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Mesure vectorielle de champs électriques microondes et de température par transducteurs électro-optiques
Maxime Bernier
To cite this version:
Maxime Bernier. Mesure vectorielle de champs électriques microondes et de température par transduc- teurs électro-optiques. Autre. Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG, 2008. Français.
�tel-00374590�
INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE
N° attribué par la bibliothèque
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T H E S E pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’INPG
Spécialité : Optique et Radiofréquences
Préparée à l’ Institut de Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique - LAboratoire d’Hyperfréquences et de Caractérisation
dans le cadre de l’ Ecole Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal (EEATS)
présentée et soutenue publiquement par
Maxime Bernier
le 25 novembre 2008
Mesure vectorielle de champs électriques microondes et de température par transducteurs électro-optiques
Directeur de thèse : Pr. Lionel Duvillaret
JURY
Dr. Olivier LESAINT , Président
Pr. Paul CROZAT , Rapporteur
Dr. Laurent CHUSSEAU , Rapporteur
Mr. Pierre BRUGUIERE , Examinateur
Mr. Nicolas BREUIL , Examinateur
Pr. Lionel DUVILLARET , Directeur de thèse
Je tiens àremerier l'ensembledes personnes qui ont ontribué, de près ou de loin,
à l'aboutissement de es travaux de thèse, en ommençant par mon direteur de thèse,
Lionel Duvillaret, dont l'expertise, les onseils avisés, la sympathie, l'enthousiasme et
l'optimisme ont su me motiver au travail (si besoin était). Je tiens à le remerier plus
partiulièrementpour m'avoir faitonane pendant es trois années, annéesdurant les-
quelles j'ai déouvert et apprisun métierpassionnant,elui d'enseignantherheur.
JeremeriebienévidemmentlaDélégationGénéraledel'Armementpoursonsoutien
nanier sans lequel ette thèse n'auraitpas vu le jour. Mais bien plus que de remerier
l'organisme,jevoudraisremeriermessieursPierreBruguière,JeanLouisLasserreetAlain
Paupert du entre d'étude de Gramat, pour leurs onseils, leur professionnalisme etleur
perfetionnisme.
Je remerie Messieurs Franis Balestra et Gérard Ghibaudo de m'avoir aueilliau
sein du laboratoireave tout leonfort dont j'aipu jouirdurant ette thèse.
Je remerie l'ensemble des membres du jury pour leur présene, d'une part, sans
laquellejen'auraisbienévidementpas pusouteniretdéfendreeprojetde troisans,pour
leur intérêt apparent pour le sujet, pour leur indulgene quantaux légers retardsqui ont
amputélesdélaisquileurétaientimpartispourlaletureetlaorretionde e manusrit
(aveunementionspéiale,aompagnéed'exuses,auxdeuxrapporteurs,messieursPaul
Crozatet LaurentChusseau), et pour leurrapiditéà rendrerapportsetompte rendude
soutenane. Pour toutes es raisons,je tiens enoreune foisà remerier messieurs Lionel
Duvillaret, Olivier Lesaint, Laurent Chusseau, Paul Crozat, Pierre Bruguière et Niolas
Breuil.
LAHC auprès de qui les journées de travail ne paraissaientpas aussi longues qu'elles ne
l'étaientréellement.Jene m'hasarderaipas àénumérer,de peur d'en oublier,lesqualités
de haune des personnes que j'ai eu la hane de toyerdurantes trois années, etqui
ont ontribué à réer ette ambiane à la fois sérieuse et haleureuse, et qui m'ont fait
oublier si souvent la onnotation laborieuse du mot " travail ". Toutefois, je remerie
partiulièrement Gregory Grosa et Niolas Corrao dont les ompétenes tehniques et
l'organisationm'ont été d'uneaide inestimable.Je tienségalementà mettresous lesfeux
de larampelapatiene dontils ontfait preuve àmon égard,et quifût sans auundoute
une qualité indéniable et une ondition sine qua non de la réalisationdu démonstrateur
présenté dans e manusrit.
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mòl{¤y}n{ lnlxmn
DaddyetMoune...Meripour m'avoirdonné,deparvotresoutienquotidien,l'envie
d'aller jusqu'au bout de toutes es hoses que vous m'avez laissées hoisir. Meri pour
avoir sans esse ru en moi, poussant haque fois un peu plus loin mes folles ambitions
raisonnables. Et meri surtout pour tout l'amourque vous nous avez donné et qui à fait
de nous des enfantsers que vous soyez ers de nous. Jesais quevous êtes onsients de
toutes es banalités mais seuls les érits restent, et omme on ne rappelle jamais assez
aux personnes que l'on aime la plae qu'elles oupent dans nos têtes, nos oeurs et nos
vies,jeprotedeesquelquespagesderemeriementspourexprimereshosesréellement
importantes.Sansvousenrendreompte,vousnousavezappristantdehosesessentielles
qui m'apparaissent omme des évidenes aujourd'hui, que je ne peux pas m'empêher
d'en faire ma ligne de onduite. Seuls les érits restent...et seule la liberté engendre
l'innovation, alors les quelques lignes qui suivent seront la preuve de la liberté que vous
m'avez donnée préieusement, que j'ai appris à défendre et que je donnerai à mon tour.
Certes...
Unepartie 'est : intro, développement et onlusion!
QuelleRigueur! Qualitésientique augoût aigre
Que j'assaisonne d'un peu d'imagination
Ça vaut e que çavaut, sûrement pas grand-hose
Maisça vient d'où çavient, etpour vous j'ose
Meri! Meri à qui? Meri pour quoi?
Tous étaientlà e 25 novembre 2008
Dansette immense pièe devenue presque trop p'tite
Etpeu importe qu'ilsaient été présents oupas
C'est laseule image qu'ilme restera
Lesuns, d'unair dubitatif,feignant de omprendre,
Lesautres, médusés d'y arriver un p'tit peu
Lamajoritén'était pas làpour apprendre,
Maispare que "On tient à toiqu'est e quetu veux! "
Biensûr, ertainsvous dirontque je romane,
Que j'étaisseul devant, sans grand mondeen fae,
Bientrop onentré pour me rendreà l'évidene
Que leurs obligationsavaient vidéette lasse
Maispour mon oeur, en e jourplus libreque matête,
Jamais un amphi n'avaiteu telle allurede fête
Alors,que leshires medonnent raison outort
Qu'importe, vous y étiez sans regret niremord
J'étais le roisur l'éhafaud que soue labise
A e balpeu banal,sans foule nipresse loale
Dans mon habit de sène je donnais mon réital
Trois quarts d'heure de représentation passés sivite,
Etourdissant lesprinipes de la relativité
Trois quarts d'heure d'émotions si paisibleset sivives
Pour pontuer lavie d'un étudiant omblé
Ce journ'en était que lepointd'exlamation
N'ayant auune raisond'être sans les mots quipréèdent,
N'ayant eux pour intérêtque leurs dénitions
Sans un agenement voulu, que la providene aide
Ce momentn'était que lademi-adene
D'un moreau ommené depuis mon enfane
Je viensd'en hanter lepremier ouplet
Et vous m'aiderez à érireles prohains versets
Tantt enrier,plume, buvard, ouenore gomme
Il en est d'entre vous qui m'apaiseet me raisonne
Personnels, possessifs, ou bien indénis,
Il en est d'autres, démonstratifs, qui medonnent envie
Quand ertains, dans leur rle de virgule, me reposent
D'autres, omme un sonnet aumilieu de la gurede style
Grattent la ordesensible qui m'inspirelavie en prose
Doux shizo etmaintenant doteur, vous êtes mon asile
Vous êtes sans auun doute lamuse quime l'inspire
Sinaïvement je pense en être le metteur en sène,
Jesais que l'amitién'est pas une oeuvre de Shakespeare
Alorssi j'ai pu érire e premierate
C'est quevous m'avez donné les moyens de le faire
Etn'en déplaise àeux qui metrouveront réa
Point de motivation sans votre amourpour salaire
Quelqu'un a dit" On est e quel'on fait"
Etj'ai fait e que vous m'avez disrètement dité
Voyons don en nous nos interations qui sereètent
Alorspour avoirfait de moie queje suis en étante que vous êtes,
Millemeris à tous!Mille merispour tout!
Introdution 1
I Les sondes de mesure de hamps életriques hyperfréquenes
5
1 Les diérentes tehniques de mesures de hamps hyperfréquenes 7
1.1 Mesures quadratiques du hamp életrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.1 Mesures basées sur un eetthermique . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.1.1 Bolomètres etalorimètres . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.1.2 Thermographie infra-rouge. . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.1.3 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.2 Mesures basées sur l'eet Franz-Keldysh . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2 Mesures linéairesdu hamp életrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.1 Les antennes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.1.1 L'antenne en tant qu'impédane. . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.1.2 L'antenne en tant qu'élémentrayonnant . . . . . . . . . . 19
1.2.1.3 Antenneative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.1.4 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.2 Les déteteurs diéletriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2 Les sondes EO basées sur l'eet Pokels 35 2.1 Les diérents dispositifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.1.1 Prinipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.1.2 Caratéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.1.2 Sondebasée sur lamodulationd'amplitude . . . . . . . . . . . . . . 42
2.1.2.1 Prinipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.1.2.2 Caratéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.1.3 Sondesbasées sur la modulationd'état de polarisation . . . . . . . 50
2.1.3.1 Prinipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.1.3.2 Caratéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
II Notions théoriques sur la propagation d'ondes EM en ré- gime non linéaire dans les milieux anisotropes 53 3 Propagation en régime linéaire 57 3.1 Les équations de Maxwell etleurs signiations . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1.1 Théorème de Gauss, Stokeset opérateurs assoiés . . . . . . . . . 59
3.1.2 Équationd'Ampère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.1.3 Équationde Faraday . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2 Équation de propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.1 Dansles milieuxhomogènes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.2 Dansles milieuxdiéletriques non hargés . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.3 Dansles milieuxnon magnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.4 Dansles milieuxdiéletriques absorbants . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.5 Dansles milieuxonduteurs non hargés. . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.6 Dansles milieuxanisotropes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.6.1 Dénitionde l'ellipsoïdedes indies . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.6.2 Propagationd'uneondeéletromagnétiquedansunristal anisotrope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3 État de polarisationd'une onde életromagnétique . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.2 En milieuanisotrope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4 Formalismede Jones et omposants optiques agissant sur lapolarisation . 87 3.4.1 Formalismede Jones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.4.2 Élémentsoptiques etmatries de Jones assoiées. . . . . . . . . . . 90
3.4.2.1 Milieubiréfringent transparent . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.4.2.2 Polariseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.4.2.3 Réapitulatifdes optiquesagissantsur lapolarisation . . . 99
3.5 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4 Propagation en régime non linéaire 103 4.1 Anharmoniitédes systèmes osillants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.2 Optique non linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.2.1 Liaisons inter-atomiques, életroniques etmoléulaires. . . . . . . . 108
4.2.2 Perturbationsinduites par un hamp életrostatique . . . . . . . . . 112
4.2.3 Étudedynamiquedeladéformationd'unatomesoumisàun hamp életromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.2.3.1 En régimelinéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2.3.2 Résolution de l'équation de mouvement en hamp fort : régime non linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.2.4 L'eet Pokels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.4.1 Suseptibilité d'ordre2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.4.2 Ellipsoïdeet ellipse d'indies ave eetPokels . . . . . . 123
4.3 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
III Sondes développées et systèmes de stabilisation temporelle assoiés 129 5 Les sondes életro-optiques brées réalisées 131 5.1 Desriptiongénérale des sondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.2.1 Choix etorientation des ristaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.2.2 Considérations géométriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.3 Proédure de montage des sondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6 Le ban optique 141 6.1 Prinipede traitementde l'étatde polarisation . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.1.1 Desriptiondu ban optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.1.2 Point de fontionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.2 Problème de dérive des performanes du système . . . . . . . . . . . . . . 150
6.2.1 Originesdes diérentes dérives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.2.2 Compensationdes eets Fabry-Pérot . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6.2.2.1 Identiation des avités parasites . . . . . . . . . . . . . 152
6.2.2.2 Solutionsapportées. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.2.2.3 Optimisationde la sensibilité . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7 Système de stabilisation temporelle du signal életro-optique 167 7.1 Prinipedu système de ompensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.2 Desription du système d'asservissement réalisé . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.2.1 Leban optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.2.2 Lesystème d'asservissement numérique . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.2.3 Conlusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
8 Résultats 185 8.1 Mesures de hamps életriques sans systèmed'asservissement . . . . . . . . 186
8.1.1 Mesure de signaux impulsionnelsmonooups . . . . . . . . . . . . . 186
8.1.1.1 Conguration expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
8.1.1.2 Traitementdes données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.1.2 Performanes de lasonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
8.1.3 Conlusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8.2 Mesures de hamps életriques ave système d'asservissement . . . . . . . . 201
