MESURE VECTORIELLE DE CHAMP ÉLECTRIQUE DC-THZ PAR VOIE OPTIQUE (HDR)

From DC to THz Vectorial Electric Field measurement via Optical Probing: This work is focused on the non-invasive and ultra-wide band characterization of the electric-field, basedon the linear electro-optic (EO) effect. The analytical, numerical et experimental analyses of the EO crystals and relatedimplementations have led to the development of innovative pigtailed sensors. Thanks to their frequency response spreading over nine decades of frequency and to their measurement dynamics reaching 120 dB (from 1 V/m up to more 4 MV/m), these sensors are of high interest for many applications such as near field mapping, high power microwaves or biological dosimetry. Furthermore, due to their fully dielectric structure and millimetric size, almost no perturbation is induced on the E-field to be measured, even in the near field region or within a plasma. The use of such a technology for electrical equipments and energy lines monitoring is also investigated.The achievements concern also the terahertz (THz) time-domain spectroscopy. In this context, the shape of aTHz surface plasmon (SP) has been managed using a single curved grating engraved onto an aluminium substrate : thedevice ensures the coupling, the propagation together with the focusing of a SP at 500 GHz. The second thematic associated to this frequency range is dedicated to adjustment and control of the THz polarization state in free space configuration. Using an isotropic non linear crystal, the homogeneous transverse linear and non-linear effects can be exploited in order to manipulate the emitted THz polarization state as well as to analyse the transient evolution of the THz field vector. This original technique allows to perform THz polarimetric spectroscopy avoiding drawbacks of traditional devices (limited bandwidth, poor selectivity, low technology readiness level, cost, . . . ).Furthermore, breakthrough innovations, collaborations and awards recognitions have contributed to launch a company :Kapteos. The identified and validated markets are the following ones : Scientific (plasma diagnostic, intentional electro-magnetic interference, THz passive devices, . . . ), Healthcare (Human dosimetry, endoluminal MRI, . . . ) and Energy (smart grids monitoring, high-voltage system diagnostic, . . . ).Keywords : electro-optic, Pockels’effect, electric field sensor, ultra-wide bandwith, terahertz, microwaves.Mesure Vectorielle de Champ Électrique DC-THz par Voie Optique:L’axe central de ces travaux concerne le développement de techniques de mesure non invasives et ultra-largebande de champ électrique, basées sur l’effet électro-optique (EO). Différentes configurations et implémentations decristaux non-linéaires ont été étudiées de manière analytique, numérique et expérimentale. Ces travaux ont permis d’aboutirà des capteurs fibrés aux propriétés innovantes. Les sondes EO diélectriques réalisées sont de dimensions millimétriques ;elles autorisent une caractérisation vectorielle et très faiblement perturbatrice du champ sur plus de 9 décades de fréquence.La dynamique de mesure excède 120 dB. Des mesures de champ électrique depuis 1 V/m et jusque plus de 4 MV/m ontété démontrées. La sélectivité vectorielle de cette technique dépasse 50 dB et la résolution spatiale est largement sub-millimétrique. Le champ d’application de ces capteurs est très large : la cartographie en champ proche, la caractérisationde source micro-onde de forte puissance, l’évaluation de l’exposition électromagnétique d’un milieu biologique, l’analyse dedécharges partielle et totale, la mesure de tension sans contact ou encore le diagnostic in-situ de source plasma.Ces travaux sont également tournés sur la spectroscopie térahertz (THz) dans le domaine temporel. Ilsconcernent premièrement la manipulation de plasmon de surface : un réseau millimétrique courbé et gravé sur une simpleplaque d’aluminium a permis d’assurer le couplage, la propagation et le confinement latéral d’un plasmon à la fréquence de500 GHz. Le second axe de recherche associé à cette thématique THz concerne l’ajustement et le contrôle ultra-large bandede la polarisation d’une onde THz se propageant en espace libre. L’utilisation de cristaux non-linéaires isotropes a permisd’exploiter conjointement l’isotropie transverse de la constante de propagation linéaire et des effets non-linéaires assurant latransduction optique-THz et ce, pour l’émission aussi bien que pour la détection d’onde THz . Une telle technique autoriseune analyse polarimétrique unique et originale, tout en s’affranchissant des contraintes inhérentes à l’utilisation de dispositifsspécifiques THz (bande passante et sélectivité limitées, encombrement, maturité technologique, coût).Par ailleurs, les innovations de rupture, les résultats obtenus et les partenariats initiés jusqu’en 2009, ainsi que des prixet distinctions d’innovation, ont contribué à la création d’une entreprise de haute technologie : Kapteos. Les marchés viséset avérés sont : l’instrumentation scientifique (diagnostic de plasma, agression électromagnétique, composants passifs THz,. . . ), la santé (exposition électromagnétique du corps humain, IRM endoluminale non invasive, . . . ) et l’énergie (surveillancede réseau d’énergie intelligent, diagnostic de système haute tension, . . . ).Mots clés : électro-optique, effet Pockels, capteur de champ électrique, ultra large bande, térahertz, hyperfréquences

Conversion électro-optique du signal et découplage actif d'un capteur IRM endoluminal à liaison optique

International audienceUne boucle endoluminale radiofréquence (RF) située à proximité de la zone à examiner permet d'avoir localement un rapport signal sur bruit élevé qui peut être mis à profit pour augmenter la résolution spatiale des images de RM. Ce type de capteur permet en particulier d'analyser la paroi de l'intestin qui permettrait d'améliorer le bilan d'extension tumorale [1]. Malheureusement, les câbles coaxiaux, couramment utilisés pour transmettre le signal RMN et le courant nécessaire au découplage actif du capteur de réception, peuvent induire des échauffements des tissus compromettant l'utilisation clinique d'un tel capteur. En effet, le champ électrique E z accompagnant le champ magnétique RF B 1 , induit des courants RF le long du câble et augmente ainsi le taux d'absorption spécifique (TAS) local [2]. Afin d'assurer la sécurité du patient, l'utilisation d'une connexion optique est une solution alternative élégante pour supprimer ces risques d'échauffements. La conversion électro-optique (EO) des signaux [3] et le découplage optique [4] sont démontrés sur la base d'un capteur endoluminal

Conversion électro-optique du signal et découplage actif d'un capteur IRM endoluminal à liaison optique

International audienceUne boucle endoluminale radiofréquence (RF) située à proximité de la zone à examiner permet d'avoir localement un rapport signal sur bruit élevé qui peut être mis à profit pour augmenter la résolution spatiale des images de RM. Ce type de capteur permet en particulier d'analyser la paroi de l'intestin qui permettrait d'améliorer le bilan d'extension tumorale [1]. Malheureusement, les câbles coaxiaux, couramment utilisés pour transmettre le signal RMN et le courant nécessaire au découplage actif du capteur de réception, peuvent induire des échauffements des tissus compromettant l'utilisation clinique d'un tel capteur. En effet, le champ électrique E z accompagnant le champ magnétique RF B 1 , induit des courants RF le long du câble et augmente ainsi le taux d'absorption spécifique (TAS) local [2]. Afin d'assurer la sécurité du patient, l'utilisation d'une connexion optique est une solution alternative élégante pour supprimer ces risques d'échauffements. La conversion électro-optique (EO) des signaux [3] et le découplage optique [4] sont démontrés sur la base d'un capteur endoluminal

Low cost power and flow rates measurements in manufacturing plants

International audienceThe ability to measure, monitor and control energy consumption at several key locations in a manufacturing plant is a major prerequisite for any efficient energy management program. To identify and evaluate energy savings, one must get a clear view of how the energy is used. Furthermore, measuring energy flows is one of the necessary conditions for long lasting energyefficient solutions. Most of the time energy managers are reluctant to put in place power and flow rate measuring devices either because of their cost or because this implies stopping production. To find acceptable and economical solutions for long lasting energy measurements in Industry, EDF R&D launched a 3-year collaborative research project called CHIC. This project is funded by the French National Research Agency (ANR) and involves 7 partners. Its total budget amounts to 2.55 M€. This project serves two purposes: to build a clamp-on power meter that could be installed around multi-conductors power cables without interrupting power supply, and to build power and flow meters that derive the sought-for variable from mathematical models and from simple and easy to collect other physical measurements (e.g. command signals, etc...)

Optical sensing for the vectorial analysis of ultra-wideband electric field - requirements, performances and applications

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3-Axis optical sensor for real time and vectorial analysis of UWB electric field

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Caractérisation de champs électriques hyperfréquences par capteurs électro-optiques vectoriels fibrés

Les champs électriques hyperfréquences guidés ou rayonnés sont couramment caractérisés avec des sondes métalliques ou des antennes. Ces techniques de mesures présentent d'importantes limitations : une bande de fréquence relativement étroite, une faible résolution spatiale et une perturbation significative du signal à mesurer. Les capteurs électro-optiques (EO) fibrés développés dans cette thèse sont complètement diélectriques, minimisant ainsi la perturbation induite sur la mesure. Ils sont basés sur l'effet Pockels, lequel consiste en une modification des indices de réfraction d'un cristal EO induite par un champ électrique. Nous avons utilisé la modulation d'état de polarisation et d'amplitude induite par le champ sur un faisceau laser pour exploiter cet effet. La résolution spatiale transverse de ces capteurs dépend de la forme du faisceau à l'intérieur du cristal et peut atteindre 10 mm. La sélectivité aux composantes du champ est directement liée aux modifications des axes diélectriques propres du cristal. Alors qu'un cristal anisotrope (LiTaO3 ou DAST) a permis de mesurer vectoriellement une composante du champ électrique avec une sélectivité supérieure à 46 dB, un cristal isotrope (ZnTe) a permis une caractérisation simultanée des deux composantes du champ avec un seul cristal et un seul faisceau sonde. Nous avons ainsi validé les avantages inhérents à la caractérisation de champs électriques hyperfréquences par capteur EO comparativement aux techniques telles que les antennes, les bolomètres, la thermographie infrarouge, ...Microwave guided or radiated electric (E) fields are usually characterized using metallic probes or dipole antennas. This kind of measurement presents important limitations: a relatively narrow frequency bandwidth, a quite low spatial resolution and a significant disturbance of the signal to be measured. In this PhD Thesis, the developed pigtailed electro-optic (EO) sensors are fully dielectric, thug minimizing the perturbation induced on the signal to be measured. They are based on the Pockels' effect which consists in a modification of the refractive indices of an EO crystal induced by an applied E field. Finally, we have used two types of modulation in order to exploit the Pockels' effect : our pigtailed EO sensors are either based on polarization state modulation or on amplitude modulation. Their transversal spatial resolution depends on the shape of the laser beam inside the EO crystal and can be of the order of 10 j1,m. The selectivity to E field components is directly linked to the modification of the eigen dielectric axis of the EO crystal induced by the applied E field. While anisotropic crystals (e.g. LiTaO3 or DAST) allow us to measure one component of the E field (a selectivity of 46 dB has been reached), isotropic crystals (ZnTe) provide a simultaneous two-components E-field measurement using a single crystal and a single laser probe. We have demonstrated the advantages of E-field measurements using EO sensors compared to other techniques like antennas, bolometers, infrared thermography, ...CHAMBERY -BU Bourget (730512101) / SudocSudocFranceF

Insertion Loss Free Measuring Antenna

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Towards a fully non invasive probe for SAR assessment in MRI phantom experiments

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