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Chapitre II MISE EN OEUVRE DES CAPTEURS SPR À FIBRE OPTIQUE II.1. GÉNÉRALITÉS S

Chapitre II MISE EN OEUVRE DES CAPTEURS SPR À FIBRE OPTIQUE II.1. GÉNÉRALITÉS SUR LES FIBRES OPTIQUES La technologie et les applications des fibres optiques ont évolué rapidement durant ces dernières années. La lumière se propageant à l’intérieur des fibres optiques est sensible aux perturbations se produisant à µ l’extérieur du cœur. La transmission de la lumière dans ces fibres dépend de la nature et de l’intensité de la perturbation. Pour commencer, il nous semble important de préciser quelques notions sur les fibres optiques que nous serons amenés à évoquer tout au long de cette thèse. Comme nous le montre la Figure II.1, la fibre optique est typiquement formée de trois couches concentriques, le cœur, la gaine optique et la gaine mécanique. La lumière se propage essentiellement dans le cœur de la fibre. Un faisceau lumineux injecté à l’une des extrémités de la fibre subit des réflexions totales à chaque dioptre (interface cœur-gaine) en raison de la différence d’indices du cœur et de la gaine (l’indice du cœur étant plus élevé que celui de la gaine), puis sort à l’autre extrémité. Figure II.1 : Fibre optique formée d’un cœur entouré par une gaine optique et une gaine mécanique. Les fibres optiques sont classifiées en fonction du profil d’indice des différentes couches diélectriques constituant le coeur et la gaine. Nous distinguons deux types de fibres, les fibres à gradient d’indice et, les plus standard, les fibres à saut d’indice représentées dans la Figure II.2. Dans ce dernier cas, le cœur est homogène et son indice de réfraction constant. Enfin, toutes ces fibres peuvent être monomodes ou multimodes. Quelque soit le type de la fibre, un faisceau lumineux sera d’autant mieux guidé qu’il parvient sous une incidence proche de la normale sur la face d’entrée de la fibre. Comme pour beaucoup de systèmes optiques, il existe un angle d’admission limite qui détermine le cône d’entrée au-delà duquel le rayon n’est plus guidé par la fibre. Cet angle d’acceptance noté θacc illustré sur la Figure II.2, définit l’ouverture numérique (ON). Figure II.2 : Fibre optique à saut d’indice [1]. Le cône d’incidence définit l’ouverture numérique de la fibre ( ng : indice de la gaine optique, nc : indice du cœur). Pour les fibres à saut d’indice, l’ouverture numérique se calcule à l’aide de la loi de Descartes ; dans un milieu extérieur à la fibre d’indice de réfraction ns, un rapide calcul donne la relation qui relie l’ouverture numérique aux indices de réfraction du coeur et de la gaine optique (équation II.1 et 2) nssin θacc=√nc 2−ng 2 (II.1) Si la fibre est dans l’air, on pose ns = 1, et on peut alors écrire : ON=sin θacc=√nc 2−ng 2 (II.2) Il en résulte que l’ouverture numérique est d’autant plus grande que le saut d’indice est important. II.2. CAPTEUR À FIBRE OPTIQUE (CFO) II.2.1. Définition Un Capteur à Fibre Optique (CFO) est un dispositif comprenant au moins une fibre optique qui permet de recueillir des informations représentatives de grandeurs physiques observées. Cette observation se fait par l’intermédiaire d’ondes lumineuses circulant dans la ou les fibres. Depuis de nombreuses années, sous le vocable « capteur à fibre optique », est englobée une très grande diversité de capteurs dans lesquels la fibre joue des rôles très différents. Si la fibre est l’élément sensible lui-même, le capteur est alors dit intrinsèque. Si la fibre joue le rôle de simple support pour le transport de l’information recueillie par une cellule sensible, le capteur est alors extrinsèque. Parfois, elle est uniquement un composant du capteur (modulateur, retardateur...). Une contradiction entoure la notion de CFO et concerne « l’immunité » et la « sensibilité » des fibres vis à vis de l’environnement. Ce paradoxe, mis en exergue au début des années 1980 confronte l’idée suivante : d’une part les fibres optiques, en majeure partie développées pour les télécommunications, présentent l’avantage sur les câbles métalliques d’être insensibles aux perturbations environnantes ; d’autre part, les mots même de « capteurs à fibres » laissent entrevoir le fait que les fibres puissent être sensibles comme capteur. Depuis quelques années, les deux domaines tendent à se rapprocher : les réseaux de capteurs font appel aux deux techniques ; un grand nombre de capteurs à fibres « sensibles » sont interconnectés sur des bus ou des réseaux par d’autres fibres « insensibles ». Ainsi, les CFO fondés sur le principe de résonance plasmon de surface (SPR) répondent parfaitement à cette évolution, avec une zone sensible donc intrinsèques et une zone non traitée dite extrinsèque qui assure le transport de l’information de la source au spectromètre. Le champ d’application des CFO est en expansion et couvre désormais presque tout l’ensemble de la mesure des grandeurs physiques. Les CFO présentent plusieurs avantages, ces derniers vont être rapidement listés dans le paragraphe suivant [1,2]. II.2.2. Avantages des capteurs à fibre optique Depuis 1980, l’utilisation des fibres optiques dans le domaine de la détection et des mesures est très répandue mais elle reste toutefois bien secondaire à l’utilisation des fibres dans les télécommunications. Ce développement néanmoins très important, les CFO le doivent aux nombreux avantages qu’elles procurent. En particulier, nous pouvons citer, la possibilité de détection in situ, les faibles pertes sur les signaux transportés (peu d’atténuation), le tout pour un prix souvent réduit et un faible coût de maintenance. Citons encore :  la possibilité de faire des mesures à distance en utilisant la fibre comme capteur et porteur du signal ; cet avantage est particulièrement intéressant pour la détection de polluants dans des environnements à hauts risques (substances toxiques ou bien températures élevées).  Une facilité du multiplexage, ce qui permet des mesures simultanées sur plusieurs points d’échantillonnage.  La possibilité de transmettre plusieurs longueurs d’ondes, provenant de signaux différents, dans une même fibre et dans la même direction de propagation. Ceci donne la possibilité de contrôler plusieurs substances avec le même capteur.  La miniaturisation du capteur.  La flexibilité géométrique, permettant l’accès à des endroits difficiles pour d’autres capteurs usuels.  Le caractère inerte de la silice et de la lumière, les rendant moins dangereux dans les environnements explosifs que les capteurs utilisant des signaux électriques.  La quasi-immunité des fibres optiques vis à vis des interférences électromagnétiques. Ajoutons que dans des systèmes de CFO, l’absence de pièces mécaniques en mouvement élimine les phénomènes d’usure, ce qui offre à ce type de capteur une excellente potentialité de survie. En revanche, les CFO pour la détection d’espèces chimiques et biologiques sont généralement sensibles à des paramètres indésirables pour la détection. Un exemple est la non spécificité de ces capteurs, c’est à dire leur sensibilité à plusieurs espèces chimiques en même temps, ce qui nécessite alors des étapes de fonctionnalisation des zones sensibles. II.2.3. Configurations des capteurs SPR à base de fibres optiques Dans la littérature nous avons recensé au moins 6 types de configurations expérimentales pour l’étude et le développement des capteurs SPR à fibre optique. Ces montages ont été développés pour les analyses dans des milieux liquides ou gazeux. Ces études sont basées sur l’emploi de fibres multimodes et monomodes [3-7]. Typiquement, ces CFO sont réalisés à partir de fibres optiques dont le cœur a été dénudé sur une longueur limitée (~15 mm) puis revêtu par une ou des couches métalliques (argent ou or en général). Si la zone métallisée dite « sensible » se situe au milieu de la fibre, on parlera alors de capteur en transmission ou “in-line transmission-based” CFO à SPR [8]. La Figure II.3 présente en particulier le dispositif expérimental proposé par Abdelghani et al. [9]. Pour ce type de configuration, la lumière issue d’un laser ou d’une lampe halogène est injectée à une extrémité de la fibre et recueillie à l’autre extrémité par une photodiode ou un spectromètre. Selon que l’on injecte une lumière monochromatique ou une lumière polychromatique, le mode d’ « interrogation » ne sera pas le même. Dans le premier cas, il faudra maîtriser l’angle d’injection du faisceau laser dans la fibre tel qu’il est décrit sur la Figure II.4 [5,6,10]. Il s’agit alors de mesurer la puissance lumineuse transmise en fonction de l’angle d’injection. Cette technique demande un ensemble de composants d’interrogation et de rotation qui compliquent le système et le rendent relativement encombrant. Dans le second cas, il sera nécessaire de disposer d’un spectromètre afin d’effectuer une analyse en énergie (longueur d’onde) [3,4,11]. Cette méthode consiste à mesurer les variations du minimum de transmission de la lumière dans la fibre en fonction de la longueur d’onde. Ce type d’analyse (source blanche et analyse spectrale) permet de contourner divers inconvénients liés au contrôle difficile de la polarisation et de l’analyse angulaire classique. D’autres méthodes ont été explorées comme l’étude de la modulation de phase [12] et de polarisation [13]. Pour les CFO, les méthodes les plus exploitées restent néanmoins l’interrogation angulaire ou spectrale. Figure II.3: CFO dite aussi « biconique » où la zone de détection se situe au milieu de la fibre optique [9]. Une autre configuration fondée sur la même idée existe uploads/Management/ chapitre-ii-mise-en-oeuvre-des-capteurs-spr-a-fibre-optique-ii-1-generalites-sur-les-fibres-optiques 2 .pdf