MEMOIRE PRESENTE A L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIMI COMME EXIGENCE PARTIELLE

UNIVERSITE DU QUEBEC A CHICOUTIMI
MEMOIRE PRESENTE A
L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIMI
COMME EXIGENCE PARTIELLE
DE LA MAÎTRISE EN INGÉNIERIE
par
Michel Fortin
Contribution au développement d'un capteur optique
de champ électrique
Janvier 2002

bibliothèque
Paul-Emile-Bouletj
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11
Résumé
Ce travail présente une contribution au développement d'un capteur optique de fort
champ électrique à basse fréquence (50-60 Hz). Le principe de mesure du capteur se fait
à partir de l'effet électro-optique sur un cristal de niobate de lithium sans électrodes de
contact. Le principe devient effectif par l'usage du montage statique à polarisation
circulaire permettant de se retrouver directement dans la zone linéaire de transmittance
optique du système.
Après un rappel sur les concepts de base de l'optique des milieux anisotropes et
de l'effet électro-optique linéaire (communément appelé effet Pockels), une étude a été
faite sur le choix de la meilleure configuration électro-optique offerte par le niobate de
lithium. Par la suite, une modélisation par la méthode des éléments finis nous a permis
de choisir parmi différentes sections possibles de cristal, celle qui correspondait le
mieux à une distribution de champ interne uniforme.
Des études expérimentales ont été réalisées conjointement à la modélisation pour
caractériser le comportement du cristal vis à vis de l'effet électro-optique avec ou sans
bague de protection. Après une brève introduction sur les capteurs à fibre optique, une
explication exhaustive est donnée sur le design des pièces internes et le processus de
fabrication du capteur. Ensuite, les essais du premier prototype du capteur optique de
champ électrique sur les installations à haute tension sont présentés et discutés. Pour
terminer, une discussion est présentée sur les améliorations à apporter sur le capteur et
des solutions sont proposées.

Ill
Remerciements
Ce mémoire de maîtrise a été réalisé dans le cadre de la Chaire industrielle
CRSNG/Hydro-Québec/UQAC sur le givrage des équipements des réseaux électriques
(CIGELE) en collaboration avec l'École Supérieure d'Ingénieurs d'Annecy (ESIA). Je
tiens à remercier mon directeur et co-directeur de recherches, le Professeur Masoud
Farzaneh, le Titulaire de la CIGELE, et le Professeur Jacques Bouillot du Laboratoire
d'Instrumentation et des Matériaux d'Annecy (LAIMAN) pour l'opportunité qui m'a été
offerte de faire cette maîtrise incluant un séjour en France. Je les remercie également
pour le support financier, pour leur soutien et les conseils judicieux prodigués tout au
long de la réalisation de ce mémoire.
Je tiens à remercier particulièrement Monsieur Jacques Bouillot de m'avoir si bien
accueilli dans sa propre famille et qui a fait de mon séjour en France un plaisir prolongé
et inestimable. Son soutient de toute sorte, il faut l'avouer, a été pour moi plus qu'une
aide ! Je remercie également Michelle Passard, responsable du projet, pour son aide
précieuse et pour sa présence continue tout au long de ma maîtrise. Je tiens aussi à
remercier Yannick Mugnier de m'avoir si courageusement supporté tout au long de mon
séjour dans les locaux du LAIMAN.
Je voudrais aussi remercier tous les membres du LAIMAN et de la CIGELE pour
leur assistance et leur conseils.

IV
Table des matières
Résumé ii
Remerciements iii
Table des matières iv
Liste des figures vii
Liste des tableaux xi
Liste des abbreviations xii
Introduction 1
CHAPITRE 1
Généralités sur l'effet électro-optique
1. Concepts de base sur l'optique anisotropique 8
1.1 Définition de la polarisation 9
1.2 Ellipsoïde des indices 13
1.2.1 Définition et représentation de Vellipsoïde des indices 13
1.2.2 Cas des cristaux uniaxes 16
2. Effet électro-optique 20
2.1 Déformation de l'ellipsoïde des indices 21
2.2 Déphasage 22
2.3 Les matériaux électro-optique 25
CHAPITRE 2
Le Niobate de Lithium et l'effet E/O
1. Généralités 28
1.1 Caractéristiques du niobate de lithium 28
1.2 Système de coordonnées pour les propriétés tensorielles 29
1.3 Tenseur E/O et ellipsoïde des indices 30
1.4 Influence des facteurs géométriques 32
1.4.1 Influence de la permittivité du cristal sur la distribution du champ dans le cristal 32
1.4.2 Influence de la forme géométrique du cristal 35
2. Étude des différentes configurations appliquées au cristal 39
2.1 Cas d'un champ électrique appliqué suivant l'axe Z 39
2.2 Cas d'un champ électrique appliqué suivant l'axe Y 42
2.3 Cas d'un champ électrique appliqué suivant 1 'axe X 44
2.4 Cas d'un champ électrique appliqué suivant l'axe X et Y 47
3. Choix de la coupe du cristal 51
CHAPITRE 3
Expérimentation
1. Principe du montage expérimental 53
1.1 Explication du principe 53
1.2 Montage à polarisation linéaire 55
1.3 Montage à polarisation circulaire 59
2. Montage expérimental 61
2.1 Schéma du montage expérimental 61
2.2 Réglage et positionnement des éléments optiques 64