cristaux photoniques 31a une longueur 80 mm (et plus généralement comprise entre 20-200 mm).By way of purely illustrative example, the multimode fiber segments 32 and 33 have a length of 150 mm (and more generally a length of between 100-200 mm), and the photonic crystal fiber 31a a length of 80 mm. (and more generally between 20-200 mm).
[0135] A la différence du premier mode de réalisation décrit ci-dessus en relation avec la figure 1, le coupleur de fibre 70 est agencé en amont des trois bras pour coupler les fibres monomodes de mesure 12 et 34 et la fibre de référence 22, et est configuré pour réaliser une liaison optique entre les bras de mesure 10 et 30 et le bras de référence 20 jusqu’à la source de lumière 40. Egalement le détecteur de lumière 50 est ici configuré pour détecter en provenance des bras de mesure 10 et 30 et le bras de référence 20, l’intensité de la lumière qu’il reçoit de ceux-ci et la convertit en signal électrique a' destination de l’unité de traitement 60. Dans l’exemple présenté ici, le détecteur de lumière 50 comprend des première, deuxième et troisième zones de mesure distinctes (zones référencées 50a, 50b et 50c sur la figure), configurées pour détecter l’intensité de lumière reçue des bras de mesure 10 et 30, et le bras de référence 20 respectivement. A titre d’alternative, on pourrait envisager, sans sortir du cadre de l’invention, d’utiliser trois détecteurs distincts chacun associé à un bras hybride du réfractomètre.Unlike the first embodiment described above in relation to FIG. 1, the fiber coupler 70 is arranged upstream of the three arms to couple the single-mode measurement fibers 12 and 34 and the reference fiber 22 , and is configured to make an optical connection between the measuring arms 10 and 30 and the reference arm 20 to the light source 40. Also the light detector 50 is here configured to detect coming from the measuring arms 10 and 30 and the reference arm 20, the intensity of the light which it receives from them and converts it into an electrical signal intended for the processing unit 60. In the example presented here, the light detector light 50 comprises separate first, second and third measurement zones (zones referenced 50a, 50b and 50c in the figure), configured to detect the intensity of light received from the measurement arms 10 and 30, and the reference arm 20 respectively . As an alternative, one could envisage, without departing from the scope of the invention, the use of three separate detectors each associated with a hybrid arm of the refractometer.
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