Résumé
Ce travail est la convergence de trois domaines
des fibres optiques : les réseaux de Bragg dans les fibres optiques (FBG
pour Fiber Bragg Gratings), la réflectométrie optique à basse cohérence (OLCR
pour Optical Low Coherence Reflectometry) et enfin les senseurs à fibre optique
(utilisant des FBGs, l'OLCR ou la combinaison des deux).
Les réseaux de Bragg dans les fibres optiques
sont des changements permanents et périodiques de l'indice de réfraction du
cœur de la fibre, qui réfléchissent une faible largeur spectrale. Les FBGs sont
couramment utilisés dans le domaine des télécommunications, par exemple comme
filtres en réflexion ou comme compensateurs de dispersion. Leur sensibilité aux
variations de température et aux contraintes en font des éléments de premier
choix pour diverses applications senseur, en particulier grâce à leur très
petite taille, leur immunité aux champs électromagnétiques et enfin les
multiples possibilités de multiplexage.
Le défi majeur dans l'utilisation des FBGs
consiste à caractériser localement les propriétés du réseau, en particulier la
distribution de l'indice de réfraction du cœur de la fibre le long du réseau.
Une telle connaissance permet de corriger certaines imperfections lors de
l'inscription du FBG ou de déterminer des distributions dans les applications
senseur. Dans ce travail, nous sommes parvenus à reconstruire la distribution
du coefficient de couplage complexe d'un réseau en combinant les mesures OLCR
avec une méthode de reconstruction appelée "layer-peeling". Un design
novateur d'OLCR a été proposé et réalisé. Cet instrument mesure précisément
l'amplitude et la phase de la réponse impulsionnelle complexe du FBG avec une
résolution micrométrique et un niveau de bruit inférieur à -120 dB. En appliquant la méthode
de "layer-peeling", le coefficient de couplage complexe du réseau
peut être retrouvé avec une résolution de 20 mm et une erreur inférieure à 5 % (cette
valeur est obtenue par comparaison entre les reconstructions obtenues depuis
les deux côtés du réseau).
De nombreuses études ont été menées sur les
contraintes axiales dans différents échantillons et différentes conditions
expérimentales. Le résultat le plus prometteur concerne l'étude de champs de
contraintes non-homogènes grâce à la technique de reconstruction discutée
précédemment qui combine l'OLCR et le "layer-peeling". L'étude de
champs de contraintes transversales a également été conduite grâce à des FBGs
gravés dans des fibres biréfringentes. Un comportement non linéaire est observé
et expliqué par la rotation des axes propres de la fibre. Une importante
anisotropie dans la sensibilité pour différents angles est également observée
mais celle-ci n'a pu être totalement expliquée.
L'influence de l'humidité et de la température
sur les réseaux de Bragg avec une gaine de protection en polyimide est étudiée.
Les sensibilités ont également été mesurées en fonction de l'épaisseur de la
gaine. A partir de cette analyse, un nouveau concept de capteur d'humidité
relative est proposé basé sur des FBGs regainés avec du polyimide. Des tests en
chambre climatique montrent que le senseur est linéaire, réversible et possède
une réponse précise entre 10 et 90 %RH et entre 13 et 60 °C.
Pour terminer, un nouveau vibromètre
sub-nanométrique à fibre optique a été développé, basé sur la technologie OLCR.
Ce senseur permet le contrôle des oscillations d'une pointe SNOM dans l'air et
dans l'eau (SNOM : Scanning Near-field Optical Microscopie ou Microscopie à
balayage en champ proche). Une très bonne précision est obtenue avec un niveau
de bruit autour de 1 pm. La compacité et la facilité d'utilisation
(auto-calibration et stabilité) de ce capteur ouvrent de nouveaux domaines de
mesures à la technique SNOM comme par exemple la mesure d'échantillons
biologiques dans les liquides.
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