Domaine technique

La présente invention a pour objet un magnétomètre à polarisation lumineuse et à champ radio-fréquence asservis. Elle trouve une application dans la mesure précise des champs magnétiques faibles (typiquement dans la plage de 20 à 70 µT qui correspond aux valeurs du champ magnétique terrestre).

Etat de la technique antérieure

Le magnétomètre de l'invention entre dans la catégorie des magnétomètres dits à résonance, dont on pourra trouver une description générale dans l'article de F. HARTMAN intitulé "Resonance Magnetometers", publié dans la revue IEEE Transactions on Magnetics, vol. MAG-8, n° 1, mars 1972, pp. 66-75.

Un magnétomètre à résonance est un appareil qui, plongé dans un champ magnétique Bo, délivre un signal électrique de fréquence F dont la valeur est liée à Bo par la relation dite de LARMOR : F = γBo, où γ est un rapport gyromagnétique d'un électron ou d'un nucléon, selon la substance utilisée. Pour l'électron, par exemple, ce rapport est égal à 28 Hz/nT.

L'excitation de la résonance magnétique est obtenue par un enroulement disposé autour de la substance utilisée. Le prélèvement du signal de résonance s'effectue soit par un autre enroulement (variante électrique) soit par un faisceau lumineux de pompage (variante optique).

L'invention qui va être décrite relève de la seconde variante.

Le document FR-A-2 663 430 décrit un magnétomètre à pompage optique qui est représenté schématiquement sur la figure 1.

Une cellule 10, au moins partiellement transparente, est remplie d'un gaz 12, en général de l'hélium, à une pression de 1 à quelques torrs. Une source lumineuse 14 délivre un faisceau lumineux 15 dont la longueur d'onde se situe autour de 1,1 µm. Ce faisceau traverse un polariseur rectiligne 16. Le faisceau polarisé 17 qui en résulte traverse la cellule 10 et émerge sous forme d'un faisceau 18.

Par ailleurs, une décharge radio-fréquence (dite "faible" ou "douce") est produite dans le gaz 12 par un générateur 30 relié à deux électrodes 32, 33 disposées autour de la cellule 10. Cette décharge produit des atomes dans un état métastable (2 ³ S ₁ dans le cas de l'hélium). Le faisceau lumineux incident 17 "pompe" ces atomes à partir de l'état métastable et les amène dans un autre état excité (2 ³ P).

En présence d'un champ magnétique Bo, les niveaux d'énergie se séparent en sous-niveaux, dits de ZEEMAN. Une résonance entre de tels sous-niveaux peut être établie par un champ radio-fréquence.

Cette résonance est mise en évidence par divers moyens connus de l'homme du métier, dont une variante est représentée sur la figure 1. Il s'agit d'un enroulement 20 disposé de part et d'autre de la cellule 10 (dans une disposition dite de HELMOLTZ), d'un générateur radio-fréquence 22, d'un photodétecteur 24 recevant le rayonnement lumineux émergent 18, d'un amplificateur 25 relié au photodétecteur 24, d'un détecteur synchrone 21 recevant un signal de référence provenant du générateur 22 et d'un intégrateur 23.

Le générateur 22 alimente l'enroulement 20 en courant à la fréquence F, ce qui crée un champ magnétique oscillant dont une composante entretient la résonance et module en retour le faisceau lumineux 18 ayant traversé la cellule 10. Cette modulation se retrouve dans le signal électrique délivré par le photodétecteur 24 et est détectée par le détecteur synchrone 21. Le signal délivré par le détecteur synchrone 21 possède une composante en phase avec le signal de référence, et cette composante sert de signal d'erreur. L'intégrateur 23 en élimine l'erreur statique. Ce signal d'erreur ajuste la fréquence F du générateur de fréquence 22 pour annuler le signal d'erreur. Ce générateur doit donc pouvoir être commandé en tension. Il peut s'agir par exemple d'un oscillateur commandé en tension (V.C.O. en abrégé pour "Voltage Controlled Oscillator").

Un signal électrique de résonance finit donc par s'établir dans cette boucle et ce signal est à la fréquence de LARMOR. Un fréquencemètre 26 en donne la valeur F. Le champ à mesurer Bo s'en déduit par la relation Bo = F/γ.

Les magnétomètres de ce type ont d'abord utilisé des lampes à hélium. L'obtention récente de cristaux d'aluminate de lanthane-néodyme (ou LNA) ayant permis de réaliser des lasers accordables autour de la longueur d'onde de 1,083 µm correspondant précisément à la raie de pompage optique de l'hélium, ce type de laser s'est substitué tout naturellement à ces lampes avec une amélioration sensible des performances, ce qui a donné un regain d'intérêt à ces magnétomètres.

Un tel magnétomètre, équipé d'un laser à LNA, est décrit dans le document FR-A-2 598 518.

Bien que satisfaisants à certains égards, ces magnétomètres présentent cependant des inconvénients. En effet, par principe, ils sont fortement anisotropes, et ceci à la fois en amplitude et en fréquence. Ces anisotropies sont soit des conséquences du cycle de pompage optique et de la détection de l'intensité lumineuse transmise, soit liées au phénomène de résonance optique.

Le document FR-A-2 663 430, déjà cité, propose une solution à ce problème. Elle consiste à munir le magnétomètre de moyens permettant de faire tourner la direction de polarisation rectiligne du faisceau lumineux 17 injecté dans la cellule 10, pour lui donner la direction optimale correspondant à une amplitude maximale du signal de résonance.

Plusieurs moyens peuvent être utilisés pour déterminer et obtenir cette direction optimale. Dans une première variante, le magnétomètre comprend un magnétomètre directionnel, comme par exemple un ensemble de trois "flux-gates" ou un magnétomètre à RPE (Résonance Paramagnétique Electronique), pour obtenir des informations sur la direction du champ ambiant à mesurer. Un circuit de traitement de ces informations calcule l'orientation optimale de la polarisation et commande, en conséquence, la rotation du polariseur.

Dans une deuxième variante, le magnétomètre comprend des moyens pour moduler à basse fréquence la direction de polarisation et pour effectuer une détection synchrone du signal de résonance. Le signal détecté sert de signal d'erreur pour corriger la polarisation et lui donner la direction optimale.

Bien que donnant satisfaction à certains égards, ces solutions présentent l'inconvénient de la complexité, surtout dans la variante à flux-gates associés. La variante à modulation de polarisation présente en outre l'inconvénient de réduire la bande passante du magnétomètre, puisque la fréquence maximale d'analyse est nécessairement inférieure à celle de la modulation.

Exposé de l'invention

La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients. A cette fin, elle prévoit un magnétomètre sans anisotropie (de fréquence ou d'amplitude) et qui ne fait pas appel à une modulation de la polarisation lumineuse ou à des magnétomètres directionnels associés. Ce résultat est obtenu en asservissant en direction la polarisation du faisceau lumineux incident dans une direction perpendiculaire au champ magnétique ambiant Bo à mesurer et, simultanément, en asservissant la direction du champ magnétique radiofréquence parallèlement à la direction de polarisation. En d'autres termes, la direction de polarisation ainsi que celle du champ radiofréquence se trouvent toutes deux orientées dans la même direction optimale et ce, quelle que soit la direction du champ magnétique à mesurer.

De façon précise, la présente invention a pour objet un magnétomètre à résonance et à pompage optique comprenant une cellule remplie d'un gaz dont les atomes présentent un rapport gyromagnétique γ, cette cellule plongeant dans un champ magnétique ambiant Bo qui est le champ à mesurer, une source lumineuse émettant un faisceau lumineux, un polariseur rectiligne traversé par ce faisceau et donnant à ce faisceau une polarisation rectiligne selon une première direction, le faisceau polarisé rectilignement traversant ensuite la cellule, un photodétecteur recevant le faisceau lumineux ayant traversé la cellule, ce photorécepteur délivrant un signal électrique, des moyens pour appliquer un champ radiofréquence à la cellule, ce champ ayant une seconde direction et une certaine fréquence, des moyens pour asservir cette fréquence à la fréquence de LARMOR F = γ Bo, un moyen pour mesurer cette fréquence, l'amplitude du champ magnétique ambiant Bo se déduisant de la fréquence F par la relation Bo = F/γ, ce magnétomètre étant caractérisé par le fait qu'il comprend en outre :

• des premiers moyens d'asservissement, agissant sur la première direction, qui est celle de la polarisation du faisceau lumineux, pour régler cette première direction à 90° de la direction du champ magnétique ambiant Bo, ces premiers moyens comprenant un premier circuit de détection synchrone recevant le signal électrique délivré par le photodétecteur et une tension de référence à la fréquence du signal radio-fréquence, ce circuit détectant l'amplitude de la composante en quadrature de phase avec le signal de référence, et vérifiant que l'amplitude du signal à la fréquence double de la fréquence de LARMOR n'est pas e, l'amplitude de ladite composante à la fréquence de LARMOR servant à commander des moyens pour faire tourner la direction de polarisation jusqu'à ce que cette amplitude soit e, la première direction se trouvant alors asservie perpendiculairement au champ magnétique ambiant,
• des seconds moyens d'asservissement agissant sur la seconde direction qui est celle du champ radiofréquence, pour faire coïncider cette seconde direction avec la première.

De préférence, les moyens pour commander la direction du champ radiofréquence comprennent deux enroulements d'axes orthogonaux et des moyens pour alimenter ces enroulements par deux courants ayant la même fréquence asservie à la fréquence de LARMOR et deux amplitudes convenablement pondérées.

Ces amplitudes pondérées peuvent être obtenues par un détecteur de position angulaire du polariseur.

Brève description des dessins

• la figure 1, déjà décrite, montre une magnétomètre selon l'art antérieur,
• la figure 2 illustre un magnétomètre selon l'invention,
• la figure 3 est un schéma montrant diverses directions impliquées dans l'invention,
• les figures 4a, 4b, 4c, 4d montrent les variations de l'amplitude de divers signaux en fonction de l'angle que fait la direction de polarisation avec le champ magnétique ambiant,
• la figure 5 montre deux enroulements à axes orthogonaux permettant d'obtenir le champ radiofréquence de direction appropriée,
• la figure 6 montre un mode de réalisation de moyens permettant de détecter l'angle de polarisation,
• la figure 7 montre un circuit pour la formation des deux courants d'alimentation des deux enroulements.

Exposé détaillé d'un mode de réalisation

Le magnétomètre représenté sur la figure 2 comprend des moyens déjà représentés sur la figure 1 et qui portent pour cette raison les mêmes références. Il s'agit de la cellule 10 remplie de gaz 12, du laser 14 émettant un faisceau 15, du polariseur 16 délivrant un faisceau polarisé rectiligne 17, du photodétecteur 24 recevant le faisceau émergeant 18, du circuit d'asservissement de fréquence 21, du générateur de radiofréquence 22, du fréquencemètre 26 et du circuit de décharge 30. On observera que l'asservissement en fréquence du magnétomètre peut être obtenu indifféremment à partir d'un signal continu ou d'un signal à fréquence double de la fréquence de LARMOR, comme on le comprendra mieux en liaison avec les figures 4a à 4d.

Le magnétomètre représenté comprend en outre deux circuits d'asservissement de direction, le premier, référencé 40, agissant sur le polariseur 16 et le second, référencé 50, commandant la direction du champ radiofréquence.

Le premier circuit d'asservissement 40 comprend un premier circuit de détection synchrone 42 recevant le signal électrique délivré par le photodétecteur 24 et une tension de référence V _RF provenant du générateur 22. Ce circuit 42 détecte l'amplitude A ₁ de la composante en quadrature de phase avec le signal de référence V _RF . Pour des raisons qui apparaîtront mieux en liaison avec la figure 4d, cette amplitude A ₁ sert de signal d'erreur, lequel, une fois amplifié par un amplificateur 44, alimente un moteur 46 qui fait tourner le polariseur 16 dans un sens tel que le signal d'erreur s'annule.

De son côté, le second circuit d'asservissement 50 comprennent un détecteur d'angle de polarisation 52, qui délivre deux signaux proportionnels à cosѲ et sinѲ , si Ѳ est l'angle dont on fait tourner la direction de polarisation du faisceau incident 17, deux multiplieurs 54 ₁ , 54 ₂ recevant, d'une part, ces signaux et, d'autre part, le signal radiofréquence délivré par le générateur 22. Les sorties des deux multiplieurs sont connectées à deux enroulements 56 ₁ , 56 ₂ à axes orthogonaux, comme il sera décrit plus bas en liaison avec la figure 5.

La figure 3 permet d'illustrer les fonctions remplies par les deux asservissements des moyens 40 et 50. Les directions sont repérées par rapport à un système d'axes trirectangle Oxyz. Le faisceau lumineux 17 est censé se propager le long de l'axe Oy. La polarisation rectiligne P de ce faisceau est donc située dans le plan xOz. Le champ magnétique ambiant Bo est dirigé dans une direction quelconque. Les moyens d'asservissement 40 ont alors pour fonction de donner à la polarisation P la direction D ₁ perpendiculaire à Bo.

Quant au champ radiofréquence Brf dont la direction est notée D ₂ , il s'agit de l'orienter parallèlement à D ₁ . Pour cela, on donne aux deux composantes Bx et Bz de ce champ les valeurs appropriées, (la composante selon Oy étant e) pour que la composition de ces composantes donnent un champ ayant la direction D ₂ souhaitée.

On observera que, quelle que soit la direction de Bo, il existe toujours une direction du plan xOz qui est perpendiculaire à Bo. Or il est certain qu'au cours d'une rotation complète du polariseur 16, la direction de polarisation P passera par une position à 90° de Bo. En effet, l'angle minimum que fait Bo avec une droite du plan xOz est égal à (π/2)-Ѳn si Ѳn désigne l'angle que fait la normale au plan xOz (autrement dit l'axe Oy) avec le champ Bo ; l'angle maximum est égal (π/2)+ n. Lors d'une rotation de 36° du polariseur, l'angle que fait la direction de polarisation P avec Bo variera donc entre (π/2)-Ѳn et (π/2)+Ѳn . Il passera donc forcément par π/2.

Les figures 4a à 4d montrent les variations de certains signaux en fonction de l'angle Ѳ que fait la direction de polarisation avec la direction du champ magnétique à mesurer Bo. Sur la figure 4a, l'amplitude A _o est l'amplitude de la composante continue du signal. Cette composante est en (3cos ² Ѳ-1) ² . Cette composante est e pour un angle d'environ 54°. Elle est maximum pour Ѳ=90° et 0° (si Ѳ=90° peut toujours être atteint, comme expliqué plus haut, ce n'est pas toujours le cas pour la valeur O qui ne peut être atteinte que si Bo est dans le plan xOz).

La figure 4b montre la valeur absolue |A ₁ | de l'amplitude de la composante à la fréquence de LARMOR et en quadrature de phase avec le signal de radiofréquence. Cette composante est en |sin2Ѳ (3cos ² Ѳ-1)|. Elle s'annule pour Ѳ=0 et 90° et également pour 54°.

La figure 4c montre la valeur absolue de l'amplitude A ₂ de la composante à la fréquence double de la fréquence de LARMOR. Cette composante est en sin ² Ѳ|(1-3cos ² Ѳ)|. Elle s'annule pour Ѳ=0 et 54° et passe par un maximum pour Ѳ=90°.

Enfin, la figure 4d montre l'amplitude A ₁ , en grandeur et en signe, qui est le signal d'asservissement.

On voit que le signal A ₁ à la fréquence de LARMOR, par son annulation et son changement de signe pour Ѳ=90°, constitue un signal d'erreur commode permettant d'obtenir un asservissement de la direction de polarisation à 90° du champ Bo. Mais ce signal s'annule également pour les angles 0 et 54° de sorte qu'il y a un risque de voir la direction de polarisation s'accrocher sur ces valeurs intempestives. Pour éviter ce risque, on utilisera conjointement le fait que le signal à fréquence double (fig. 4c) présente un maximum pour Ѳ=90°, ce qui permet de distinguer cette valeur des deux autres (0 et 54°) où A ₂ est nul. Il n'est d'ailleurs pas nécessaire de s'assurer que le signal A ₂ est maximum. Il suffit de vérifier qu'il n'est pas nul, c'est-à-dire, en pratique, qu'il excède un certain seuil.

L'asservissement de polarisation s'effectue donc en vérifiant que deux conditions sont simultanément satisfaites, à savoir que A ₁ nul et A ₂ supérieur à un certain seuil. Cette double fonction est assurée dans le circuit 40, par exemple par un comparateur 41 qui compare A ₂ à un seuil s et à une porte logique ET 45 qui ne délivre un signal de commande du moteur 46 que si A ₂ est supérieur au seuil.

Cette propriété du signal à la fréquence double peut n'être exploité qu'à la mise en route du magnétomètre pour accrocher la polarisation P à la valeur 90°. Ensuite, si le champ Bo change de direction, la polarisation restera asservie à la bonne direction.

Dès lors qu'il est fait usage du signal à fréquence double, il est avantageux d'exploiter ce même signal pour asservir en fréquence le magnétomètre et cela par les moyens 21 qui viennent piloter le générateur 22. Ce circuit 21 peut délivrer un signal reflétant l'amplitude A ₂ de la composante à la fréquence double, à destination du comparateur 41 qui exploitera cette information pour valider le signal d'erreur A ₁ .

Le fait d'utiliser une détection sensible à la phase rend évidemment le système également dépendant de tous les phénomènes autres que la direction relative de la polarisation P par rapport au champ Bo et qui ont une incidence sur le déphasage du signal de résonance. Or, en résonance magnétique, un déphasage supplémentaire Δ&phiv _&phiv du signal optique de résonance par rapport au signal RF d'excitation peut apparaître dès que l'orientation du polariseur varie par rapport à celle du champ de radiofréquence. Dans le cas le plus défavorable, une variation Δ&phiv de l'orientation du polariseur se traduit par un déphasage supplémentaire du signal de résonance. On conçoit alors aisément que s'il existe une configuration pour laquelle le déphasage Δ&phiv _&phiv est égal à π/2 (à π près), la sortie de la détection synchrone s'annulera également. On dispose alors également, autour de cette direction, d'un signal s'annulant et changeant de signe, de sorte que l'asservissement est également susceptible de s'accrocher sur ce point de fonctionnement, indépendamment de la valeur de Ѳ _F pour cette configuration.

Pour s'affranchir de cette difficulté, il convient donc de s'assurer qu'en aucun cas une configuration quelconque ne permette d'obtenir un déphasage Δ&phiv _&phiv égal à π/2 (à π près). Pratiquement, on asservit la direction du champ radiofréquence de manière que ce champ B1 soit toujours parallèle à P. On obtient alors des angles, par rapport à Bo, qui sont tous deux égaux à π/2 et de plus, le déphasage Δ&phiv _&phiv est constant (lié aux longueurs de câble par exemple) de sorte qu'il peut être choisi voisin de Δ&phiv _&phiv =O. On fonctionne alors dans les conditions optimales pour le mode de détection de la résonance choisi.

Pour réaliser pratiquement un champ oscillant ayant une direction donnée dans le plan perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau lumineux, on dispose autour de la cellule deux jeux de bobines d'axes orthogonaux comme représenté sur la figure 5 sous les références 56 ₁ et 56 _2. La bobine 561 a son axe parallèle à l'axe Ox et crée une composante Bx et la bobine 56 ₂ a son axe parallèle à Oz et crée une composante Bz.

Il suffit alors de commander les courants parcourant chacune de ces bobines pour obtenir un champ RF d'amplitude et de direction voulues. En supposant que les fonctions de transfert courant/champ sont identiques pour les bobines 56 ₁ et 56 ₂ parcourues respectivement par des courants i ₁ et i ₂ , la direction du champ oscillant B _rf fera un angle Ѳ =Arctg i ₂ /i ₁ avec l'axe de la bobine 56 ₁ et aura la même amplitude que celle qui serait créée par une bobine disposée suivant cette direction et parcourue par un courant i= √i ₁ ² +i ₂ ² . Dans l'invention, on souhaite créer un champ d'amplitude constante et de direction variable. Il suffit pour cela d'injecter des courants pondérés par cosѲ et sinѲ, soit respectivement i ₁ =icosѲ et i ₂ =isinѲ, l'angle Ѳ étant repéré par rapport à l'axe de la bobine 56 ₁ (axe Ox).

Un mode de réalisation de ces moyens est représenté sur les figures 6 et 7.

Sur la figure 6, on voit tout d'abord (en vue de côté a et en vue de face b ) le polariseur 16 fixé sur une couronne 62 commandée en rotation par un moteur 46.

On voit en outre un second polariseur rectiligne 66 fixé sur une couronne 64 qui engrène sur la couronne 60. Le diamètre de ces couronnes est dans un rapport 2 de sorte que lorsque le polariseur 16 tourne d'un angle Ѳ, le polariseur 66 tourne d'un angle moitié π/2. Le dispositif représenté comprend encore quatre sources lumineuses 71, 72, 73, 74, par exemple des diodes électroluminescentes, associées respectivement à quatre photodétecteurs 81, 82, 83, 84 à travers le second polariseur 66. Ces quatre sources 71, 72, 73, 74 sont polarisées rectilignement à 45° les unes par rapport aux autres selon les directions P1, P2, P3, P4.

Des moyens sont prévus pour faire la différence entre deux signaux délivrés par deux photodétecteurs polarisés à 90° les uns des autres 81, 83 et 82, 84.

Ces moyens sont illustrés sur la figure 7 sous forme de deux soustracteurs 90, 92 reliés respectivement aux photodétecteurs 81, 83 et 82, 84.

Si l'on désigne par Sn le signal délivré par un photodétecteur de rang n (n=1 pour 81, n=2 pour 82, etc...) et par Ѳ' l'angle de rotation du polariseur 66, on a : Sn = I cos ² (Ѳ' + n(π/4) soit Sn = I/2 1 + sin(2Ѳ' + n(π/2) comme l'angle Ѳ' est égal à la moitié de Ѳ, par construction, on a 2Ѳ'=Ѳ. Si l'on effectue la différence entre les signaux délivrés par les photodétecteurs 81, 83 d'une part, et 82, 84 d'autre part, on trouve, en sortie des soustracteurs 90 et 92, deux signaux égaux à : S ₁ - S ₃ = I/2 (cosѲ - cos(Ѳ+π) soit I cosѲ S ₄ - S ₂ = I/2 (sinѲ - sin(Ѳ+π) soit I sinѲ.

Ces courants vont servir à pondérer le signal radiofréquence V _RF appliqué sur les multiplieurs 54 ₁ et 54 ₂ pour obtenir des courants d'excitation appropriés pour les enroulements 56 ₁ et 56 _2. Se trouve, ainsi réalisé un dispositif créant un champ RF d'amplitude donnée et de direction asservie à celle du polariseur 16 celui-ci étant par ailleurs asservi de telle sorte que quelle que soit l'orientation du capteur par rapport au champ magnétique statique Bo, l'angle de la direction de polarisation avec Bo soit égal à π/2 (à π près). Le magnétomètre fonctionne donc toujours dans sa configuration optimale.

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Abstract: