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1 Mesure vectorielle de champs électriques microondes et de température par transducteurs électro-optiques fibrés Maxime BERNIER.

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1 1 Mesure vectorielle de champs électriques microondes et de température par transducteurs électro-optiques fibrés Maxime BERNIER

2 2 Mesure en champ proche (caractérisation dantennes ou MMIC) Compatibilité électromagnétique (CEM) Caractérisation dimpulsions électromagnétiques Monocoups Fort niveau Contexte Mesure haute fréquence (GHz) CEMEspace libre Microélectronique

3 3 I.Introduction II.Les sondes électro-optiques III.Problème de stabilité de la réponse électro-optique IV.Système de compensation V.Résultats VI.Conclusion & perspectives I.Introduction II.Les sondes électro-optiques III.Problème de stabilité de la réponse électro-optique IV.Système de compensation V.Résultats VI.Conclusion & perspectives Sommaire

4 4 Mesure de signaux monocoups Bonne sensibilité Gain en petit signal ( AF -1 ) Réponse linéaire Faible perturbation induite Bonne résolution spatiale Grande résolution temporelle Large bande Introduction Mesure vectorielle Cartographie Mesure de champs de faible niveau Mesure en champ proche Grande sélectivité Compromis !! Caractéristiques nécessaires :

5 5 Effet EO : Pockels Thermographie infra-rouge Antenne redressée Electro-absorption Thermographie infra-rouge Electro-absorption Antennes redressées Techniques de mesure a.Mesure de puissance : mesure quadratique Bolomètres & calorimètres Perte de linformation spectrale !! b.Mesure de champ : mesure linéaire Antennes Bonnes sensibilité et dynamique Forte perturbation induite Faible résolution spatiale Sensibilité médiocre Faible perturbation induite Très bonne résolution spatiale E dIdI

6 6 Sommaire I.Contexte & introduction II.Les sondes électro-optiques 1.Principe 2.Design de la sonde 3.Point de fonctionnement et performances III.Problème de stabilité de la réponse électro-optique IV.Système de compensation V.Résultats VI.Conclusion & perspectives

7 7 Interféromètre de Fabry-Pérot Modulation détat de polarisation Principe de la mesure 1.Principe : dIdI Interféromètre à 2 ondes Les différents dispositifs : d n (E) E

8 8 Caractéristiques des sondes EO Interféromètre à 2 ondes Modulation détat de polarisation ?? u I Dj( E) Point de fonctionnement : Gain en petit signal : Dynamique : Point de fonctionnement : Gain en petit signal : Dynamique : Point de fonctionnement : 3I 0 /4 1dB I Dépend de Meilleurs gain et sensibilité Point dinflexion (75% de I 0 ) Point dinflexion ( ) Interféromètre de Fabry-Pérot Dépend de la sonde EO

9 9 Polarisation linéaire : Dj =0 Polarisation circulaire: E 0x =E 0y Dj= 90° Définition des états de polarisation Létat de polarisation : Polarisation linéaire Polarisation circulaire k Orientation Y et ellipticité x (= b/a ) dépendent de E 0x, E 0y et Dj Polarisation elliptique k k b a Y

10 10 Modulation détat de poarisation Faisceau sonde incident L EO crystal Faisceau sonde sortant Dn0Dn0 t I Effet Pockels dI dI dépend de : Polarisation incidente Puissance optique incidente Design de la sonde I 1 et I 2

11 11 Polarisation circulaire Fibre à maintien de polarisationPolarisation incidente rectiligne Polarisation à 45° des axes du cristal Sondes électro-optiques 2.Sonde réalisée : Performances optimales Lame quart donde Puissance optique de retour maximale Lentille GRIN Configuration en réflexion

12 12 Point de fonctionnement Polarisation rectiligne Puissances optiques : avec " Electro-optic sensors for electric field measurements. ii choice of the crystals and complete optimization of their orientation", L. Duvillaret et al., J. Opt. Soc. Am. B 18, p , (2001)

13 13 Performances Réponse linéaire Mesure vectorielle Linéaire Gain maximal I 1 = I 2 pour E = 0 = 1 Au point de fonctionnement :

14 14 Sommaire I.Introduction & contexte II.Les sondes électro-optiques III.Problème de stabilité de la réponse électro-optique 1.Effet Fabry-Pérot 2.Dérive du point de fonctionnement IV.Système de compensation V.Résultats VI.Conclusion & perspectives

15 15 1.Effet Fabry-Pérot parasite : Cavités Fabry-Pérot parasites Variation de température Origine des instabilités : R R Modulation rapide Modulation lenteCavité courte Cavité longue

16 16 Férule polie à 8° : Taux de modulation lente /10 Connecteur FC/APC : Taux de modulation rapide /100 Suppression des effets de cavité Solution :

17 17 2.Dérive du point de fonctionnement : Stabilité de la réponse électro-optique Perte de linéarité Il faut compenser en temps réel la dérive !! Pas de compensation des dérives rapides de température (> 0.05 Hz) !! Solution : Compensation des dérives lentes par contrôle de la longueur donde Problème : Filtrage

18 18 Sommaire I.Introduction & contexte II.Les sondes électro-optiques III.Problème de stabilité de la réponse électro-optique IV.Système de compensation 1.Principe 2.Le système dasservissement V.Résultats VI.Conclusion & perspectives

19 19 Solution alternative État de polarisation x (Dj, Dg ) et (Dj, Dg) Modulation rapide ( E ) Modulation lente ( T EO, T FMP ) Mesure de E Instabilité G( Dj 0 ( T EO ), Dg ( T FMP )) On doit compenser les dérives liées aux variations des températures de la fibre ( T FMP ) et du cristal EO ( T EO ) 1.On doit connaître Dj 0 ( T EO ) et Dg ( T FMP ) 2.Définir le point de fonctionnement optimal 3.Stabiliser le point de fonctionnement

20 20 Calculs des déphasages relatifs Compensation des dérives détat de polarisation Lame demi-onde ( q l /2 ) : compensation de Y(Dj 0, Dg) Lame quart donde ( q l /4 ) : compensation de x(Dj0, Dg) + Polarisation rectiligne orientée à 45° I 1 = I 2 q l /2 I 3 = I 4 avec "Vectorial measurement of single-shot high-power microwave pulses using pigtailed electro-optic probes", M. Bernier et al., Applied Optics 47 (2008). Y a b

21 21 État de polarisation stable Réponse EO stable !! Compensation de létat de polarisation Température du cristal Température de la fibre I 3 = I 4 I 1 = I 2 Polarisation rectiligne orientée à 45° +

22 22 Dg+ 2a Signal CW connu Dg+ 2a Contrôle de longueur donde : Recherche du point de fonctionnement Asservissement des orientations des lames +

23 23 2.Le système dasservissement : Système de compensation Le banc optique asservi : État de polarisation en entrée de sonde Sonde fibrée avec férule polie à 8° I1=I2+I3=I4I1=I2+I3=I4 Système dasservissement numérique Détection, amplification et blindage

24 24 Système dasservissement 4 paramètres dasservissement : Orientation de la lame quart donde ( q l /4 ) Orientation de la lame demi-onde ( q l /2 ) Longueur donde démission ( l ) Puissance optique (P opt ) 4 boucles dasservissement «Proportionnel-Intégrateur»

25 25 Sommaire I.Introduction & contexte II.Les sondes électro-optiques III.Problème de stabilité de la réponse électro-optique IV.Système de compensation V.Résultats 1.Mesure de champ électrique (Impulsionnel et CW) 2.Mesure de température VI.Conclusion & perspectives

26 26 Mesure de MFP sans compensation Source impulsionnelle monocoup ou salve : Porteuse à 9 GHz Polarisation rectiligne Antenne guide donde (9 GHz) Sonde EO avec férule non polie Mesure fidèle t E (t) 20 ns 3 ns 800 kV.m -1

27 27 Résultats Sélectivité > 20 dB E min 24 kV.m -1 Conditions expérimentales : D T 10 C°/ heure 20 mètres de fibre s = 3,8 dB TF Sensibilité 0,7 V.m -1.Hz -1/2

28 28 Mesure de signal CW avec compensation Signal CW à 2.9 GHz Conditions expérimentales : D T = 15°C/1000 secondes L FMP =3 mètres D T 8°C/heure pour 20 mètres de fibre Fluctuation du signal EO 0,2 dB sur 1000 secondes

29 29 Mesure de température : principe Sur une plage restreinte de température (quelques dizaines de °C) Mesure des variations relatives de température du cristal EO et de la FMP

30 30 2.Banc de mesure : Mesure de température du cristal EO Système dasservissement : Contrôle et acquisition des quatre paramètres Acquisition de la température du thermocouple Protocole expérimental : T ini 50°C Thermalisation de T etuve Acquisition simultanée de q l /2 (t), q l /4 (t) et l (t) et T etuve (t)

31 31 Ajustement théorique : K -1 Résultats : Mesure de température Calcul de Dj 0 : "Vectorial measurement of single-shot high-power microwave pulses using pigtailed electro-optic probes", M. Bernier et al., Applied Optics 47 (2008).

32 32 Mesure de température : validation Modulation thermique détat de polarisation K -1

33 33 Performances Mesure relative Précision de mesure : 0,04 K Dérive de température mesurable : ~ 50 mK.s -1 soit 3°C/min Dj 0 (q l/2, q l/4 )

34 34 l = 2,9 mètres Mesure de température de la FMP

35 35 Sommaire I.Introduction & contexte II.Les sondes électro-optiques III.Problème de stabilité de la réponse électro-optique IV.Système de compensation V.Résultats VI.Conclusion & perspectives

36 36 Conclusion & perspectives Sonde compacte Fibrée Férule polie à 8° : stabilité Usinée Entièrement diélectrique Sonde réalisée : Banc optique : asservi numériquement Recherche du point de fonctionnement Suivi du point de fonctionnement Acquisition des données en température et état du système Transducteur EO : Transportable (A3) Blindé Entièrement automatisé Performances du transducteur EO Mesure déportée stable et fiable (asservissement) : fluctuation 0,2 dB pendant 1000 s (conditions expérimentales difficiles) Bande passante : ~ 10 Hz - 16 GHz Résolution spatiale : ~ 100 m m Mesure signaux monocoups et CW Sélectivité : ~ 20 dB (mesure vectorielle) Mesure de la température du cristal : précision : 0,04 K variation temporelle mesurable : 0,05 mK/s Mesure de la température de la fibre variation temporelle mesurable : 0,03 mK.m/s Sensibilité 0,7 V.m -1.Hz -1/2

37 37 Conclusion & perspectives Système adapté à la caractérisation vectorielle de champs hyperfréquences de forte puissance Applications militaires Hautes tensions Bioélectromagnétisme ( E+T ) Plus dapplications si mesures 2 axes et meilleure sensibilité !! Sonde EO basée sur la modulation damplitude (Thèse dAdriana Warzecha) Sonde EO pour la mesure simultanée de deux composantes du champ électrique (sonde non fibrée) "Vectorial electric field measurement using isotropic electro-optic crystals", G. Gaborit et al., Appl. Phys. Lett. 90, (2007)

38 38 MERCI


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