Note publique d'information : L'objectif de cette thèse est la conception d'un nouveaucapteur à fibre optique pour
la mesure enfouie dedéformation. Les capteurs de déformation à réseaux deBragg fibrés
sont généralement collés à la surface de lastructure sondée. Leur utilisation comme
capteur enfouipeut s'avérer inappropriée. En effet, dans ces conditions,un couplage
mécanique entre le capteur et sonenvironnement modifie la déformation transverse de
la fibrequi devient alors une inconnue. Dès lors, la seule mesuredu décalage de la
longueur d'onde de Bragg ne suffit paspour remonter aux déformations axiales et transverses.Pour
décorréler ces déformations nous proposons unearchitecture de capteur basée sur la
superposition dansune fibre optique d'un réseau de Bragg (FBG) et d'unréseau longue
période (LPG). Le travail de thèse a été detrouver l'architecture optimale, possédant
une réponse auxdéformations linéaire et une résolution de mesureéquivalente à celle
des capteurs FBG standards. Lors de laconception du capteur, des résultats classiques
sur les LPGont été revisités. Des propriétés optiques inédites desmodes de gaine ont
été mises en évidence. Nous avonsmontré que la forme de ces modes évolue fortement
avecle rayon de gaine et qu'il existe des rayons de gainecritiques pour lesquels des
modes de gaine possèdent lemême profil d'intensité.Nous avons également réalisé une
étude statistique surles sensibilités des LPG aux déformations afin de dégagerdes
règles générales sur l'utilisation des LPG commecapteur. Nous notons que les sensibilités
croisées sontnégligeables et que les sensibilités dépendentprincipalement du pas du
réseau et du rayon de gaine.L'enfouissement du capteur pouvant induire descourbures,
l'influence de la courbure sur la réponse desréseaux a été étudiée en couplant des
simulations paréléments finis et des méthodes semi-analytiques. Il a étédémontré que
la sensibilité des FBG à la courbure est dueaux variations opposées de l'indice effectif
et du coefficientde couplage des modes couplés et que l'indice effectifmoyen du réseau
jouait un rôle clé dans l'amplitude et lesigne de cette sensibilité. Un mécanisme
similaire a été misen évidence pour les LPG.
Note publique d'information : The aim of this thesis is the design of a new fiber optic sensor for the strain measurement
inside materials. Fiber Bragg grating strain sensors are usually glued on the surface
of the monitored structure. Their use like embedded strain sensor may be unadapted.
Indeed, in these circumstances, a mechanical coupling between the sensor and the host
material changes the transverse strain of the fiber. The transverse strain becomes
unknown. Consequently, the only measurement of the Bragg wavelength shift is not enough
to estimate both axial and transverse strains. In order to decorrelate these strains,
we propose a sensor architecture based on the juxtaposition of a Bragg grating (FBG)
and of a long period grating (LPG).The thesis work consist in finding the optimal
architecture so that the sensor response to strain is linear and the measurement resolution
is identical to the resolution of usual fiber optic sensors. During the sensor design,
some usual results on LPG have been studied again. Some original optical properties
of cladding modes have been revealed. It has been shown that the shape of these modes
changes significantly with the cladding radius of the fiber and that there are critical
cladding radii for which some modes have the same transverse intensity distribution.
A statistical study has been carried out on the strain sensitivities of LPG. General
behaviors of LPG strain sensors have been highlighted. Especially, the crosssensitivities
can be neglected and the sensitivities are mainly influenced by the period of grating
and the cladding radius of the fiber. When the sensor is embedded inside the material,
it may be bent. The bending effects on the gratings responses have been studied using
the finite element as well as the semi analytical methods. It has been shown that
the bending sensitivity of FBG depends on a balance mechanism between the effective
refractive index change and the coupling coefficient change of the coupled modes and
that the average index variation of the grating plays a key role in the amplitude
and the sign of this sensitivity. A similar mechanism has been highlighted for LPG.
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