Mesure non perturbatrice ULB de champs électriques par effet Pöckels

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1 Mesure non perturbatrice ULB de champs électriques par effet Pöckels L. Duvillaret1,2,G. Gaborit1,2, M. Bernier1, A. Warezecha1 1 IMEP-LAHC / UMR CNRS n 5130 / Minatec-INPG / Grenoble 2 Kapteos / Savoie Technolac / Le Bourget du Lac

2 0. Plan de l'exposé Historique Principe Théorie : vecteur sensibilité cristaux anisotropes cristaux isotropes Exploitations possibles : 3 configurations comparatif Développements applicatifs : résolution du problème de dépendance avec T résolution du problème de déport par fibre sondes électro-optiques de la «manip» à l'outil Conclusion

3 m er te m e 2008 & (W T ie z EO TH E+ ap h pi na ge 2 hi ax es (IM EP ta ke r) ) n) -L AH (A us to s) ro u ps ck el ou ns Pö (M ls io l'e ffe t( d' im pu de es ur es gr ct ro sc o on ca rt o 1 res 1 re sp e i ll es ur e uv éc ha nt 1 re dé co C) 1. Historique 2009

4 2. Principe Exemple de la mesure via la modulation d'état de polarisation y cristal EO anisotrope no E L polariseur x ne effet Pöckels polariseur photodétecteur Impose un asservissement sur le point de fonctionnement optimal du système

5 3. Un peu de théorie... Réponse du matériau : Réponse non-linéaire Ellipsoïde des indices Cristal EO Modification de l'ellipsoïde

6 ... classique Équation de l'ellipsoïde des indices : Trop complexe Traitement uniquement de cas particuliers permettant de conserver le coefficient ri j le + élevé Inconvénients : absence d'optimisation possible compréhension parcellaire comparaison entre cristaux très difficile

7 4. Vecteur sensibilité cas simple : cristaux anisotropes Effet Pöckels faible Absence de rotation des axes diélectriques propres au 1er ordre Modification uniquement des indices propres Vecteur sensibilité* * L. Duvillaret et al., J. Opt. Soc. Am. B 19, p (2002)

8 Avantage du concept de vecteur sensibilité : calcul numérique aisé pour tout k direction = composante du champ sondée module = figure de mérite du cristal EO Exemple du KNbO j H L q H L

9 5. Vecteur sensibilité cas délicat : cristaux isotropes sans champ avec champ ellipsoïde des indices = sphère apparition d'une axe optique dépendant pas d'axes diélectriques définis de l'orientation du champ appliqué Absence d'effet au 1er ordre si axe optique // k

10 Sensibilité simultanée à deux composantes du champ* Existence de deux vecteurs sensibilité : Orientation <111> : mesure de l'orientation du champ avec une précision de 2 accès à l'état de polarisation d'une onde plane RF * G. Gaborit et al., Appl. Phys. Lett. 90, p (2007)

11 6. Exploitations possibles* Cristal EO PSM (polarisation state modulation) Cristal EO AM (amplitude modulation) Cristal EO PM (phase modulation) miroir miroir * L. Duvillaret et al., J. Opt. Soc. Am. B 19, p (2002) t

12 7. Comparatif des 3 méthodes PSM* = PM Antenne guide de référence Sonde EO AM 1re cartographie de champ électrique en configuration AM time (µs) Dynamique théorique PSM/PM vs AM (réponse linéaire) : +2,4 db Sensibilité de mesure théorique AM vs PSM/PM: +2,3 db * M. Bernier et al., Appl. Opt. 47, p (2008)

13 8. Applications Biomédical (mesure E + T) THz (ULB) Énergie (saturation ou claquage du capteur) Défense (ULB) + CEM si sensibilité

14 9. Problème de dépendance avec T chute de la réponse modification du point de fonctionnement MESURE HORS LABORATOIRE Solution : conversion du problème en atout (mesure de T) PM Asservissement du déphasage du bras de référence de l'interféromètre PSM Asservissement de l'état de polarisation injecté dans le cristal EO (équivalent au traitement en sortie) Maintien du système sur son point de fonctionnement optimal

15 Cristal électrooptique faisceau laser de sonde L Passe-bas Température T Passe-haut Champ électrique E

16 Exemple : PSM isolateur CSNP diode laser lentille λ/4 λ/2 PD 1 PD 2 éléments asservis λ/4 Wollaston PD 3 fibre à maintien de polarisation (~ 10 m) cube séparateur non polarisant (CSNP) Wollaston PD 4 Liaison USB Polarimètre (Analyse temps réel de l'état de polarisation) BRE VET sonde EO

17 Mesure de température : PSM précision de mesure : ~ 0,05 C capacité de suivi - fibre : ~ 2 C.s-1.m-1 - cristal EO : ~ 0,5 C.s-1 orientation λ/2 (u. a.) temps (s)

18 10. Problème du déport par fibre Indispensable d'un point de vue applicatif limitation potentielle de la bande passante (grandes longueurs de fibre) utilisation nécessaire de fibres à maintien de polarisation (fibres biréfringentes) PSM modification de l'état PM asservissement du point AM requiert une parfaite de polarisation d'où un de fonctionnement délicat maîtrise des réflexions nouveau paramètre - soit au niveau du cristal parasites (création de dépendant de T (température, champ élec- cavités parasites) à asservir possibilité trique statique), de mesure de Tfibre - soit au niveau du bras de référence

19 11. Sondes électro-optiques BRE VET PSM Tube de verre Fibre à maintien de polarisation Férule Lentille GRIN Cristal EO PSM LiNbO3 LiTaO3 ZnTe + KTP, DAST... AM

20 12. Passer de la «manip» à l'outil Système de détection Banc optique Système d asservissement 2009 Caisson faradisé Volume de la partie optique / 200! (surface : 1/3 feuille A4)

21 13. Caractéristiques : ordres de grandeur Produit gain x bande passante constant pour un cristal donné Limite théorique du bruit de grenaille (Iph = 1 ma) LiTaO3 (mesures dans l'air) Mesures ULB : (~ GHz)

22 Conclusion et remerciements Résultats Spin-off de l'imep-lahc Contact : ld.kapteos@orange.fr Partenaires CDI à pourvoir : Docteur spécialité instrumentation & optique