Étude et réalisation sur tour de fibrage de capteurs à fibre optique pour environnements extrêmes

Study and realisation of optical fibre sensors with a draw tower for sensing in extreme conditions

• Auteur / Autrice : Patrick Bulot
• Direction : Marc Douay, Guillaume Laffont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux dilués et optique fondamentale
• Date : Soutenance le 11/06/2019
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules (PhLAM) - List, CEA Université Paris-Saclay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseau de Bragg

Lasers femtoseconde

Diffusion de Rayleigh

Mesure

Hautes températures

Protection

Fibres optiques

Conception technique

Détecteurs à fibres optiques

Mots clés libres

Tour de fibrage

Résumé

Les travaux de thèse portent sur la réalisation de capteurs à fibre optique protégés par un revêtement résistant aux hautes températures, supérieures à 350 °C. Une partie des travaux est réalisée sur tour de fibrage dans l’optique d’améliorer la fiabilité mécanique de ces capteurs compacts.Les premiers travaux présentés se focalisent sur l’étude microstructurale par microscopie électronique à transmission de réseaux de Bragg point par point inscrits par un laser femtoseconde. Les observations démontrent un gradient chimique du germanium au niveau des modifications périodiques. Ce gradient expliquerait en partie les évolutions spectrales de ces capteurs à 1000 °C.La deuxième étude montre le potentiel des fibres dopées en nanoparticules de zircone pour les mesures réparties à 800 °C par réflectométrie fréquentielle exploitant la rétrodiffusion Rayleigh. Ces fibres présentent une meilleure stabilité de mesure de température que les fibres classiquement employées pour la télécommunication optique.La troisième étude porte sur la protection mécanique des fibres optiques par un revêtement « hautes températures ». Pour la première fois, les silicones chargées sont étudiées comme revêtement pour fibre optique. Le comportement du revêtement est étudié jusqu’à 470 °C à l’aide de réseaux de Bragg protégés par dip-coating. Le revêtement est aussi déposé sur fibre lors de sa fabrication sur tour de fibrage. Plus de 100 mètres de fibre sont protégées en continu avec une épaisseur d’environ 13 µm.

The Ph.D. work focuses on the realisation of optical fibre sensors protected by a high-temperature resistant coating. The aim application temperature is above 350 °C. One part of the work is done on a fibre draw tower to improve the mechanical reliability of these compact sensors.The first part of the presented work focuses on the microstructural study of point-by-point fibre Bragg gratings. These gratings are inscribed in the optical fibre core with a femtosecond laser. The analysis by transmission electronic microscopy shows germanium chemical gradient near the periodic modifications. This gradient could partially explain the spectral evolutions of these sensors at 1000 °C.The second study shows the performances of zirconia nanoparticle-doped optical fibres for distributed sensing at 800 °C by Optical Frequency Domain Reflectometry. These fibres have a better stability of temperature measurement than conventional fibres for optical telecommunication.The third study is related to the mechanical protection of optical fibres by a high-temperature resistant coating. For the first time, a silicone coating with fillers is studied like a coating for optical fibre. The coating is applied on fibre Bragg gratings by dip-coating to study the behaviour of the coating on the fibre up to 470 °C. Then the coating is applied on an optical fibre by using a fibre draw tower. A 100 meter-length fibre is protected with a thickness of around 13 µm.