N d`ordre :2004-22Annee 2004 THESE Presentee devant L`ECOLE CENTRALE DE LYON Pour obtenir le titre de DOCTEUR Specialite : Matriaux Par Messaoud BENOUNIS Ingenieur en Genie Chimique Etude de nouveaux capteurs fibre optiquepour le suivi du vieillissement des matriauxet la dtection des espces chimiques Presentee et soutenue publiquement le 5 Novembre 2004 devant la commission d`examen MM.V. MATE1EC 1. 1. MARTINEZ-VEGA H. GAGNAIRER. LAMARTINEN. 1AFFREZIC-RENAULT M. SALVIA T. AKA-NGNUI ECOLE CENTRALE DE LYON Liste des personnes habilles diriger des recherches A ALLARD Brunomatre de confrenceCEGELYNSA AIT-EL-HADJ SmalprofesseurGRESTECL ARQUES PhilippeprofesseurECL AURIOL PhilippeprofesseurCEGELYECL BAILLY ChristopheprofesseurLMFAECL 8ATAILLE Jeon professeurLMFAUCBL BAYADA GuyprofesseurMAPLYNSA BEN HADID HamdaprofesseurLMFAUCBL BERGHEAU Jean-MichelprofesseurLTDSENSE BEROUAL AbderrahmaneprofesseurCEGELYECL BERTOGLIO Jean-Pierredirecteur de rechercheLMFACNRS BLAIZE Alainmatre de confrenceLTDSUCBL BLANC-BENON Philippedirecteur de rechercheLMFACNRS BLANCHET RobertprofesseurLEOMECL BUFFAT MarcprofesseurLMFAUCBL BUREAU Jean-ClaudeprofesseurCEGELYNSA C CAMBON Claudedirecteur de rechercheLMFACNRS CAMBOU BernardprofesseurLTDSECL CARRIERE Philippecharg de rechercheLMFACNRS CHAMBAT MichleprofesseurMAPLYUCBL CHAMPAGNE Jean-Yvesmatre de confrenceLMFANSA CHAMPOUSSIN J-ClaudeprofesseurLMFAECL CHANTE Jean-PierreprofesseurCEGELYNSA CHEN LimingprofesseurCTTECL CLERC GuyprofesseurCEGELYUCBL COMTE-BELLOT Geneviveprofesseur mriteLMFAECL COQUILLET Bernardmatre de confrenceFOSECL CREPEL Pierrecharg de rechercheMAPLYCNRS D DAVID BertrandprofesseurCTTECL DUBUJET Philippematre de confrenceLTDSECL E ESCUDIE Danydirecteur de rechercheLMFACNRS F FERRAND Pascaldirecteur de rechercheLMFACNRS FOUVRY Siegfridcharg de rechercheLTDSCNRS S GAFFIOT FrdricprofesseurLEOMECL GAGNAIRE Alainmatre de confrenceLEOMECL GALLAND Marie-Annickmatre de confrenceLMFAECL GARRIGUES Micheldirecteur de rechercheLEOMCNRS GAY BernardprofesseurLMFAUCBL GENCE Jean-NolprofesseurLMFAUCBL GENDRY Michelcharg de rechercheLEOMCNRS GEORGES Jean-Marieprofesseur mriteLTDSECL GRENET Genevivedirecteur de rechercheLEOMCNRS GUIRALDENQ Pierreprofesseur mriteFOSECL H HAMADICHE Mahmoudmatre de confrenceLMFAUCBL HEIBIG ArnaudprofesseurMAPLYNSA HELLOUIN Yvesmatre de confrenceECL HENRY Danielcharg de rechercheLMFACNRS HERRMANN Jean-Mariedirecteur de rechercheFOSCNRS HOLLINGER Guydirecteur de rechercheLEOMCNRS J JAFFREZIC-RENAULT Nicoledirecteur de rechercheFOSCNRS JEANDEL DenisprofesseurLMFAECL JEZEQUEL LouisprofesseurLTDSECL JOSEPH JacquesprofesseurLEOMECL JUVE DanielprofesseurLMFAECL JUVE Denyseingnieur de rechercheFOSECL k KAPSA Philippedirecteur de rechercheLTDSCNRS KRHENBHL Laurentdirecteur de rechercheCEGELYCNRS KRAWCZYK Stanislasdirecteur de rechercheLEOMCNRS L LACHAL AimPRAGMAPLYNSA LANCE MichelprofesseurLMFAUCBL LANGLADE-BOMBA Ccilematre de confrenceFOSECL LE BOT Alaincharg de rechercheLTDSCNRS LE HELLEY MichelprofesseurECL LE RIBAULT Catherinecharge de rechercheLMFACNRS LEBOEUF FrancisprofesseurLMFAECL LOEHAC Jean-Pierrematre de confrenceMAPLYECL LOUBET Jean-Lucdirecteur de rechercheLTDSCNRS LYONNET PatrickprofesseurLTDSENSE M MAITRE Jean-Franoisprofesseur mriteMAPLYECL MARION MartineprofesseurMAPLYECL MARTELET ClaudeprofesseurFOSECL MARTIN Jean-MichelprofesseurLTDSECL MARTIN Jean-RenprofesseurFOSECL MASSON Jean-PierreprofesseurCEGELYUCBL MATHIA Thomasdirecteur de rechercheLTDSCNRS MATHIEU Jeanprofesseur mriteLMFAECL MAZUYER DenisprofesseurLTDSECL MIDOL Alainmatre de confrenceLTDSUCBL MOREL Hervcharg de rechercheCEGELYCNRS MOREL RobertprofesseurLMFANSA MOUSSAOUI MohandprofesseurMAPLYECL MUSY Franoismatre de confrenceMAPLYECL N NICOLAS AlainprofesseurCEGELYECL NICOLAS Laurentdirecteur de rechercheCEGELYCNRS P PERKINS RichardprofesseurLMFAECL PERRET-LIAUDET Jolmatre de confrenceLTDSECL PERRIN JacquesprofesseurNSA PHANER-GOUTORBE Magalimatre de confrenceLEOMECL PICHAT Pierredirecteur de rechercheFOSCNRS POUSIN JrmeprofesseurMAPLYNSA PONSONNET Laurencematre de confrenceFOSECL PREVOT PatrickprofesseurCTTNSA R REBOUX Jean-LucprofesseurLTDSENSE RETIF Jean-Mariematre de confrenceCEGELYNSA ROBACH YvesprofesseurLEOMECL ROGER MichelprofesseurLMFAECL ROJAT GrardprofesseurCEGELYUCBL ROUSSEAU Jacquesprofesseur mriteLTDSENSE ROUY ElisabethprofesseurMAPLYECL S SALVIA Michellematre de confrenceFOSECL SANDRI Dominiquematre de confrenceMAPLYUCBL SCHATZMAN Michelledirecteur de rechercheMAPLYCNRS SCOTT JulianprofesseurLMFAECL SIDOROFF FranoisprofesseurLTDSECL SIMOENS Sergecharg de rechercheLMFACNRS SOUTEYRAND Elianedirecteur de rechercheFOSCNRS STREMSDOERFER GuyprofesseurFOSECL SUNYACH MichelprofesseurLMFAUCBL T TARDY Jacquesdirecteur de rechercheLEOMCNRS THOMAS GrardprofesseurLAGEP UCBLECL THOUVEREZ Fabricematre de confrencesLTDSECL TREBINJAC Isabellematre de confrencesLMFAECL TREHEUX DanielprofesseurFOSECL V VANNES Andr-BernardprofesseurFOSECL VIKTOROVITCH PierreDirecteur de rechercheLEOMCNRS VINCENT LoprofesseurFOSECL VOLPERT VitalyDirecteur de rechercheMAPLYCNRS Z ZAHOUANI HassanprofesseurLTDSENSE Remerciement JeremerciebeaucoupMmeNicoleJaIIrezicdem`avoirencadre,soutenueetmontreles vraiesvaleursdelarecherchependanttroisansdethese.Parsonenthousiasme,son energie,sarigueurscientiIique,sonhumanite,ellem`abeaucoupapportetoutaulongde cette these et je lui en suis redevable. Je tiensa remercieraussi MmeMichelle Salvia mon co-encadreur pour ces conseils et sa gentillesse. Je tiens ensuite a exprimer ma gratitude a M. Vlastimil Matejec et M. Juan Martinez-Vega d`avoiracceptesd`trerapporteursdecemanuscrit,ainsiqu`aM.HenriGagnaire,M. Roger Lamatine et M. Thomas Aka d`avoir bien voulu Iaire partie du jury. A mes tres chers parents A ma mere A mes chers freres (Yacine, Belkacem, Zouhir et Nabil) A mes deux cheres surs (Zahia et Nora) A ma tante Fatima A ma femme Souad SOMMAIRE INTRODUCTION GENERALE................................................................... 1 CHAPITRE I LES CAPTEURS AFIBRE OPTIQUE I.1. HISTORIQUE : ........................................................................................ 3 I.2. PRINCIPE DU CAPTEUR : ................................................................... 4 I.2.1. Dfinition du capteur:..................................................................................................... 4 I.2.2. Constitution d`un capteur :............................................................................................ 4 I.2.3. Importance des capteurs fibre optique : .................................................................... 5 I.2.4. Avantages des capteurs fibre optique : ...................................................................... 5 I.3. CAPTEURS A FIBRE OPTIQUE POUR LA DETECTION CHIMIQUE: .................................................................................................... 6 I.3.1 Les capteurs fibre optique plasmon de surface:...................................................... 6 I.3.1.1. Analyse spectrale de la resonance plasmon dans une Iibre standard a saut d'indice : ............................ 8 I.3.1.2. Capteur a modulation d'intensite dans une Iibre standard a saut d'indice :............................................. 9 BIBLIOGRAPHIE :...................................................................................... 11 CHAPITRE II MODELISATION DE LA PROPAGATION DE LUMIERE DANS UN CAPTEUR A FIBRE OPTIQUE II.1. INTRODUCTION................................................................................. 13 I.2. Les capteurs optiques : .................................................................................................... 13 I.2.1. Guide d`onde plan : ................................................................................................................................. 13 I.2.2. Guide plan a reIlexion totale : ................................................................................................................. 14 II.3. CARACTERISTIQUES DU GUIDE D`ONDE................................. 17 II.4. ETUDE THEORIQUE, MODELISATION ....................................... 18 II.4.1. Principe de fonctionnement d`une fibre optique...................................................... 18 II.4.2. Condition de guidage de la lumire ........................................................................... 19 II.4.3. Les pertes en optique guide....................................................................................... 22 II.4.4. Condition d`injection de la lumire ........................................................................... 24 II.5. MODELISATION DE LA PUISSANCE LUMINEUSE TRANSMISE................................................................................................. 27 II.5.1. Approche direct:.......................................................................................................... 27 II.5.1.1. Contribution aux pertes de puissance :................................................................................................ 28 II.5.1.2. Sommation des contributions elementaires :....................................................................................... 28 II.5.1.3. Nombre de reIlexion . ......................................................................................................................... 30 II.5.1.4 Capteur a multi-gaines : ....................................................................................................................... 30 II.5.1.5. Comportement et validation du modele : ............................................................................................ 31 II.5.2. Approche statistique base sur la notion de surface utile: ...................................... 33 II.5.2.1. Notion de surIace utile de la Iibre : ..................................................................................................... 34 II.5.2.2. Modelisation des pertes cumulees :..................................................................................................... 38 II.6. CONCLUSION...................................................................................... 39 BIBLIOGRAPHIE :...................................................................................... 40 CHAPITRE III FONCTIONNALISATION CHIMIQUE DU CAPTEUR III.1. CAPTEURS CHIMIQUES A FIBRE OPTIQUE ............................ 41 III.1.1. Introduction : ............................................................................................................. 41 III.1.2. Silanisation de la silice :............................................................................................. 41 III.1.3. PREPARATION DE LA FIBRE OPTIQUE: ................................ 43 III.1.4. Prparation du mlange sulfochromique : .............................................................. 43 III.1.5. Gaines polymriques sensibles : ............................................................................... 44 III.1.5.1. Caractristiques gnrales : ................................................................................... 44 III.1.5.2. Gnralits sur les htropolysiloxanes (HPS) ..................................................... 45 III.1.5.3. Polymres htropolysiloxanes commercialiss ................................................... 45 III.1.5.4.Dpt de polymre sur la zone sensible de fibre ................................................. 46 III.2. CAPTEURS DE CORROSION :....................................................... 46 III.2.1. Dpt chimique de cuivre : ....................................................................................... 46 III.2.2.Mthode d`vaporation thermique: ........................................................................ 47 III.3.DETERMINATION DU POINT DE FONCTIONNEMENT DU CAPTEUR : ................................................................................................... 49 BIBLIOGRAPHIE :...................................................................................... 51 CHAPITRE IV SUIVI IN SITU DE CORROSION DE CUIVRE PAR CAPTEUR A FIBRE OPTIQUE Rsum : .................................................................................................................................. 52 IV.1. INTRODUCTION................................................................................ 54 IV.2. EXPERIMENTAL AND PRINCIPLES............................................. 55 IV.2.1. Preparation of the metallised fibres ......................................................................... 55 IV.2.2. Measurement set-up................................................................................................... 55 IV.3. RESULTS.............................................................................................. 58 IV.3.1. Kinetics of electroless deposition .............................................................................. 58 IV.3.2. Monitoring of copper corrosion................................................................................ 60 IV.4. DISCUSSION ....................................................................................... 64 IV.5. CONCLUSION..................................................................................... 64 REFERENCES:............................................................................................. 65 CHAPITRE V ELABORATION DE CAPTEUR A FIBRE OPTIQUEPOUR LE SUIVI IN SITU DE CORROSION DE STRUCTURES AERONAUTIQUES Rsum : .................................................................................................................................. 67 V.1. INTRODUCTION ................................................................................. 69 V.2. EXPERIMENTAL................................................................................. 70 V.2.1. Principle........................................................................................................................ 70 V.2.2. Set-up............................................................................................................................ 71 V.3. DEPOSITION TECHNIQUES: ........................................................... 73 V.3.1. Electroless method (for copper) ................................................................................. 73 V.3.2. Thermal evaporation method (for aluminum).......................................................... 73 V.4. RESULTS AND DISCUSSION............................................................. 74 V.4.1. Aluminum corrosion.................................................................................................... 74 V.4.1.1. Results and observations..................................................................................................................... 74 V.4.1.2. Interpretation oI results....................................................................................................................... 79 V.4.2. Comparaison of corrosion of aluminum and copper ............................................... 80 V.5. CONCLUSION...................................................................................... 81 REFERENCES:............................................................................................. 83 CHAPITRE VI CAPTEUR DE GAZ Rsum : .................................................................................................................................. 85 VI.1. INTRODUCTION ............................................................................... 87 VI.2. EXPERIMENTAL PART.................................................................... 89 VI.2.1.Synthesis of cryptophane molecules ........................................................................ 89 VI.2.2. Preparation of the specific polymeric cladding....................................................... 91 VI.2.3. Optical Measurements............................................................................................... 92 VI.2.4. Gas dilution bench ..................................................................................................... 93 VI.3. RESULTS AND DISCUSSION .......................................................... 94 VI.3.1. Modeling of the light power transmitted (P) versus the injection angle ............... 94 VI.3.2. Evidence of the role of cryptophane A on the response of the optical fibre sensor ....................................................................................................................................... 96 VI.3.3. Effect of thickness, of length and of ageing of the specific polymer coating ........ 97 VI.3.4. Effect of the interferences of other alkanes ............................................................. 99 VI.3.5. Comparison with a specific polymer including cryptophane E........................... 101 VI.4. CONCLUSION.................................................................................. 102 REFERENCES:........................................................................................... 104 CHAPITRE VII DETECTION OPTIQUE DES TRACES DE METAUX LOURDS Rsum : ................................................................................................................................ 106 VII.1. INTRODUCTION: .......................................................................... 108 VII.2. EXPERIMENTAL PART: ............................................................... 109 VII.2.1. Synthesis of the chromogenic amide derivative calix4]arene............................ 109 VII.3. RESULTS AND DISCUSSIONS: ....................................................111 VII.3.1. Study of the optical fibre sensor response:........................................................... 111 VII.3.1.1.Determination oI the optimum pH ................................................................................................ 111 VII.3.1.2. InIluence oI the uncladded length on the sensor response ............................................................. 113 VII.3.1.3. Absorbance oI the polymeric material used as sensitive cladding ................................................. 113 VII.3.1. Heavy metal detection:........................................................................................... 113 VII.4. CONCLUSION: ............................................................................... 116 REFERENCES :.......................................................................................... 117 CHAPITRE VIII SUIVI IN SITU DE DEGRADATION DE POLYMERES ET DES HUILES VIII.1. SUIVI OPTIQUE IN SITUDE LA DEGRADATION THERMIQUE DU POLYETHYLENE..................................................... 119 VIII.1.1 Introduction............................................................................................................ 119 VIII.1.2. Etude du capteur fibre optique......................................................................... 119 VIII.1.2.1. Principe......................................................................................................................................... 119 VIII.1.2.2. Test de sensibilite.......................................................................................................................... 121 VIII.1.3. Suivi de dgradation ............................................................................................. 123 VIII.2. SURVEILLANCE IN SITU DE DIELECTRIQUES SOUS HAUTE TENSION...................................................................................... 127 VIII.2.1. Contexte ................................................................................................................. 127 VIII.2.2. Surveillance de liquides dilectriques ................................................................. 127 VIII.2.3. Surveillance de dilectriques solides ................................................................... 130 BIBLIOGRAPHIE:..................................................................................... 132 CONCLUSION GENERALE.................................................................... 135 Introduction generale 1 INTRODUCTION GENERALE Depuis leur invention voici plus d`un quart de siecle, les Iibres optiques se sont imposees danslescommunications.Ellessesontengageessurd`autresvoiescommecellesdes capteurs a Iibres optiques. Equipement de communication, capteur a Iibres optiques : ils se diIIerencientparlanaturedusignaltransmis.L`unestconudemaniereavehiculerle signal avec le minimum de perturbations, tandis que l`autre doit delivrer le plus Iort signal possible en reponse a une perturbation speciIiee. Les capteurs optiques ont beneIicie indirectement des progres realises dans le domaine des telecommunications.Lescapteursoptiquessontdevenusaujourd'huiprimordiauxduIaitdeleursnombreuses applicationsdansdesdomainestresdiversallantdelarecherchescientiIique (Iondamentaleet appliquee)al'observation des processus de production. Des besoins tres importantssontapparusrecemmentdansl'ensembledessciencesdelavie(biologie, biochimie, medecine, agro-alimentaire) et de l'environnement (pollution). Les Iibres optiques ont aussi prouve leur capacite de mesure de nombreux parametres dans desenvironnementstresvaries(milieuxhostiles,explosiIs,diIIicilesd'acces).LaIibre optiquepresente,entermedetransmission,uneIaibleattenuation,unetresgrandebande passante,multiplexagedeplusieurssignaux,unIaiblepoids,unetrespetitetaille,une grandesouplesse.Enplus,LescapteursaIibresoptiquespermettentderealiserdes mesures in-situ et d`analyser les inIormations recueillies en temps reel.TouteIois,malgreleursnombreuxavantagesiln'existepasactuellementdedispositiIsa IibreoptiqueIiableetbonmarchepouvantconcurrencerserieusementlesdispositiIs classiques.L'etude de ces dispositiIs est particulierement interessante car elle permet de concilier a la Ioisl'aspectpratiquedudeveloppementdesystemesdirectementutilisablespourdes applications industrielles (surveillance de la pollution atmospherique, le suivi de procedes industriels,securiteetc.)etl'aspectrechercheIondamentaleauniveaudel'etudedes interactionschimiques.Actuellement,lescapteursaIibreoptiquesontprouveleurs capacitesdemesureaussibienenlaboratoirequesurlesinstallationstestsetlorsde demonstrations pour un tres grand nombre de parametres. Le but de ma these de doctorat est d`integrer des Iibres optiques dans des materiaux pour suivreleurevolution :elaborerdescapteurscapablesdesuivreinsitulacorrosiondes Introduction generale 2 structures metalliques (collaboration entre ECL, DGA et EADS), la degradation thermique depolymeresetsuivreenmultidetectionlesprocessusdepolymerisationdessystemes epoxydespourmateriauxcomposites(collaborationsentreECLetCEA).Jemesuis interesseaussiauxcapteursdegaz etdepolluants(chimiquesetbiochimiques)abasede Iibre optique. Le premier chapitre sera consacre a la description des diIIerents types de capteurs optiques.Dansledeuxiemechapitre,nousdecrivonslescaracteristiquesduguided`ondedansune Iibreoptiqueasautd`indice.Ensebasantsurl`optiquegeometrique.Onaetudiedeux approches.Uneapprochedirectequiconsisteas`attaquerdirectementauproblemeetde modeliserainsilesphenomenesd`attenuationsdelumiere.Pourladeuxiemeapproche,la diIIusiondelumiereestdecriteparuneloinormale.Donc,l`attenuationdelumiereest quantiIiee. Les deux modeles sont valides par l`experience et la coherence est tres bonne. LesdiIIerentesetapesdeIonctionnalisationchimiqueducapteuraIibreoptiqueseront presenteesdanslechapitreIII.LaIibreainsiIonctionnaliseevapermettreladetectionde gaz,de vapeurs chimique, de polluants. Les chapitres suivants seront consacres aux tests des capteurs elabores.Le chapitre IV et V seront consacres au suivi in situ de corrosion de cuivre et d`aluminium paruncapteurdecorrosion.Lesuivis`eIIectuerasimultanementparlesdiIIerentes techniques dans des conditions experimentales identiques. Ensuite,descapteursaIibreoptiquepourladetectiondesgazseronttestes.Onprendra comme exemple les alcanes (methane, ethane et butane). Des capteurspour ladetectiondetraces de metaux lourd seront testes et Ieront l`objet du chapitre VII. Le dernier chapitre concerne le suivi de degradation thermique de polymeres par capteur a Iibre optique et la surveillance in situ de dielectriques sous haute tension. Il est suivi de la conclusion generale. CHAPITRE I LES CAPTEURS A FIBRE OPTIQUE Chapitre I . Les capteurs a fibre optique 3 I.1. Historique : DeslaIindesannees70,quelquescapteurssimplesutilisantl`optiqueguideeapparurent sur le marche, mais ce n`est que vers 1982 que les capteurs a Iibres optiques constituerent reellementunedisciplineapartentiere|1|.Depuis,beaucoupdeprincipesdemesureont eteproposesetdemontresexperimentalementpourlamesuredenombreuxparametres physiques et chimiques |2,3|.La Iibre optique presente, en terme de transmission, une Iaible attenuation, une tres grande bandepassante,multiplexagedeplusieurssignaux,unIaiblepoids,unetrespetitetaille, une grande souplesse. Au niveau electromagnetique la Iibre n'est pas sensible aux parasites et n'en cree pas elle-mme. UneliaisonparIibreoptiqueestcomposeeessentiellementpar:unesourcedelumiere laserquiestunediodelaseranalogueacelledeslecteursCDquiestcommandee electriquement(possibilitedemodulation)(etcoteemission)etparphoto-detecteur(en generalunephotodiode)quiconvertitunsignaloptiqueenunsignalelectrique(cote reception) (cI. Iigure I-1). Actuellement, les capteurs a Iibre optiques ont prouve leurs capacites de mesure aussi bien enlaboratoirequesurlesinstallationstestsetlorsdedemonstrationspouruntresgrand nombre de parametres. Figure I-1. Exemple simple de communication optique Chapitre I . Les capteurs a fibre optique 4 I.2. Principe du capteur : I.2.1. Dfinition du capteur: Uncapteurestunorganechargededetecterunegrandeurphysico-chimiqueetdela transIormerengrandeurexploitable.Lagrandeurphysico-chimiqueamesurer,souvent appelee'mesurande',n`estpasengeneralaccessible.Lagrandeurexploitablequiest souvent de nature electrique, constitue le signal de mesure (ou signal de sortie) du capteur. I.2.2. Constitution d`un capteur : Les parties constitutives d`un capteur sont les suivantes (cI. Iigure I-2) : Corpsd`epreuveouelementsensibleal`especeadetecter,danslecasparticulier d`un capteur chimique. Element de transduction. Module electronique de conditionnement. Milieu Espece a detecter Signal Transducteur ModiIicationphysico-chimique Couche sensible Figure I-2. Schma de principe d'un capteur Lecorpsd`epreuveestunelementphysiqueouchimiquequireagitselectivementala grandeuramesurer.IlapourrledetransIormerlagrandeuramesurerenunegrandeur physiquemesurable.L`elementdetransductionestunelementsensiblelieaucorps d`epreuve.Iltraduitlesreactionsducorpsd`epreuveenunegrandeurelectrique constituant le signal de sortie. Le module electronique de conditionnement a, selon le cas, les Ionctions suivantes : Chapitre I . Les capteurs a fibre optique 5 Alimentation electrique du capteur. AmpliIication du signal de sortie. Filtrage, correction, traitement du signal.Cemoduleelectroniqueportelenomdetransmetteur.Ilpeuttreounonincorporeau capteur. I.2.3. Importance des capteurs fibre optique : La securite dans les ambiances explosives ou a haut risque est l`un des soucis majeurs de certainssecteursindustriels.LescapteursaIibreoptique,parleurisolationgalvanique, peuventresoudrelesproblemesliesal`utilisationdescapteursclassiques.EnFrance,un reseau d`acquisition et de transmission adapte aux besoins de contrle-commande et de la surveillance d`installations industrielles a ete developpe et commercialise par OPTOFRA, uneIilialedeFRAMATOME.UnreseaudecetypeaeteutiliseaPecoradesurlesite SNEA (ELF-AQUITAINE) depuis 1987 pour l`acquisition de 40 signaux dans le cadre de la surveillance d`un puit de petrole. En Grande-Bretagne, un systeme de surveillance a Iibre optique d`eventuelles Iuites de gaz danslesreservoirscryogeniques(10000tonnesstockeesa-160C)aeteinstallepar Britishgaz.Lesystemed`analysemetenouvreunetechniquedereIlectometrieoptique est permet en cas de Iuite de mesurer jusqu`a -55 C avec une resolution spatiale de 10 m. I.2.4. Avantages des capteurs fibre optique : Les capteurs a Iibres optique sont recents est presentent en plus des qualites generales des capteursoptiquesleursproprescaracteristiques.SilescapteursaIibreoptiquesontun merite,c`estceluid`avoirouvertdesdomainesjusque-lamalaisesvoireinaccessibles. GrcealaIibreoptique,cescapteursontainsi parIoiscertainsavantagessurlescapteurs traditionnels : -immunites aux champs electromagnetiques, -insensibilite electrique (haute tension), -legerete, Iaible encombrement et petite taille, Chapitre I . Les capteurs a fibre optique 6 -possibilitesdemesuresdansdesmilieuxdiIIicilesd`acces,dangereuxet hostiles (tres haute tension, explosiIs, produits toxiques .).

I.3. Capteurs fibre optique pour la dtection chimique: Le capteur a Iibre optique doit tre capable de mesurer la variation spectrophotometriques du milieu et de transporter cette inIormation au detecteur. La partie sensible du capteur doit trepermeableal`especeadetecterquidoitdiIIuserjusqu`aucourouellevainteragir directement avec la lumiere transmise. Le principe du capteur a Iibre optique est base sur la propagationd`uneondeevanescenteal`interIacecour/gaine.Cesondesevanescentes, assimilablesadesondesdesurIaces,sepropagentparallelemental`interIace,etleur intensitedecrotexponentiellementavecladistanceal`interIace.Cescapteursontune sensibilite de l`ordre de 2 10-4 de variation d`indice dans une gamme d`indice 1.405-1.455 pouruneIibreoptiqued`ouverturenumerique0.36,decourensiliceavecunegainede silicone|4,5,6|.Leprincipeestderemplacerlagaineoptiqueparunpolymerequisoit capabledesolubiliserdesespeceschimiques.Lavariationd`indicedereIractiondece polymeresetraduitparunevariationdelapuissancelumineusetransmisedanslaIibre. Lespolymereschoisissontdesheteropolysiloxanessensiblesauxvapeursdesolvantset d`autres aux alcanes. I.3.1 Les capteurs optiques plasmon de surface: Le phenomene de plasmon de surIace consiste en l'oscillation d'electrons libres a l'interIace d`unmetaletd'undielectriquequipeuttreprovoqueeparreIlexiontotaled'uneonde optique injectee sur l'interIace opposee. L'onde evanescente peut en eIIet exciter un mode plasmonsouscertainesconditions(angle,longueurd'onde,polarisationduIaisceau optiqueincident,permittivitedielectriquedesdiIIerentsmateriauxmisenjeu), correspondant a une perte d'energie du Iaisceau reIlechi. Les plasmons de surIace sont des ondes de surIace dont les caracteristiques sont sensibles aux variations des parametres optiques des milieux dielectriques en contact avec la surIace metallique.Lecapteurphysiquedevientun"bio-capteur"parimmobilisationd'un composant actiI (chimique ou biologique) a sa surIace. Les changements de masse induits Chapitre I . Les capteurs a fibre optique 7 parl'associationouladissociationdescomplexesmodiIientlareIringencedumilieuet inIluent en proportion sur la resonance plasmon. Le phenomene de resonance plasmon est completementnonspeciIiqueetnedistingueaucunementlesreactionschimiquesentant quetelles.Cequipeutapparatrecommeunelimitationestenrealiteunavantagetres interessant.LaspeciIicited'analyseresidedanslaselectiondepairesdemolecules reagissantexclusivementounonentreelles(l'uneetantgreIIeealasurIacedumetal). Chaque paire de substances qui presente des interactions speciIiques peut tre analysee par cettemethode (anticorps-antigene, ligand-recepteur, ADN-proteine, enzymes-substrat .), rapidement et sans traitement prealable des echantillons. PlusieursconIigurationsexistentpourexciterunplasmondesurIace.Desreseauxde diIIractionoudesguidesoptiquessontutilisesmaisc'estlecouplageparprismeconnu sous le nom de conIiguration de Kretschmann qui est la structure la plus employee (Figure I-3). Figure I-3. Couplage par prisme d'une onde optique avec un plasmon de surface. Une onde optique est rflchie l'interface d'un prisme de permittivit dilectrique p et d'une couche mtallique d'paisseur e et de constante dilectrique m. Une onde plasmon peut tre excite la surface du mtal en contact avec le milieu extrieur de permittivit d. Chapitre I . Les capteurs a fibre optique 8 I.3.1.1.Analysespectraledelarsonanceplasmondansunefibrestandardsaut d'indice : L'utilisationd'uneIibreoptiquecommecapteuraplasmondesurIaceaeteproposeeen premier par Jorgenson et Yee |7|. Ces derniers ont etudie en parallele une structure basee sur le prisme de Kretschmann et sur une Iibre optique multimodale |8|. La sonde a Iibre a plasmondesurIaceestconstitueed'unezonesensibleal'extremited'uneIibreoptique multimodale a saut d'indice standard (PCS, Plastic Cladding Silica). Celle-ci a ete denudee puismetalliseesymetriquementavecunecinquantainedenanometresd'argentoud'or (Figure I-4). Figure I-4. Schma du capteur fibre optique plasmon de surface configuration "optrode" (D'aprs 1orgenson [8j) De la lumiere d'une source blanche est injectee dans la Iibre et subit de multiples reIlexions surlazone activeoucertaineslongueursd'ondesont absorbeesparlesondesdeplasmon desurIace(FigureI-4).UnmiroirdisposesurlaIacedesortiedelaIibrereIlechitla lumierequiestensuitetraiteeparunspectrometre.L'analysespectralepermetde determinerl'indicedereIractionprochedelasurIaceactivedelaIibre.Quandl'indice augmente, le minimum de resonance est decale vers les hautes longueurs d'onde (Figure I-5). On peut noter que ce montage est utilise a l'inverse du montage classique a prisme ou la longueur d'onde est Iixee et ou est menee une interrogation angulaire. A partir de ce montage de base, diverses etudes ont porte sur l'optimisation de la gamme de Ionctionnement du capteur ainsi que sur sa sensibilite. L'ajout d'une couche supplementaire Chapitre I . Les capteurs a fibre optique 9 a haut indice (oxyde de zirconium d'indice 2,0) a decale la gamme d'indice entre 1 et 1,34, en vu d'applications pour la detection de gaz et de milieux aqueux |9|. FigureI-5. Illustration du capteur complet fibre optique multimodale (D'aprs 1orgenson [8j) D'autre part, une autre approche a ete menee pour augmenter la limite superieure d'indice enemployantuneIibreavecunindicedecourdiIIerent.DesdiverstypesdeIibres commerciales (PMMA, plastique, dopee), le choix s'est porte sur une Iibre a cour de saphir (d'indice 1,77) |10-16|, permettant une detection comprise entre 1 et 1,7. I.3.1.2. Capteur modulation d'intensit dans une fibre standard saut d'indice : Dans les capteurs presentes precedemment, de la lumiere blanche est Iocalisee sur la Iace d'entree de la Iibre et une analyse spectrale de l'intensite lumineuse transmise ou reIlechie dans la Iibre donne les inIormations sur l'indice de reIraction du milieu exterieur. Ce type decapteurdonnedebonsresultatsmaisnecessiteunappareillagecheretencombrant: spectrometre ou monochromateur. Une alternative utilisant la variation de la puissance lumineuse a ete proposee par Trouillet |17,18|.UneIibrePCSde400mdediametredecourestdenudeesurquelques centimetres puis recouverte de 50 nm d'or ou d'argent. Le Iaisceau collimate d'une source Chapitre I . Les capteurs a fibre optique 10 monochromatique(670nm)estinjectedanslaIibreavecdiIIerentesinclinaisonspar rapport a l'axe de celle-ci, Iigure I-6. Figure I-. Schma du dispositif exprimental d'une fibre PCS excite par un faisceau collimat en incidence oblique provenant d'une diode laser mettant 7 nm (D'aprs Jeillas [14j) DesrayonsnonmeridienssepropagentdanslaIibre.CelaapoureIIetpourcertaines inclinaisonsduIaisceaulumineuxincidentd'augmenterl'eIIicaciteducouplageaun plasmondesurIacepourunindicedonnedumilieuexterieur.L'excitationderayonsnon meridiens multiplie en eIIet par deux le nombre de reIlexions sur la zone sensible. De nombreuses applications telles que la detection de gaz ou de vapeurs, le suivi in situ de laIormationdemonocoucheauto-assembleesainsiqueledeveloppementd'une immunosonde ont ete presentees |19, 20, 21|. Chapitre I . Les capteurs a fibre optique 11 Bibliographie : |1| G. Asch et al., Les capteurs en instrumentation industrielle, Dunod, Paris (1991) |2| A. Cozanet, M. Treheux, Aplplied optics, 14 (1975) 1345-1350 |3| Kapany, Fiber optics, Academics Press (1967) |4| R. Kherrat, These de l`Ecole Centrale de Lyon (1996)|5| C. Ronot, These de l`Ecole Centrale de Lyon (19998) |6|A Abdelghani, These de l`Ecole Centrale de Lyon (1992) |7| R.C. Jorgenson and S.S. Yee, A Iiber-optic chemical sensor based on surIace plasmon resonance, Sensors and Actuators, B 12, 213220, (1993) |8| R.C. Jorgenson, SurIace plasmon resonance based bulk optic and Iiber optic sensors, Ph.D. Dissertation, University oI Washington, Seattle, WA, USA, (1993) |9| R.C. Jorgenson and S.S. Yee, Control oI the dynamic range and sensitivity oI a surIace plasmon resonance based Iiber optic sensor, Sensors and Actuators, A 43, 4448, (1994) |10| C.B. Brennan, L. Sun, S.G. Weber, Investigations oI prussian blue Iilms using surIace plasmon resonance, Sensors ans Actuators, B 72, 1-10, (2001) |11| R.C. Jorgenson and M.C. SiegIried, Ninety-six channel microplate surIace plasmon resonance Iiber optic sensor system, Proc. oI SPIE on Advanced Assay Technologies Ior Drug Discovery, San Jose, CaliIornia, Vol 3603, 313-322, (1999) |12| A.J.C. Tubb, F.P. Payne, R.B. Millington, C.R. Lowe, Single-mode optical Iibre surIace plasma wave chemical sensor, Sensors and Actuators, B 41, 71-79, (1997) |13| A. Diez, M.V. Andres, J.L. Cruz, In-line Iiber-optic sensors based on the excitation oI surIace plasma modes in metal-coated tapered Iibers, Sensors and Actuators, B 73, 95-99, (2001) |14| R. Slavik, J. Homola, J. Ctyroky, Miniaturization oI Iiber optic surIace plasmon resonance sensor, Sensors and Actuators, B 51, 311-315, (1998) |15|R.Slavik,J.Homola,J.Ctyroky,Single-modeopticalIibersurIaceplasmon resonance sensor, Sensors and Actuators, B 54, 74-79, (1999) |16|R.Slavik,J.Homola,J.Ctyroky,E.Brynda,NovelspectralIiber opticsensorbased on surIace plasmon resonance, Sensors and Actuators, B 74, 106-111, (2001) |17| A. Trouillet, C. Ronot-Trioli, C. Veillas, H. Gagnaire, Chemical sensing by surIace plasmon resonance in a multimode optical Iibre, Pure Applied Optics, 5, 227-237, (1996) Chapitre I . Les capteurs a fibre optique 12 |18| C. Ronot-Trioli, A. Trouillet, C. Veillas, H. Gagnaire, Monochromatic excitation oI surIace plasmon resonance in an optical-Iibre reIractive-index sensor, Sensors and Actuators, A 54, 589-593, (1996) |19|C.Veillas,Etuded'uncapteuraIibreoptiquemetallisepourladetectiond'especes chimiques, Diplme d'Universite de Recherche, Universite Saint-Etienne, (1997) |20|E.Bonnet,CapteurschimiquesaIibreoptiqueenconIigurationoptrode,Diplme d'Etude ApproIondie, Universite Saint-Etienne, (1998) |21| A. Abdelghani, N. JaIIrezic-Renault, SPR Iibre sensor sensitised by Iluorosiloxane polymers, Sensors and Actuators, B 74, 117-123, (2001) |22| J.-B.Sanchez, F.Ber ger , M.Fr omm , M.-H. Nadal , V.Eyraud, Tin dioxide-based gas sensors Ior detection oI hydrogen Iluoride in air, Thin Solid Films 436, 32136,(2003)|23| Emmanuel Chailleux, These de l`Ecole Centrale de Lyon (2001) |24| K. Kalntar-Zadel, D. A. Powell, W. Wlodarski, S. Ippolito, K. Galatsis,Sensors and Actuators B 9 (2003) 303308 |25|J.Bodzenta,B.Burak,Z.Gacek,W.P.Jakubik,S.Kochowski,M.Urbanczyk,Sensors and Actuators B 87 (2002) 8287 |26| C. ChristoIides, A. Mandelis,J. Appl. Phys. 68 (1990) R1R30. |27| K. Kalli, A. Othonos, C. ChristoIides, A. Spetz, I. Lundstroem, Rev. Sci. Instrum. 69 (1998) 15051511. CHAPITRE II MODELISATION DE LA PROPAGATION DE LUMIERE DANS UN CAPTEURA FIBRE OPTIQUEChapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 13 II.1. Introduction Les guides d'onde optique sont des systemes dielectriques qui permettent le conIinement et leguidagedelalumierelelongd'unaxe.Cessystemesoptiquespeuventtreseparesen deuxgrandesIamilles:lesIibresoptiquesageometriecylindriqueetlesguidesd`onde planaires.Une Iibre optique est un Iin cylindre de verre dans lequel la lumiere est piegee parreIlexiontotaleinterne.Au-deladesraisonnementsIondessurl`optiquegeometrique, onpeutresoudrelesequationsdeMaxwelldanscettestructureparticulierementsimple qu`est le guide d`onde plan |1,2,3|. Dans ce chapitre, nous decrivons les caracteristiques du guide d`onde. Puis en se basant sur la theorie de l`optique geometrique, la reponse du capteur optique sera modelisee et validee par la suite. I.2. Les capteurs optiques : LescapteursoptiquesquinousinteressentparticulierementdanscetravailIontl`objetdu paragraphe suivant : I.2.1. Guide d`ondes plan : La theorie relative de la propagation de la lumiere dans les guides optiques plans conIines, asautd`indiceouagradientd`indice,estsemblableacelledesIibresoptiques.Leplus simpledesguidesplansestschematisesurlaIigureII-1,oulacoucheminced`indicede reIraction n1 est deposee sur un substrat d`indice ns.Lemilieuexterieurd`indicencpeuttreunmilieugazeux,liquideousolide.Dansla majoritedescas,larepartitiondesindicesestlasuivante:n1~ns~nc,etl`epaisseurdes guides est de l`ordre du micron. Le guidage de lumiere dans la couche centrale s`explique par des reIlexions successives sur les interIaces avec les couches adjacentes d`indices plus Iaibles. Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 14

Figure II-1. Principe de la propagation de la lumire dans un guide d'onde Lemilieud`indicencestsondeparuneondeevanescente,dontlaproIondeurde penetrationestdel`ordredumicron.C`estdanscettezoneinterIacialequel`ondeguidee ressentira les eIIets de l`environnement.

I.2.2. Guide plan rflexion totale : LapropagationguideeareIlexiontotaleestbaseesurlephenomenedereIlexiontotale, que nous allons rappeler tres brievementici. Reflexion totale.Consideronsdeux dielectriqueshomogeneset isotropesd`indicen1 etn2 separes par une surIace plane (Iigure II-2). n1 n2 Zp Z Onde evanescente Figure II-2. Principe d'un guide plan rflexion totale Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 15 UnIaisceaudelumierecollimate,provenantdumilieud`indicedereIractionn1,arrivea l`interIacesousincidence,pourdonnernaissanceauneondereIlechieetuneondre transmise dans le second milieu. Si les indices de reIraction des deux milieux sont tels que n1~n2, l`onde incidente subit le phenomene de reIlexion totale lorsque l`angle d`incidence est superieur a l`angle critique deIini par : c arcsin (n2/n1) Pour c une partie de l`energie incidente est transIeree dans le second milieu. Sous la condition~c,lecoeIIicientdereIlexionenenergieestegala1.Ilexisteuneonde evanescente,quisepropageparallelemental`interIaceetdontl`amplitudedecrot exponentiellementavecladistanceZal`interIace.Cetteamplitudepeuts`ecriresousla Iorme : A A0 exp( Z / Zp), ou A0 est une constante qui depend de l`angle d`incidence, et ouZpcaracteriselaproIondeurdepenetrationdel`ondeevanescentedanslemilieu. L`ondeevanescenteneserasigniIicativementperturbeequepardeseIIetsprovoquessur l`interIace dans la zone delimitee par Zp. Reflexion totale attenuee . La methode de reIlexion totale attenuee est connue pour pouvoir detecterlesIaiblesmodiIicationsinterIacialesdelasurIaceexterieureduguide.Le principe de base de cette technique consiste a deposer un Iilm dielectrique sur la base d`un prisme recouvert d`un Iilm metallique (or ou argent) (Iigure II-3). La couche metallique a uneepaisseurvoisinede50nm.UnIaisceaulumineuxcollimate,issud`unesource monochromatique polarisee TM, traverse le prisme se reIlechit sur la surIace metal/base du prisme en silice est parvient au recepteur place ala sortie du prisme. Pour la detection de gaz, le principe consiste a deposer sur le Iilm metallique un materiau polymere d`epaisseur Iaible,del`ordredemicron.CeIilmdepolymerepeuttretraitepourinteragirdeIaon speciIiquelemilieuexterieur. L`absorption des molecules gazeuses ou des vapeurs par le polymere se traduit par une variation de son indice de reIraction qui implique une variation del`anglederesonance.L`anglederesonancecorrespondauminimumsurlacourbede reIlectivite enregistree en Ionction de l`angle d`incidence. Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 16 Metal Film dielectrique Figure II-3. Mthode de la rflexion totale attnue Methodeinterferometrique .Uneautreapprocheutilisantleprinciped`unevariation d`indiceoptiqued`unmilieulorsdel`absorptiondemoleculesgazeusespeuttre envisage : c`est celle de l`interIerometrie (Iigure II-4). Guide droitd`entree Materiau sensible Jonction Y Bras n 2 Guide droitde sortie Figure II-4.Interfromtre de Mach-Zehnder L`interIerometrie estune technique puissante, qui mesure le signal d`interIerence de deux ou plusieurs ondes lumineuses qui ont parcouru des trajets optiques egaux ou diIIerents.Lavitessedepropagationd`uneondedansunmilieud`indicenestc/n.Ainsi,sial`aide d`un interIerometre, on separe une onde lumineuse par une jonction Y, en puissance egale surdeuxbras,ilyainterIerenceduealadiIIerencedecheminoptiqueparcouruparles deux partie de l`onde |4|. Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 17 II.3. Caractristiques du guide d`onde Les capteurs a Iibres optique utilises sont des guides d`onde cylindriques en silice Iormes d`unepartieinterne,lecour,entoureed`uneenvelopped`unverred`indicedereIraction legerement inIerieur, la gaine.Le principe de Ionctionnement du capteur optique presente dans cette etude est base sur la mesure de l`indice de reIraction en lumiere monochromatique. Cette technique est issue de l`experienceacquiseenmatieredecapteursIibreoptiquepourladetectiondegazet d`especesbiochimiques|5,6|.Danscetteapprocheoriginale,lareponseducapteurest analyseeentermededistributionangulairedelapuissancelumineusetransmiseparle systemeoptique.LaIibreoptique,degainee sur quelques centimetres, est plongee dans le milieu a tester. Les changements d`indice de ce milieu sont responsables des variations de l`ouverturenumeriqueducapteur.L`ouverturenumeriqueestestimeeenmesurantla puissance lumineuse transmise en Ionction de l`angle d`injection de la lumiere sur la Iace d`entree de la Iibre (Iigure II-5). Milieu a testerLaserPhotometreGaineCoeurPCAcquisition Figure II-5. Principe de fonctionnement du capteur fibre optique Cependant, il est necessaire de veiller a respecter les conditions de guidage de la lumiere a l`interIacecour/milieuatester,aIind`obtenirunesensibilitesuIIisanteauxvariations d`indices.LaIibreoptiquedoitdonctrechoisieenIonctiondesproprietesoptiquesdu materiau a tester. L`analyse du Ionctionnement d`une Iibre optique permettra de se placer dans de bonnes conditions experimentales et d`interpreter la reponse d`un tel capteur |7, 8|. Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 18 II.4. Etude thorique, modlisation II.4.1. Principe de fonctionnement d`une fibre optique Une Iibre optique conduit la lumiere par reIlexion entre son cour et sa gaine. Le cour et la gainesecaracterisentparleurindicedereIractiondiIIerent,IigureII-6.Cependant,il existedesIibrespourlesquellescettediIIerencenes'exprimepassouslaIormed'unsaut d'indicemaisd`ungradient,ellesneserontpasutiliseesdanscetteetude.Ondistingue deux grandes Iamilles de Iibre optique: monomode et multimode. Cour (indice de reIraction: nc)Gaine (indice de reIraction: ng)a Figure II-. Fibre optique : gaine et cur Multimode: 2 2405 , 22g cn na> (II-1) Monomode: 2 2405 , 22g cn na< (II-2) (Avec, longueur d'onde de la lumiere guidee le long de la Iibre) LesIibresmonomodespresententd`excellentesqualitesdetransmissions:largebande passanteethautdebit,ellessontlargementsutiliseesdansl`industriedes telecomunications.LesIibresmultimodespresententuncourdediametrerelativement important(50600m)etunegrandeouverturenumerique.NouspreIereronsces dernieres dans la conception de notre capteur pour leurs dynamiques de mesure importante Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 19 (largegammed`indicedereIraction)etpourleursdimensionsleurdonnentunebonne resistance mecanique ce qui permet de simpliIier le dispositiI experimental. II.4.2. Condition de guidage de la lumire

IlexistedeuxtheoriespourexpliquerleguidagedelalumieredansuneIibreoptique : l`approchegeometriqueouoptiquedesrayons,valablespourdescoursdedimensions beaucoupplusgrandesquelalongueurd`ondeetl`approcheondulatoirequiutiliseles equations de Maxwell avec les conditions aux limites|9|. Cette deuxieme theorie conduit a la notion de mode, valable pour toute dimension de cour. Les Iibres optiques ainsi que la sourcelumineusequiserontutilisesdanscetteetude,autorisel`utilisationdel`approche geometrique.Ilestanoterquepourdesdiametresbeaucoupplusgrandsquelalongueur d`onde, les deux theories de rejoignent. Pour qu'un rayon lumineux soit guide le long de la Iibre il doit se reIlechir totalement sur la surIace de separation du cour et de la gaine. Il y a reIlexion totale si :a) la lumiere passe d'un milieu (d'indice de reIraction nc) a un autre milieu moins reIringent (d'indice de reIraction ng) (cI. Iigure II-7), b) l'angle d'incidence est superieur a un angle limite lideIinie par la relation :=cglnni1sin

(II-3)

ilGaine(ng)Cour (nc) Figure II-7. Cuidage de la lumire dans une fibre optique Sil`anged`incidenceestinIerieuracetanglelimite,ilestalorsreIracteselonlaloide Descartes : Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 20 ) sin( ) sin(2 1i n i ng c = (II-4) (Avec i2 angle de reIraction par rapport a la normale). Cependant, une partie de l`energie du rayon lumineux est reIlechie. La theorie ondulatoire permet,endeveloppantlesequationsdeMaxwell,d`obtenirlesexpressionsdes coeIIicients de reIlexion a l`interIace entre deux milieux.Le champ electromagnetique de l`onde incidente admet deux composantes. La premiere est lacomposanteS,aveclechampelectriqueperpendiculaireaupland`incidence.La deuxieme est la composante P, avec le champ electrique parallele au plan d`incidence. Ces deuxtypesdepolarisationadmettentdescoeIIicientsdereIlexiondiIIerents,ellesseront doncetudieesdemaniereindependantelorsducalculdel`energiereIlechieal`interIace cour / gaine. Le coeIIicient de reIlexion correspond au rapport des Ilux d`energies le long de la normale a l`interIace. Il s`exprime de la Iaon suivante : 22rEERri= = (II-5) ou Ei et Er sont les amplitudes des champs electriques, respectivement de l`onde incidente etdel`ondereIlechie.LesIormulesdeFresneldonnent,pourlespolarisationsPetS, l`expressiondurapportrenIonctiondesanglesdereIlexion(ii),dereIraction(i2)etdes indices des deux milieux (n1 et n2) : ) cos( ) cos() cos( ) cos(2 2 1 12 2 1 1i n i ni n i nrS + =(II-6) ) cos( ) cos() cos( ) cos(1 2 2 11 2 2 1i n i ni n i nrP + = (II-7) Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 21 0 20 40 60 80 10000.10.20.30.40.50.60.70.80.91 Polarisation PPolarisation S Figure II-8. Coefficient de rflexion pour la polarisation P et S calculs avec nc1.457 et ng1.45. 020406080100 0 0.10.20.30.40.50.60.70.80.91 Polarisation P Polarisation S Figure II-9. Coefficient de rflexion pour la polarisation P et S calculsavec nc 1.457 et ng 1 - i .1 Angle d`incidence (degre) CoeIIicient de reIlexion CoeIIicient de reIlexion Angle d`incidence Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 22 LaloideDescartesmontre,d`autrepart,quesil`angled`incidenceestplusgrandque l`anglecritique,lesinusdel`angledereIractionestsuperieural`unite.Dansces conditions,lecoeIIicientdereIlexiondonneparlesIormulesdeFresnelestunnombre complexe de module egal a l`unite, c`est pourquoi les ondes incidentes et reIlechies ont la mmeamplitude.LaFigureII-8permetdemontrerquepourdesanglessuperieursa l`anglecritique(ici38)lareIlexionesttotaleetquedanslesconditionsdereIraction, l`energie reIlechie evolue selon les relations de Fresnel pour les polarisations P et S.Cependant,lesgainesoptiquesreellesnepeuventpastreconsidereescommedes dielectriques parIaits. Il Iaut donc leur associer une permittivite complexe et donc un indice dereIractioncomplexe :nn`i*n``.LesignemoinsestintroduitdanslaIormule precedentecardanslesconditionslespluscourantes(materiauxal`equilibre thermodynamique)lespartiesimaginairesdel`indiceetdelapermittivitesontnegatives. Lapartieimaginairedel`indicecorrespondal`indiced`extinctionquicaracterisela penetrationd`uneondeelectromagnetiqueatraverslemateriau.Cetindicecomplexeest Ionctiondelalongueurd`onde.LaIigureII-9presentelescoeIIicientsdereIlexion calcules en considerant que l`indice de la gaine admet une partie imaginaire. Dans ce cas, pourlesanglesd`incidencessuperieursal`anglelimite(38),unepartiedel`energiede rayonincidentestabsorbeparledielectriqueimparIait.IlyareIlexiontotaleseulement quand l`incidence est normale a l`interIace. L`energie de l`onde electromagnetique perdue al`interIacedereIlexiondependdelavaleurducoeIIicientd`extinctiondumateriau reIlechissant (voir Iigure II-10). II.4.3. Les pertes en optique guide LapuissancelumineuseperduependantlesreIlexionssuccessivesal`interIaceCour/ gained`uneIibreoptiquedependradoncdelanaturedesmateriauxutilisesetplus precisement de leur indice d`extinction. Cependant, cette attenuation peut admettre d`autre origine :les deIauts de surIaces des echantillons (rayures de polissage, poussieres,...).lescontrainteslieesauproceded'echanged'ions(craquelures,renIlementsou eIIondrement de la matrice).Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 23 les microcristaux et les microbulles presents eventuellement dans le verre.lespertesparabsorption:principalementcauseesparlapresenced'impuretes chimiquesdanslamatricevitreuse:metauxdetransitionouionshydroxylespar exemple.les pertes par reIlexion : liees a la rugosite de surIace qui entrane une modiIication desconditionsdereIlexionetprovoqueainsiunediminutiondel'intensitedusignal. Ces pertes sont plus grandes pour les modes de propagation d'ordre eleve pour lesquels le nombre de reIlexions aux interIaces est plus important.LadiIIusionparlesimpuretesouparlesdeIautsd`interIacescour/gaineetla diIIusion Rayleigh qui est la diIIusion de la lumiere sur les molecules du cour. Lespertesparradiation:duesauntransIertd'unepartiedel'energied'unmode guideversunmodederadiation(al'interIaceguide-airouguide-substrat).Lespertes deradiationsontgeneralementnegligeablespourlesmodesbienconIineset,au contraire elevees pour les modes d'ordre eleve. 204060801000 0 0.10.20.30.40.50.60.70.80.91 ng = 1.405 - i 0.01 ng = 1.405 - i 0.005 ng = 1.405 - i 0.001 Figure II-1. Coefficient de rflexion calcul pour diffrente valeur d'indice d'extinction (nc1,457) Angle d`incidence (degre) CoeIIicient de reIlexion Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 24 Laqualited'unguidedependradoncdecesprincipauxtypesdepertes.LecoeIIicientde perte(endB/cm),quirendcomptedel'attenuationdusignalcauseeparcesmecanismes, est Ionction de la longueur d'onde du signal.II.4.4. Condition d`injection de la lumire Lorsqu`unrayonlumineuxestprojetesurlaIaced`entreed`uneIibreoptique,ilest reIracte ou reIlechi dans le plan d`incidence. La Iigure II-11 montre que ce plan contient la normale a la Iace d`entree ( zr) issue du point d`injection (M), ainsi que le rayon lumineux. Le rayon reIracte vient ensuite se reIlechir ou se reIracter a l`interIace cour gaine (M`). Le long du chemin optique, l`angle de reIlexion restera alors toujours le mme () par rapport al`interIacecour/gaine.Ilresteaetablirlarelationentrel`angled`injectionetle l`angle de guidage . MM''M' yxyxzznrnrOur Figure II-11. Injection de la lumire dans un guide d'onde cylindrique Soitunrepereorthonorme) , , , ( : v x Or r rouOestlecentredelaIaced`entreedelaIibre. Dans un souci de simpliIication, le plan) , , ( : x Or r correspond au plan d`incidence.Soit le vecteur unitaireur porte par le rayon reIracte MM`. Il admet alors pour coordonnees ) cos , 0 , (sin ur. Soitnvle vecteur normal a l`interIace cour/gaine et M`` la projection du Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 25 pointM`surlaIaced`entreeavec = ) ' ' , ( M O x Orr.nvadmetpourcoordonnees ) 0 , sin , (cos nr. L`angle est donne par la relation: sin cos . cos = = u nr r(II-8) Le rayon MM` reIracte sur la Iace d`entree Iait un angle par rapport a l`axezr tel que : ) sin( ) sin( =cn (II-9) On considere que le rayon lumineux est initialement dans l`air d`indice 1, nc etant l`indice ducourdelaIibre.Lesconditions depropagationdurayonlumineuxsontdoncdeIinies par les angles et , telles que : cn sincos cos = (II-10) Gaine (n g ) Cour (nc ) il Air (n1) Figure II-12. Injection de la lumire selon un plan de symtrie de la fibre optique Lerayonlumineuxdoittreinjecteavecunangled`incidencedetellesorteque,apres reIraction a la surIace air / cour, l'angle d'incidence reste superieur a l'angle limite li . On suppose que la surIace air / cour est parIaitement perpendiculaire a l'axe de la Iibre (Iigure II-12). La loi de reIraction de Descartes a l'entree de la Iibre donne: = l ci n2sin sin 1 (II-11) Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 26 soit=clni sincos1 (II-12) Ilest donc indispensable de determiner tel que la relation >cglnni1sinsoit veriIiee.Donc, trouvons tel que : > cgcnnn1 1sinsincos

(II-13) est compris dans l'intervalle 2;2 on en deduit la condition(((

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'

, on obtient Iinalement : 2 2sing cn n < (II-15) L'angle d'injection devra donc obeir a cette relation pour que la lumiere soit guidee dans le plan meridien. L'ouverture numerique (NA: numerical aperture) est deIinie par la relation : 2 2g cn n NA = (II-16) Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 27 O x z y dy Figure II-13. Face d'entre de la fibre optique II.5. Modlisation de la puissance lumineuse transmise Pour Ionctionner, une Iibre optique doit avoir un milieu de guidage (cour) plus reIringent que son milieu de reIlexion (gaine). Les conditions geometriques d`injection de la lumiere peuventseresumeradeuxangleset,deIinissurlaIigureII-11.Decesdeuxangles dependl`angledeguidageetdonclapuissance transmiseparlaIibreoptique|10,11|.A partirdecesconstatations,deduitesdel`etudeduprincipedeIonctionnementd`uneIibre optique,cettepartieproposedemodeliserladistributionangulairedelapuissance lumineuse transmise par untel guide d`onde. II.5.1. Approche directe: OnconsidereunIaisceauincidentcomposederayonsparallelesd`incidence,qui illumineentierementlaIaced`entreedelaIibre.Onseplacedanslesconditions geometriques de la Iigure II-13. La symetrie du probleme permet de se limiter a l`etude de la lumiere dans le demi cercle au dessus de l`axe (O,x). Les rayons dont les points d`impact ontmmescoordonneesetvontsepropageraveclemmeangledereIlexion cour/gaine.Onseproposedoncdesommerlescontributionselementairescorrespondant aux mmes conditions de propagation. Chaque contribution elementaire sera ensuite traitee Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 28 entenantcompteducoeIIicientdereIlexional`interIacecour/gaine,ainsiquedes coeIIicientsdetransmissionsurlesIacesd`entreesetdesortiedelaIibre.Deplus,le nombredereIlexionsdevratreestimedemaniereaquantiIierlespertescumuleesde puissance lumineuse le long du chemin optique. II.5.1.1. Contribution aux pertes de puissance : LaIigureII-13montrequelageometriedelacontributionelementairepeuttredeIinie souslaIormed`unrectangledontl`aireestdv a ) cos( (avecalediametreducourdela Iibre).SoitClecoeIIicientrelatiIauxpertesdepuissancelumineuselelongduchemin optique, la contribution elementaire a ce coeIIicient de perte s`ecrira donc : dv a R T T dCNs e). cos( . ). ( ). ( ). ( ) ( =(II-17) AvecTeetTslescoeIIicientsdetransmissiondesIacesd`entreeetdesortie,Rle coeIIicient de reIlexion et N le nombre de reIlexions. Les coeIIicients de transmission sont calcules en considerant qu`il n`y a pas d`absorption aux interIaces cour/air.On a donc : T 1R 1r2(II-18) II.5.1.2. Sommation des contributions lmentaires : Sur la Iace d`entree de la Iibre on a : ) cos(2 ddy ainsi) sin(2a av = =En sommant sur de 0 a /2 on obtient : Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 29 =2 /022). ( cos ). ( ). ( ). ( .2) ( d R T TaCNs e

(II-19) La puissance lumineuse initiale est proportionnelle a cos () : ) cos( .0 K P =(II-20) K` est une constante determinee experimentalement et a partir des conditions aux limites.La puissance transmise PP0 C , s`ecrit alors . =2 /022). ( cos ). ( ). ( ). ( ) cos( .2. ) ( d R T TaK PNs e

(II-21) Demaniereatenircomptedesdeuxtypesdepolarisation,lapuissancelumineuse transmise sera calculee distinctement avec les coeIIicients de reIlexion S et P. La puissance lumineusetransmisetotaleseradeduitedelamoyennedescontributionsdesdeux polarisations : 2 / ) (p sP P P + =(II-22) z l a.cos () Figure 14. Projection du rayon guid selon la direction Oz Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 30 II.5.1.3. Nombre de rflexion : Consideronsqu`entredeuxpointsd`impact,lerayonguideparcourtdansladirectionde l`axeOzlalongueurl.OnvoitsurlaIigureII-14quecettelongueurestegalea tan / cos a . Le nombre de reIlexion N le long de longueur de la Iibre L sera alors : costan .aLlLN = =(II-23)

z x Gaine1Gaine2GaineiGainen Coeur Figure II-15. Fibre multi-gaines II.5.1.4 Capteur multi-gaines : Pouradapterlemodeleprecedentanotrecapteur,ilsuIIitdeconsidererquelerayon lumineux rencontre diIIerentes gaines le long du chemin optique (voir Iigure II-15). Il Iaut alorsprendreencomptelespertescumuleesachaquereIlexionpourtouteslesgaines optiques. Les pertes de puissance par reIlexion s`expriment alors de la Iaon suivante : =niNiiR1 (II-24) Avec Ri et Ni le coeIIicient de reIlexion et le nombre de reIlexions a l`interIace cour/gaine.La puissance lumineuse transmise par un tel systeme s`ecrit donc : Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 31 = =2 /0212). ( cos . ) ( ). ( ). ( ) cos( .2. ) ( d R T TaK PniNii s e (II-25) Figure II-1. Distribution angulaire de la puissance lumineuse transmise pour une fibre optique, pour diffrents indices de rfractions de gaine II.5.1.5. Comportement et validation du modle : L`equation3.21permetd`obtenirtheoriquementladistributionangulairedelapuissance lumineusetransmiseparuneIibreoptique.LecalculesteIIectueparnormalisationdela distributionangulaire.LesIiguresII-16etII-17illustrentlecomportementdumodele quand l`indice de la gaine, reel ou complexe, varie. Sur la Iigure II-16 on remarque que la distribution s`elargit quand l`ecart entre l`indice du cour et celui de la gaine augmente. La chute brutale de puissance lumineuse correspond a l`angle limite deIini par la notion d`ouverture numerique. Les pertes de puissance sont dues auxrayonsnonmeridiensdontlesconditionsd`injection(angletropimportant)ne permettent pas la propagation de la lumiere le long de la Iibre. Pour une gaine d`indice complexe, on introduit une perte d`energie a chaque reIlexion. On remarque sur la Iigure II-17 que la distribution se retrecit quand la partie imaginaire de la gaine augmente.-50 0 50 0 0.10.20.30.40.50.60.70.80.91 ng = 1.405 ng = 1.415ng = 1.430 ng = 1.440 Puissance lumineuse reduite Angle d`incidence (degre) Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 32 -100-80-60-40-20020406080100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Puissance lumineuse reduite Angle d`incidence (degre) Figure 17. Influence du coefficient d'extinction de la gainesur la rponse du capteur fibre optique -100 -50 0 50 10000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Exprience ng = 1.405 - i 0.0001 Figure II-18. Comparaison de distribution angulaire calcule avec les rsultats exprimentaux obtenus pour une fibre PCS (nc1.457 et ng1.45). Angle d`incidence (degre) Puissance lumineuse reduite ng 1.405 - i 0.0001 ng 1.405 - i 0.01 ng 1.405 - i 0.05 Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 33 Pour valider le modele, la distribution angulaire calculee a ete comparee avec les resultats experimentauxd`uneIibredesilicePCS(nc1.457etng1.405)de25cmdelongueur, commelemontrelaIigureII-18Lacoherenceentrel`experienceetlasimulationest excellente. II.5.2. Approche statistique base sur la notion de surface utile: Quelque soit la cause d`attenuations des rayons, ce phenomene peut se traduire par une distribution statistique de . Nous Ierons l`hypothese que cette distribution suit une loi normale caracterisee par un ecart type |12, 13|.En considerant le triangle OMM on peut exprimer en Ionction de r et de (Iigure II-11): R r) sin( sin = D`ou Rr ) sin(sin= (II-26) 2) sin(1 sin cos = Rr (II-27) La condition de conIinement du rayon dans le cour s`ecrit pour les rayons non meridiens : 22 2coscg cnn n < (II-28) Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 34 soit en ecrivant en Ionction de , angle d`incidence de rayon sur la Iace d`entree de la Iibre et d`apres l`egalite II-27 : 22 2 2) sin(1sincg ccnn nRrn<

(II-29) D`ou 2 22) sin(1 sing cn nRr 22 22 2 2sin1 sing cn nR r(II-31) Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 35 En deIinissant l`angle par : =22 22sin1 sing cOn n

(II-32) On obtient : 202 2 2sin sin R r > (II-33) Si ON, tout les rayons sont propages, la surIace utile de la Iibre couvre toute la Iace d`entree da la Iibre. Si~ON,seulslesrayonsnonmeridiensquisatisIontl`inegalitesontpiegesdansle cour.LasurIaceutileSUcorrespondalorsasurIacehachureedelaIigureII-19etse calcule geometriquement : ==0 0 02 0 020 2sin cos222sin cos 2222 RRR SU(II-34) 00 x x a) ON b) ~ ON Figure II-19. Surface utile d'une fibre multimodale Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 36 EndeIinissant les parametres sans dimensions et su, surIace utile relative, par : 22 2022sincos1g cn n = = (II-35) 2RSUsu=(II-36) On peut ecrire : (((

|

'

=212111 1cos21 Arc su (II-37) Nous pouvons resumer les conditions de propagation de rayon : ON 1 ; su1:tous les rayons sont guides ~ ON ~ 1 ; (((

|

'

=212111 1cos21 Arc su:seulscertains de rayons non meridiens sont guides La Iigure II-20 permet de constater que la decroissance de la surIace utile suivant est tres rapide mais qu`elle que soit la valeur de, il y a toujours des rayons guides. En admettant queladensited`energielumineusesurlasectionduIaisceauincidentsoithomogene,on admet que la puissance lumineuse propagee est proportionnelle a la surIace utile relative de la Iibre. Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 37 00,20,40,60,810 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Figure II-2. Jariation de la surface utile relative en fonction de Cette hypothese implique plusieurs approximations : -DanslecalculdelasurIacerelativesu,nousconsideronsquetouslesrayons n`obeissantpasauxconditionsdeguidageparreIlexionstotalessurledioptrecour-gaine sont reIractes et ne contribuent pas a la puissance totale propagee. La puissance lumineusepropageeparcerayonestalorsmultiplieeparlecoeIIicientdereIlexion partiel de Fresnel elevee a la puissance k ou k est le nombre de reIlexion partielles. -Les rayons non meridiens qui correspondent a ~ 1 transportent peu d`energie et sont attenues rapidement. L`attenuation de ces rayons n`est cependant pas signiIicative pour les distances inIerieures au kilometre, ce qui est le cas pour notre capteur.-Les coeIIicients de transmission Fresnel a l`entree et a la sortie de la Iibre ainsi que le Iacteur sont quasiment invariables quand l`angle reste inIerieur a 25 degres. SurIace utile relative ( su ) Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 38 II.5.2.2. Modlisation des pertes cumules : LapuissancelumineuseperduependantlesreIlexionssuccessivesal`interIaceCour/ gained`uneIibreoptiquedependradoncdelanaturedesmateriauxutilisesetplus precisementdeleurindiced`extinction.Cependant,cetteattenuationpeutadmettre d`autres origines detrites plus haut. Commenousl`avonsdejasignale,quellequesoitlacausedeladiIIusiondesrayons,ce phenomene peut se traduire par une distribution statistique de . Nous Ierons l`hypothese que cette distribution suit une loi normale caracterisee par un ecart type . Pour prendre en comptecephenomenedanslescalculstheoriques,ilIauteIIectuerleproduitde convolution entre cette Ionction gaussienne et la Ionction de surIace relative su(()) :

' '2) ()) ( (21) (22 d su Pe = (II-38) Ou la surIace relative su est donne par l`equation II-37.0 20 40 60 8000.20.40.60.81 Figure II-21. Comparaison de distribution angulaire calcule pour diffrentes valeurs d'cart type avec les donnes exprimentalepour une fibre PCS (nc1.457, ng1.45). 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 ExprienceAngle d`incidence (degre) Puissance lumineuse reduite Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 39 Lecalculanalytiquede P()pourunangledonnen`estpaspossible. Nousavonsdonc eIIectue un calcul numerique en remplaant l`integral par une sommation Iinie. On a utilise la methode de Simpson.Les resultats experimentaux de la puissance lumineuse transmise dansuneIibreoptiqueensilice(nc1.457etng1.405)ontetecomparesaveclaloi normaleadiversvaleursd`ecarttype(IigureII-21).Plusieursobservationsimportantes peuvent tre Iaites : le modele numerique est en accord avec l`experience pour un ecart type egal a 0.4 degre,lapuissancelumineusecalculeecommenceadiminuerpourdesvaleursde(en radian) inIerieures a ON et ceci d`autant plus que est important, lapentedelacourbedeP()pourdesvaleursdesuperieursaON estd`autant moins Iorte que est grand. Lesdeuxdernieresremarquespeuventtreinterpreteesdelamanieresuivante.Compte tenudeladiIIusion,unecertaineIractiondesrayonsincidentscorrespondsadesangles superieursaON quipeuventsereIracterdanslagaine,d`ouunepertedepuissance lumineuseparrapportaucasideal.Demme,sil`ontientcomptedeladiIIusion,quand l`angle d`incidence des rayons est superieur a ON, certains rayons a l`interieur de la Iibre correspondentauneincidencesuperieureaON etpeuventsepropager.Ilenresulteun gaindepuissanceparrapportaucasidealetunediminutiondelapentedugraphede theorique de P(). II.6. Conclusion Danscechapitre,ensebasantsurlamethodegeometrique,onaetudiedeuxapproches. Uneapprochedirectequiconsisteas`attaquerdirectementauproblemeetdemodeliser ainsi les phenomenes d`attenuations de la lumiere. Pour la deuxieme approche, la diIIusion delumiereestdecriteparuneloinormale.Donc,l`attenuationdelumiereestquantiIiee. Les deux modeles sont valides par l`experience et la coherence est tres bonne. Chapitre II .Modelisation de propagation de lumiere dans un capteur a fibre optique 40 Bibliographie : |1|G. Chartier, Manuel d`optique, Paris : Hermes, 1997. 675p.|2|Herve HAQUIN,These de l`UNIVERSITE DE RENNES 1 (2003) |3|Pascal PUECH, Cours d`optique, version 1 (2002) |4| R. Kherrat, These de l`Ecole Centrale de Lyon (1996) |5|A.Abdelghani,J.M.Chovelon,N.JaIIrezic-Renault,M.Lacroix,H.Gagnaire,C. Veillas, B. Berkova, M. Chomat, V. Matejec, Sensors and Actuators, B, 44, 173 (1997) |6|W.B. Lin, J.M. Chovelon, M. Lacroix, N. JaIIrezic-Renault., Japanese Journal Applied Physics 39(9AB), L936-L93 (2000) |7| G. Asch et al., Les capteurs en instrumentation industrielle, Dunod, Paris (1991) |8| Yoann Jestin, These de l`universite de Maine (2002) |9| M. Born and E. WolI, Principles oI optics. Pergamon : Pergamon, 1959. |10|Sh.A.FurmanandA.V.tikhonranov,BasicoIOpticsoImultilayersystems. Editions Frontiere, 1992. 242p. |11|Emmanuel Chailleux, These de l`Ecole Centrale de Lyon (2001) |12| Kapany, Fiber optics, Academics Press (1967) |13|A. Cozanet, M. Treheux, Aplplied optics, 14 (1975) 1345-1350 |14|C. Ronot, These de l`Ecole Centrale de Lyon (19998) CHAPITRE III FONCTIONNALISATION CHIMIQUE DU CAPTEURChapitre III .Fonctionnalisation chimique du capteur 41 III.1. Capteurs chimiques fibre optiqueIII.1.1. Introduction : LaIibreutiliseedanscetteapplicationestconstitueed`uncourensilice,d`unegaine optique en silicone et d`un revtement en polymethacrylate.L`element sensible du capteur a Iibre optique est une gaine de polymere speciIique que l`on depose sur la patrie denudee delaIibre.LaIibreainsiIonctionnaliseevapermettreladetectiondegazoudevapeurs chimiques |1, 2|. La Ionctionnalisation du transducteur se deroule en deux etapes : Une premiere etape dite silanisation qui consiste a modiIier l`etat de surIace de la silice par rupture des ponts siloxanes (Si-O-Si) situes a la surIace de la silice, des sites silanols(Si-O-Si)possedantunetresgrandereactivite.Lessitesainsiactivesvont Iavoriser la Iixation du polymere sensible hydrophobe. La seconde etape est de choisir un polymere speciIique capable de jouer le rle de lagaineoptiquetoutenmaniIestantunegrandeaIIinitepourl`especechimiqueque l`on souhaite detecter. III.1.2. Silanisation de la silice : La silice est un support tres utilise dans les domaines de catalyse, de chromatographie, etc. La surIace de silice est constituee de : Ponts siloxanes : Si-O-Si Sites silanols : Si-OH SiSiSiSiSi Si OHHOOHOOO H H ABCD Figure III-1. Surface de silice Chapitre III .Fonctionnalisation chimique du capteur 42 Avec : A : silanols germinauxB : silanols vicinaux C : silanols isolesD : ponts siloxanesLes raies d`absorption IR sont attribuees aux types de sites silanols suivants (Tableau III-1). Types de OHAbsorption IR Isoles (C) 3745-3750 cm-1 Vicinaux (B)3650-3660cm-1 Lies par liaison3540-3550 cm-1 Eau 3400-3500 cm-1 1ableau III-7. Diffrents groupes OH prsents la surface de la silice et leurs raies d'absorption en IR La surIace de la silice est donc constituee de ponts siloxanes (Si-O-Si) et de sites silanols (Si-OH).Pourromprelespontssiloxanes,ilestnecessaired`utiliserunacideIort.Danslecasde l`acide sulIurique, la reaction avec les ponts siloxanes est la suivante, Iigure III-2 : SO3H H2SO4

Figure III-2. Attaque par l'acide sulfurique Chapitre III .Fonctionnalisation chimique du capteur 43 LesIibresdesiliceque nousutilisonspresententune tresIaible teneurensilanols.IlIaut doncgenererpartrempagedansunesolutionsulIochromique(acidesulIuriqueavec bichromate de potassium). Cette operation a le double avantage de nettoyer la surIace et de creer des sites silanols. III.1.3. Prparation de la fibre optique: LesIibrescommercialesdelasocieteQuartzetSilicequenousavonsutiliseesdansla plupartdenosessaissontdesIibresd`ouverturenumerique0.378,lecourestensilice d`indice 1.457 et la gaine en silicone d`indice 1.405. La Iibre doit d`abord tre debarrassee desonrevtementmecaniqueenpolymethacrylate.CetteoperationesteIIectueeavecun scalpel et deIinit la longueur de la zone sensible. La gaine optique en silicone ne peut tre teedelammemaniere,carunobjetmetalliquepeutaltererlaqualitedelasurIacedu cour, augmenter la diIIusion de la lumiere et ainsi diminuer la sensibilite du capteur. Nous avonseurecoursaunedissolutiondelagaineoptiquedansunmelangesulIochromique. Mmeaveccettemethode,ilrestetoujoursdelagaineoptique,ilsuIIitalorsdegratter doucement avec l`ongle, et de veriIier chaque Iois s`il reste des traces de la gaine avec le microscopieoptique.LasurIaceainsidenudeeestsoigneusementrinceeetnettoyeeavec de l`ethanol et de l`acetone. LaIaced`entreeetlaIacedesortiedelaIibredoiventtreparIaitementplanescar l`incidencedechaquerayonduIaisceaucollimatedoittreidentiquequelquesoitson point d`impact sur la Iace d`entree. Pour cela, la Iibre est clivee avec un cliveur special. De plus, les deux extremites subissent un polissage avec des papiers a polissage diamantees de diIIerents diametres (12m,3m et 0.3m). Avant l`utilisation, les extremites de Iibre de Iibre sont nettoyees a l`ethanol et a l`acetone. III.1.4. Prparation du mlange sulfochromique : Dissolutiondebichromatedepotassium,sousagitationmagnetique,jusqu'a saturation, dans 10 cm3 d`eau ultra pure. Prelevement de 1 cm3 de cette solution a laquelle on ajoute progressivement 10 cm3 d`acide sulIurique pur de qualite analytique. Chapitre III .Fonctionnalisation chimique du capteur 44 CeIortpouvoiroxydantdumelangesulIochromiquepermetdedetruiretouteliaison organiqueetdedissoudrelagainesilicone.Apresrinageavecl`acetoneoul`ethanol,la surIaceensiliceestexemptedetoutetraceorganique.L`hydroxylationdelasurIacedu courprovoqueeparlaIorteaciditeaugmenteaussilareactivitedelasilicevis-a-visde greIIons eventuels. III.1.5. Gaines polymriques sensibles : III.1.5.1. Caractristiques gnrales : AuvududesinIormationsrecueilliesau cours delarecherchebibliographique|2,3,4|, nousavonsdegageuncahierdechargesdespolymeresdontlerleestdesensibiliserla Iibre au gaz a detecter. Le polymere ou la Iamille de polymeres doit : Etretransparentethomogene :aucoursdelapropagationdelalumieredansune Iibre, une partie de l`energie penetre dans la gaine optique. Celle-ci doit donc posseder lesmmesproprietesde transparencequelecour.Deplus,ladiIIusiondelalumiere au cours de sa propagation diminue la sensibilite du capteur, d`ou la necessite d`obtenir un materiau homogene. Avoir un indice de reIraction proche de celui de la silice ou de la gaine BienadhereralasurIacedelasiliceetnepaspresenterd`inhomogeneitea l`interIace cour gaine aIin d`eviter toute diIIusion de la lumiere. Etre elastomere : la detection est Iavorisee par une viscosite moyenne du polymere. Contenirlesgroupementschimiquessusceptiblesdecapteretdesolubiliserles moleculesadetecter :l`absorptiondugazdanslepolymeredependeneIIetdela diIIusion du produit et de sa solubilisation Iavorisee par l`aIIinite chimique entre le gaz etlesIonctionsporteesparlepolymere.Deplusl`arriveedugazpeutprovoquerune variation de polarisabilite electrique des Ionctions constituant le polymere. Chapitre III .Fonctionnalisation chimique du capteur 45 III.1.5.2. Gnralits sur les htropolysiloxanes (HPS) Initialement,lespolysiloxanesconstituaientunmateriaudebasepourlesrevetementsde metaux anticorrosion, resistants a l`abrasion et aux rayures. Leur champ d`application a ete etendual`obtentiondemateriauxIonctionnalisestelsquedesmembranes,desplans optiques,desguidesd`ondesetdeslentillesdecontact.Parsuite,l`utilisationdesHPS s`estetendueaudomainedescapteurschimiques.LesHPSsontutilisescomme membranesselectivesdansdescapteurschimiquesutilisantdesphenomenesde transductionsdiIIerents :microbalances,capteurscapacitiIsetcalorimetriques.Depuis quelquesannees,cesmembranessontintroduitesdansledomainedescapteursoptiques. CesHPSpeuventtreclassescommedespolymeressilicones,contenantdesIonctions chimiquessusceptibles d`tregreIIeessurlasilice.Lasquelettedebasedecescomposes est un enchanement siloxaneSi-O-Si. Des groupements organiques lateraux R, R`, R et R`branchessurl`atomedesilicium,apportentunemodiIicationchimiqueaureseau, particulierement interessante dans le cadre de l`elaboration d`un materiau mixte. OROR` OR`` OR``` O Si O Si OSi O SiO OHOHOH OH Enchainement tvpique des heteropolvsiloxanes III.1.5.3. Polymres htropolysiloxanes commercialiss Comptetenudesresultatsexposes precedemment,l`indice dupolymeredoittrecompris entrel`indicedelasiliceetceluidelagaineoptique.Abdelghani|4|s`estinteresseau Poly-3,3,3-Iluoropropyl-methylsiloxane,d`indice1,381etlepoly-3,3,3-triIluopropyl-methylsiloxane 50 dimethylsiloxane copolymere d`indice 1,387. Chapitre III .Fonctionnalisation chimique du capteur 46 III.1.5.4.Dpt de polymre sur la zone sensible de fibre Parmilesgrandsproblemesrencontresdanslapreparationdescapteurs,ledeptdu polymere n`a pas ete Iacile a resoudre. Etant donnee la structure cylindrique de la Iibre et laposition centralede lapartiesensibleducapteur,plusieurstechniques onteteutilisees. Latechniquede dip-coating estl`unedesmethodeslesplusutilisees.Ellepermet d`avoir un dept homogene. C`est cette methode que nous avons utilisee (cI. chapitres VI et VII). D`autres auteurs ont utilise la methode de la goutte |3|, qui consiste a deposer une goutte de polymere a l`aide d`une pipette pasteur sur la partie sensible de la Iibre. L`inconvenient majeur de cette technique c`est l`inhomogeneite du dept. Des capteurs ont ete realises par cettetechnique.Lescourbesexperimentalesobtenuesaveclepolymereseuletavecle melangeethylene-glycolsontdiIIerentes|4|.Pourameliorerlatechniquededept,une pipettepasteurestboucheeauneextremiteavecdusilicone.Lepolymereversesurune certaine hauteur permettant de couvrir la partie sensible du capteur. La Iibre est immergee danslapipettepasteurpendanttroisheures.CettemethodeestpluseIIicacequela precedente. L`epaisseur est estimee a 15m par microscopie optique. III.2. Capteurs de corrosion : Pour les capteurs de corrosion,la membrane sensible est un Iilm metallique depose sur la partiesensibleducapteuraIibreoptique.Ensuite,lecapteurestmisdansunesolution corrosive.Desquelacorrosionpersiste,unepartiedelagainemetalliques`enleveetle cour de la Iibre se trouve en contact direct avec la solution. Le signal optique change et la corrosion est detectee |5, 6| (cI. chapitres IV et V). III.2.1. Dpt chimique de cuivre : LecourdelaIibreestensilice.Ledeptchimiquedirectducuivresurlecourest impossible. Donc pour realiser le dept, on depose d`abord une couche de palladium entre lecouretlacouchemetalliquequ`onveutdeposer.Ledeptdelacouchemetalliquese Iait alors en quatre etapes comme le montre la Iigure III-3 |7, 8, 9|:Chapitre III .Fonctionnalisation chimique du capteur 47 Etaped`activationdelasurIace:lapremiereetapeconsisteaimmergerlapartie sensible du capteur dans une solution collodale de Pd /Sn pendant 20 minutes, Accelerationdel`activation : quiconsisteaimmergerlaIibredansunesolution d`acidechlorhydriquede1NpendantquelquesminutespourIaireapparatrelessites actiIs sur lesquels va se deposer le cuivre, LatroisiemeetapeconsisteamorcerledeptdecuivreenintroduisantlasurIace activee dans une solution de cuivre saturee. Le cuivre va se deposer sur les sites actiIs et constitue le germe de dept. EnIin, le dept de cuivre se propage sur toute la surIace active.

Figure III-3. Etapes du dpt chimique de cuivre. III.2.2.Mthode d`vaporation thermique: Une Iois la Iibre optique denudee dans sa partie centrale sur une longueur de 5 cm, la zone denudeeestnettoyeeparIaitementavecdessolutionssuccessivesd'acetone,d'ethanolet d'eau desionisee. La Iibre est ensuite introduite dans une machine d'evaporation thermique sous vide (Iigure III-4). Etape d`activation : adsorption du collodale Pd/Sn Etape d`acclration Site de Pd / Sn Substrat en silicium Couche stabilise Germe de dposition mtallique Etape d`initiation de dptde cuivreEtape finale: dpt mtalliqueDposition mtallique Site de Pd / Sn Substrat en silicium Substrat en siliciumSubstrat en silicium Chapitre III .Fonctionnalisation chimique du capteur 48 Valves controlroughing backing closed Aluminium Filament Fibre Systeme de rotation Chambre d`evaporation Admittance du gaz Air Figure III-4. Evaporateur thermique Un systeme mecanique permet la rotation de la Iibre durant la phase de dept pour obtenir un Iilm homogene. La conIiguration de l'evaporateur limite la longueur totale de la Iibre a 25 cm et la longueur de la zone sensible a 8 cm. L`evaporationdemetal(l`aluminiumestprescommeexemple)estrealiseesousune pressiond`environ10-7atmosphere,dansuneenceinteenverre,laIibre(substrat)est placeejusteenIaceducreusetremplid`evaporat(poudreoubarrettesmetalliques).Le creusetestchauIIeaplusde1000C,suivantlanaturedelasubstanceaevaporer;ilya alors ebullition puis evaporation du metal qui se depose sur le la zone denudee de la Iibreetsurlesparoisinterieuresdel`enceintedetravail.L`epaisseurd`aluminiumdeposeeest determineeparlaquantited`aluminiumevaporeeainsiqueparl'intensiteelectrique chauIIantlecreusetremplid`evaporat.DesveriIicationsd'epaisseurrealiseessurdes lamelles en verre introduites et mises a proximite de la zone sensible ont montre une tres grandereproductibilitedesdeptsetunetresbonneappreciationdel'epaisseur.Destests ont en eIIet ete eIIectues avec un proIilometre (Dektak). Chapitre III .Fonctionnalisation chimique du capteur 49 III.3.Dtermination du point de fonctionnement du capteur : CetteoperationestnecessairepourdeIinirlesconditionsexperimentalesaIind`obtenirla meilleure sensibilite du capteur. Il s`agit en Iait de choisir l`angle d`incidence du Iaisceau collimate sur la Iace d`entree de la Iibre. Un milieu dont on peut aisement changer l`indice dereIractionentre1.405et1.457estunmelangeliquideeau/triethyleneglycol.La variationd`indiceprovoqueparunchangementdesproportionsdumelange.Lemelange doittretransparentpours`aIIranchirdesvariationsdelapuissancelumineusepropagee par absorption d`ondes evanescentes. Il doit aussi tre homogene, miscible et inerte. Nousavonschoisid`utiliserdesmelangeseau/triethyleneglycolcarsesmolecules hydrocarboneespeuventtredissoutesdansl`eausansionisationouchangementd`etat chimique qui Ierait varier leur Iraction molaire |2|.Ensuite, a ete mene un ensemble d`experiences qu`on peut nommer etalonnage qui consiste aenregistrerlescourbesP(u)lorsquelaIibreestimmergeedansdessolutionsliquides d`indice variable. On obtient ainsi le reseau de courbes presente sur la Iigure III-5. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 -50-40-30-20-1001020304050 n = 1.411 n = 1.426 n = 1.435 Figure III-5. Courbes exprimentales P( ) obtenues avec des mlanges eau/trithylne glycol d'indices diffrents Puissance lumineuse reduite Angle d`incidence (degre) Chapitre III .Fonctionnalisation chimique du capteur 50 00,050,10,150,20,250,30,350,40 5 10 15 20 25 30 35 40 45P(n=1.426) - P(n=1.411)P(n=1.435) - P(n=1.426)P(n=1.435) - P(n=1.411) Figure III-. Angle sensible du capteur fibre optique L`anglesensibleestentre12et15,commelemontrelaIigureIII-6.Parcontredans plusieurs cas reels comme le suivi de la corrosion par exemple, l`angle sensible ne depasse pas 12. Puissance lumineuse relative (V) Angle d`incidence (degre) Chapitre III .Fonctionnalisation chimique du capteur 51 Bibliographie : |1| C. Ronot, These de l`Ecole Centrale de Lyon (19998) |2|M.Archenault,H.Gagnaire,J.P.Goure,N.JaIIrezic-Renault,Sens.Actuators,B5 (1991) 173179. |3| R. Kherrat, These de l`Ecole Centrale de Lyon (1996)|4|A Abdalghani, These de l`Ecole Centrale de Lyon (1992) |5|M.Benounis,N.JaIIrezic-Renault,G.StremsdoerIer,R.Kherrat,Sensorsand Actuators B 90 (2003) 9097 |6| M. Benounis, N. JaIIrezic-Renault, Sensors and Actuators B 90 (2004) 18 |7| J.R. Martin, E. Queau, G. StremsdoerIer in: 184th Meeting oI Electrochemical Society, Honululu, Hawaii, 1993. |8| F.A. Lowenhein, Modern electroplating, third ed., Wiley/Interscience, 1974. |9| M. Froment, E. Queau, J.R. Martin, G. StremsdoerIer, J. Electrochem. Soc. 142 (1995) 33733377. CHAPITRE IVSUIVI IN SITU DE CORROSION DE CUIVRE PAR CAPTEUR A FIBRE OPTIQUEChapitre IJ .Suivi in situ de corrosion de cuivre par CFO 52 Rsum : Ladegradationparcorrosiondesstructuresmetalliquesestunproblemepersistant,en particulier les structures exposees a des environnements corrosiIs |1-6|. Malheureusement, la corrosion est un phenomene que l`on ne peut que detecter. Par ce Iait, une Iorte demande de suivi in situ de corrosion existe. Des travaux ont montre qu`iletaitpossibled`integrerdesIibresoptiquesdansdesstructuresmetalliquessans modiIicationsigniIicativedesproprietesmecaniques,etqu`ellespourraientdonnerune bonne indication de l`etat de corrosion et reduire ainsi le cot d'entretien. L`objectiI dupresent chapitre consiste a developper eta tester des capteurs a Iibre optique decorrosiondontlapartiesensibleestcouverteparunecouchemetalliquedecuivre.Le testestrealiseparlecouplagededeuxmethodes :lamethodeoptiqueetlamethode electrochimique.L`ideeestoriginale,elleconsisteacouplercesdeuxmethodesen correlantlesparametresdecrivantleprocessusoptiqueetceuxquidecriventleprocessus electrochimique. Cette approche permet d`avoir une idee plus precise sur le pourcentage de surIace corrodee.Ce couplage montre que la degradation de la surIace metallique de cuivre par corrosionest uniIorme,pourlesacidesIaibles.OnamontrequelecapteurIabriqueestsensiblepour des concentrations d'acide elevees. Ceci a ete detecteparles mesures electrochimiques et conIirme par les tests optiques. Chapitre IJ .Suivi in situ de corrosion de cuivre par CFO 53 Sensors and Actuators B 9 (23) 9-97 Elaboration and standardization of an optical fibre corrosion sensor based on an electroless deposit of copper M. Benounisa,b, N. 1affrezic-Renault a,` , G. Stremsdoerfera, R. Kherratb aLaboratory oI Engineering and Functionalization oI SurIaces, UMR CNRS 5621, Ecole Centrale de Lyon, BP 163, 69134 Ecully Cedex, France bLaboratory oI Physicochemistry oI InterIaces, Annaba University, BP 139, Oued Kouba, Annaba, Algeria Abstract ThegoaloIourpresentworkistodevelopandtestanopticalIibrecorrosionsensor (OFCS)IabricatedbyanelectrolesscopperIilmdepositionontoanopticalIibrecore withinthesensingregion.Inourcase,corrosionmonitoringwascarriedoutbytwo methods:opticalandelectrochemicalmethods.Theideaconsistsistocouplethesetwo methodsbycorrelatingtheparametersdescribingtheopticaldetectionandthosewhich describe the electrochemical corrosion process. This approach, once is carried out, makes it possibletogainmorepreciseinIormationondegradationwithinhiddenpartsoImetallic structures. Keywords: Optical Iibre sensor; Corrosion; Potentiometric detect