Modélisation et simulation de la propagation optique dans une fibre optique multimode précontrainte : Conception de capteurs à fibre optique à modulation d’intensité dédiés à la mesure de températures et d’étirements

par Anthony Bichler

Thèse de doctorat en Optique et laser

Sous la direction de Bruno Serio.

Soutenue en 2011

à Strasbourg .


  • Résumé

    Ce mémoire présente la modélisation, la simulation et la conception d’un nouveau capteur de température et d’étirement à fibre optique à modulation d’intensité dont l’élément sensible constituant le transducteur, est composé d’une fibre optique multimode à saut d’indice pincée entre deux mâchoires micro-structurées. L’effet du pincement produit des perturbations locales périodiques de la géométrie et de l’indice optique des éléments constitutifs de la fibre (cœur et gaine). Pour modéliser les couplages radiatifs dus à la courte période de perturbation, nous avons choisi d’utiliser un modèle électromagnétique du couplage de modes développé initialement par Dietrich Marcuse. Cette simulation nous a permis de déterminer la sensibilité du transducteur en fonction de ses caractéristiques propres. A partir de ces résultats, nous avons choisi les paramètres pour dimensionner le capteur en fonction de l’application visée. Les premiers prototypes des mâchoires des transducteurs ont été microstructurés en créneaux de 20 microns de profondeur et de période comprise entre 50 microns et 100 microns gravés dans du métal par usinage au laser femto-seconde. Après évaluation, nous avons proposé et contribué à développer un procédé de fabrication en grande série des mâchoires par injection plastique très performant. Les tests des premiers démonstrateurs de capteur ont permis de valider les modèles de calcul et révélés une réponse expérimentale linéaire en fonction du mesurande. Nous présentons les méthodes d’étalonnage statique et dynamique que nous avons proposées pour établir les spécifications métrologiques du capteur.

  • Titre traduit

    Modeling and simulation of light propagation in a pre-perturbed multimode optical fiber : conception of light modulation optical fiber senso dedicated to température and strain measurements


  • Résumé

    This manuscript presents the modeling, simulation and design of a new kind of light modulation optical fiber sensor for temperature and strain measurement. The transducer consists of a multimode fiber step index clamped between two micro-structured jaws. The clamping effect generates local periodical perturbations of both the geometry and the fiber refraction indexes (core and optical cladding). In order to compute the radiative coupling occurring when the waveguide is perturbated by a mechanical deformation of short period, we have chosen to use an electromagnetic model of modes coupling initially developed by Dietrich Marcuse. The simulation allowed us to determine the transducer sensitivity according to its specific characteristics. From these results we have chosen the parameters useful to design the sensor versus the aimed application. The first jaws prototypes of transducers have been microstructured in rectangular pattern etched in metal by femto-second laser micromachining. The elementary pattern size was of 20 micrometers of depth and the pattern layout period was ranging from 50 micrometers to 100 micrometers. After evaluation, we proposed to develop a large scale fabrication process of the jaws using plastic injection which was very efficient. The experimental tests of the first sensor prototypes allowed the validation of the computing models and showed a linear response of the sensor versus the measured physical parameter. We present the static and dynamic calibration methods that we have implemented to establish the metrological specifications of the sensor.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (191 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 184-191

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  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Danièle Huet-Weiller.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2011;1127
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