MESURE VECTORIELLE DE CHAMP ÉLECTRIQUE DC-THZ PAR VOIE OPTIQUE (HDR)
Résumé
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, based
on the linear electro-optic (EO) effect. The analytical, numerical et experimental analyses of the EO crystals and related
implementations 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 a
THz surface plasmon (SP) has been managed using a single curved grating engraved onto an aluminium substrate : the
device 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-large
bande de champ électrique, basées sur l’effet électro-optique (EO). Différentes configurations et implémentations de
cristaux non-linéaires ont été étudiées de manière analytique, numérique et expérimentale. Ces travaux ont permis d’aboutir
à 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 ont
été 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 caractérisation
de source micro-onde de forte puissance, l’évaluation de l’exposition électromagnétique d’un milieu biologique, l’analyse de
décharges 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. Ils
concernent premièrement la manipulation de plasmon de surface : un réseau millimétrique courbé et gravé sur une simple
plaque d’aluminium a permis d’assurer le couplage, la propagation et le confinement latéral d’un plasmon à la fréquence de
500 GHz. Le second axe de recherche associé à cette thématique THz concerne l’ajustement et le contrôle ultra-large bande
de la polarisation d’une onde THz se propageant en espace libre. L’utilisation de cristaux non-linéaires isotropes a permis
d’exploiter conjointement l’isotropie transverse de la constante de propagation linéaire et des effets non-linéaires assurant la
transduction optique-THz et ce, pour l’émission aussi bien que pour la détection d’onde THz . Une telle technique autorise
une analyse polarimétrique unique et originale, tout en s’affranchissant des contraintes inhérentes à l’utilisation de dispositifs
spécifiques 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 prix
et distinctions d’innovation, ont contribué à la création d’une entreprise de haute technologie : Kapteos. Les marchés visés
et 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 (surveillance
de réseau d’énergie intelligent, diagnostic de système haute tension, . . . ).
Mots clés : électro-optique, effet Pockels, capteur de champ électrique, ultra large bande, térahertz, hyperfréquences.