Brevet FR2146135A1 — publié le 19730302

La présente invention a pour objet un nouveau type de cons traction de guide de lumière cohérente, particulièrement applicable lorsqu'on désire faire suivre à un faisceau d'une tell lumière, par exemple un faisceau provenant d'un émetteur du genre dit "laser", Ime trajectoire non rectiligne, mois présentant une certaine courhure dans un plan donné. On connaît déjà, par exemple par le brevet français No. 1 559 113, demandé le 25 jnnvier i96S aii ncm de l'actuel deman- deur, des guides de lumière cobérente ayant un axe de guidage rectiligne. L'objet de ces dispositifs est de diminuer la divergence du faisceau lumineux. A cet effet, ils font emploi des variations dans la section droite du guide de l'indice de réfraction de l'air causées par des différences de température entre des éléments solides, par exemple des tubes métalliques, généralment au nombre de quatre, places autour de l'axe de guidage et maintenus à des températures. différentes de celle de l'air ail centre de ladite section. Une réalisation plus perfectionnée d'un système de guidage pour faisceau de lumière cobérente a été décrite notamment dans deux articles publiés par l'actuel demandeur dans la Revue fran çaise "Annales des Télécommunications", tome 24, 1969, pages 179189 et tome 25, 1970, pages 320-324 respectivement Cette réalist- tion fait emploi. de quatre tubes conducteurs calorifiques (par exemple, métalliques) enroulés hélicoidalement autour de l'axe du guide et maintenus, par paires diamétralement opposées dans la section droite dii guide, a des températures différentes de la température moyenne T de l'air contenu dans ce guide.Deux des tubes d'une telle paire sont maintenus par exemple à la température (T+#T), les deux tubes de l'autre paire étant maintenus à la température (T-#T). Il peut être que la distribution des températures aux divers points de la section droite du guide est telle qu'en désignant nar n l'indice de réfraction en chaque point, par n0 la valeur de cet indice pour la température T par x et y des coordonnées rectangulaires dont l'origine est le centre de cette section droite, on peut écrire:: n - n0 - n2 (x-y) (1) n2 étant une constante dont les dimensions physique sont celles du quotient d'un indice de réfraction par le carre longuer b dépendant des dimensions transversales du guide En fait n2 = ## (2) avec, pour @@@ n1 = 10-6 #T (#T étant exprimé en degrés Celsius): b est la distance de l'axe # laquelle pour x ou y nul, indice de réfraction n prend la valeur correspondant à une température locale (To #T). h est donc du même ordre de grandeur que le demi-diamètre intérieur du guide. Les courbes d'égal indice de réfraction (c'est-à-dire d'égale temnérature) dans une section droite du guide sont donc des hypsr- boles équilatères représentées par la formule (1) ci-dessus. Il est aussi montré, dans les articles precités, que le guidage est amélioré en enroulant hélicoidalement autour de l'axe du guide les tubes portés aux températures (T# #T et (T-6'T), l'enroulement hélicoidal ayant un pas p convenablement choisie tn démontre propre, dans les mêmes articles, qu'il est alors possible, au lieu de maintenir l'axe du guide strictement rectiligne de un donner une certaine courbure dans un plan donné, le rayon de courbure R devant cependant rester assez grand. Il existe toutefois. (voir par exemple à ce sujet le paragraphe 4d, pages 185-186 du premier des articles nités) une limite inférieure pour la saleur de R, au-dessous de laquelle les propriétés de convergence du faisceau vers le centre de la section droite du guide ne sont pas conservées, et la valeur de cette limite inférieure peut :tre calculée à partir de celles du pas p et de la constante n.! ## ci-dessus définie. C'est ains @@ l'on peut écrire: étant la longueur d'onde de la lumiere utilisée. La formule @@@@ montre de plus que, lorsque la longueur d'onde # excède la valeur (n1 @@@ ), il n'est plus possible de faire suivre aux ondes lumineuses propagées un chemin prédétermine et qu'elles tendent à remplir toute la section droite du Ainsi, pour @@ = 10 C et p = 7,5 mètres, la longueur d'onde maximale possible est 12,5 microns. Pour les mêmes valeurs de p de et avec # = 0,5 et b = 0,5 cm, on trouve que le rayon de courbure R doit être supérieur à 1000 mètres. La nrésente invention a pour objet un mode de constatation de guide d'ondes lumineuses dérivé des principes généraux qui viennent d'être exposés mais se distinguant de l'art antérieur connu par le fait qu'il est possible, pour une mdme qualité de guidage de faire suivre à l'axe du guide un parcours situé dans un plan et ayant un rayon de courbure R de valeur inferieiire à celle donne ci-dessus. Avant de passer a' la description de l'invention proprement dite, il est nécessaire de préciser les conventions de langage adoptées ci-apres, selon lesquelles, faute d'un meilleur terme, on appellera "enroulement helicoidal" d'une ligne géométrique un enroulement réalisé autour d'une ligne pouvant être une courbe plane de rayon de courbure suffisamment grand, cet enroulement étant effectué à une distance constante de ladite ligne faible relativement audit rayon de courbure et avec un TJas sensiblement constant et grand relativement à cette dernière distance, ainsi qu'avec un angle sensiblement constant entre la direction de ladite ligne géométrique enroulée et celle de ladite courbe en chaque point de celle-ci le plus voisin d'un point parcourant ladite ligne géométrique enroulée. Selon la présente invention, il est prévu un dispositif de guidage pour un faisceau de lumière cohérente, utilisant, pour un trajet de guidage en forme de courbe plane, un guide constitué par l'espace compris entre quatre éléments disposés symétriquement en carré dans le section droite du gilde, lesdits éléments (de préférence constitués par des tubes métalliques. généralement alimentés par un courant liquide à température constante) étant portés par paires opposées dans ledit carré à des témperatures respectivement, pour 1 l'une et i 'ailtre desdites pairles, supérieure et inférieure d'une même quantité à une température moyenne donnée, 1'ensemble desdits éLéments étant enroulé hélicoidalement avec un pas donne autour d'une ligne moyenne formée par l'ensemble des centres des sections droites du guide, caractérisé en ce que ladite ligne moyenne est à son tour enroulée hélicoTdalement autour L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descrip tion détailée donnée ci-après et faite avec l'aide des dessins annexés, dans lesquels: - la Fig. 1 montre la constitution d'un guide selon l'invention, représentée par la section droite de clui-ci, indépendamment des opérations d'enroulement héliocoldal sus-mentionnées; et - la Fig. 2 montre la manière dont les enroulements hélicoidaux doivent être réalisés pour conférer au guide non rectiligne les propriétés désirées. Se réformant d'abord à la Fig. 1, on voit sur celle-ci la section droite di guide, constituée par exemp'e par quatre tubes à section circulaire 11, 12, 13, 14 disposés symétriquement en carré autour du centre 0 de cette section droite.Les tubes diamétralement opposés 11 est 12 sont maintenus à la température (T + #T) (par exemple par un courant interieur d'eau chaude), tandis que les deux autres tubes diamétralement opposés 13 et 14 sont maintenus par un procédé analogue, à la température (T -#T). Désignant par Ox et Oy deux axes de coordonnées rectangulaires passant par le point O et par les centres de 13 et 14 d'une part, et par ce même point 0 et les centres de 11 et 12, d'autre part, la température de l'air dans l'espace compris entre 11, 12, 13, et 14 est sensiblement égale à T ail point O et, en un point de coordonnées (x, y), est sensiblement donnée par T- gT (x-y) (4) b étant le demi-diamètre des tubes 11, 12, 13, 14.La formllle qui vient d'être donnée n'est pas rigoureusement valable, mais est dans la pratique suffisamment approchée au voisinage du point 0, qui est le centre de la section droite dii guide, au voisinage duquel on veut concentrer le faisceau lumineux. On voit donc que la température de l'air reste égaie à T le long des bissectrices des quatre angles formés par les axes x et y, tandis qu'elle croIt ou décroit regulièrement de part et d'autre du point 0 dans les directions des axes Ox ou Oy, respectivement. Se référant maintenant à la Fig. 2, celle-ci montre la manière dont est réalisé l'enroulement doublement hélicoidal de l'ensemble des éléments de la Fig. 1 autour du trajet de guidage que l'on veut obtenir. Ce trajet a lieu le long d'une courbe située dans un plan perpendiculaire au plan de la figure, cette courbe coupant ce dernier olan au point M. Pour simplifier le dessin, on n'a représenté sur la Fig. 2 que les deux tubes 12 et 14. Les axes Mx et My sont des axes de coordonnees rectangulaires fixes dans l'espace.Par contre,les axes Ox et Oy (qui ont la mme signification que dans la Fig. 1) sont de direction variable suivant le point M envisagé dii trajet de guidage et forment en claque point M un angle Q avec les axes Mx, Mv respectivement. Les axes Mx', My' sont des axes respectivement parallèles à Ox et Oy, mais passant par le point M. Le point O est, comme précédemment, le centre de la section droite du guide. On nerit considérerla forme de guide désirée comme obtenue par un double-mouvement hélicoidal simultané, l'un correspondant à une rotation de O autour de M de même qu'à un avancement de O dans une direction perpendiculaire ail plan de la figure; l'autre à une rotation de 12 et 14 (et aussi de 11 et 13 , non representés) autour de 0, avec avancement simultané dans la mAme direction per- pendiculaire au plan de la figure.Le pas du premier mouvement hélicoidal n'étant que la moitié de celui du second, il en resulte qu'en mesurant les angles à partir d'un point origine convenablement choisi, angle entre la direction fixe du vecteur MC situé dans le prolongement de Mx et dans la direction opposée et le vecteur est égal à 2 e. Avant de passer à ]'explieation mathématique de l'amélioration du guidage obtenue par les dispositions géométrique ci-dessus décrites. on Deut, dans une certaine mesure, en donner une explication physique simplifiée comme suit. Il est connu que les differences de températures entre couches d'air voisines tendent à infléchir le trajet des rayons lumineux des zones chaudes vers les zones froides, en sorte que, pour obtenir un trajet incurvé, il est désirable que les zones les plus chaudes se trouvent du cAté de la convexité de celui-ci. Or, si l'on n'utilise qu'un simnle enroulement hélicoidal des éléments maintenus à des température différentes, les zones chaudes se trouvent alternativement, tous les demi-pas d'enroulement, du côté de la convexité et dii côté de la concavité du trajet. Grâce à l'enroulement hélicoidal supplémentaire ci-dessus spécifié, ayant un pas égal à la moitié du précédent, les zonnes chaudes se trouvent maintenant du côté de la convexité du trajet de manière deux fois plus fréquente que précédement. Revenant à la Fig. 2, on voit sur celle-ci le vecteur MC, qui peut être considère comme représentant, en grandeur et en direction, le gradient de température du milieu de propagation. Utilisant la formule (1) donnée plus fait, on obtient polir les composantes de MC selon Ox' et Oy'. les valeurs:: -2n2x et -2n2y (5) et, pour le module de vecteur MC, la quantité (2n2p), en aPPelant p le module de vecteur D'autre part, Mx' étant parallèle à Ox, et désignant toujours par e l'angle entre Mx et Mx' (ctest-a-dire l'angle dont la section de guide tourne lorsqu'on se déplace le long du trajet de guidage depuis un point où Mx et Mx' coïncident jusqu'à un point dont la distance au précédent, mesurée le long de ce trajet, a la valeur z), on a e = 2#z/p (radians) (6) On a vu précédemment que l'angle entre MC et MO est gaI a 2 e. Le rayon de courbure R admissible pour le trajet de 4 étant inversement proportionnel au rapport du gradient d'indic de réfraction à l'indice moyen no, on a R = 2n2/n0p (7) Le trajet de guidage étant supposé par exemple situé dm un plan horizontal, il faut que le vecteur MC (Fig. 2), qui represente le gradient d'indice, reste horizontal.Comme il faut dont eue le centre O de la section du guide décrive une helice tour du trajet du point M, le pas de cette dernière hélice doit être égal à la moitié du pas d'enroulement des tubes 11, 12, 3, 14 (Figs 1 et 2), c'est-à- dire à p/2, et le rayon # de cette même hélice est lié au rayon de courbure R par la formule ci-dessus. ce qui implique que la courbure 1/R soit une fonction continue de de La valeur minimale admissible de R se trouve limitée par le fait que pdoit être assez petit pour que le faisceau lumineux les soit pas perturbé par les parois du guide. Un exemple d'application va maintenant être donné, eu par tant de la disposition de tubes représentée sur la Fig i Supposons @apace libre au centre du guide rempli d'air à la pression atmosphérique normale, et supposons comme n = n0 = 10-6 #T(x-y)/h = n0-n1(x-y)/b Pour donner ail faisceau lumineux une courbure de moyen P li: : centre du guide doit suivre une hélice de rayon f tel tue @ 2.10-6#r.#/b (9) Du second des articles précités, on peut déduire que la section du faisceau lumineux prend une valeur maximale lorsque 4 250 n/##T (10) Compte tenu de la valeur ainsi indiquée pour la section du faisceau, on a un degré de protection convenable si le centre faisceau reste à une distance des parois au moins égale à #p# En remplaçant dans cette expression p par sa valeur tirce de la formule (10) et exprimant que # doit rester inférieur à b de la distance nécessaire polir que le fai sceau ne soit pas perturbé par les parois, on trouve, pour la valeur minimale du rayon de courbure R: Si l'on recherche maintenant la courbure maximum que l'on puisse obtenir pour une valeur donnée de b, on trouve, pour b = 9500#/##T (12) un rayon de courbure minimal 3 R = 3.5.109 #/(#T)3/2 (13) m Le pas d'enroulement du guide, compte tenu de la relation (10) plus haut donée, est p = 4.107#/#T (14) le centre de la section du guide décrit une hélice de pas p/2 inscrite sur un cylindre dont le rayon # donée par (9) atteint la valeur b/3 pour la courbure maximale et la valeur optimale de h. Il convenient de noter que le centre du faisceau et le centre dii guide se trouvent simultanément sur Ox et Mx périodiquement toutes les fois que ces deux axes coincident, leur direction commune et l'axe du guide définissant le plan de courbure en ce point. La courbure ainsi admissible pour la trajectoire du guide est cinq à six fois plus forte que celle que l'on obtiendrait en courbant le guide selon une courbe plane régulière de la manière définie dans le premier arlicle précité. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Dispositif de guidage pour un faisceau de lumière cobérente, utilisant, pour un trajet de guidage en forme de courbe plane, un guide constitué par l'espace compris entre quatre éléments disposé symétriquement en carré dans la section droite du guide, lesdits éléments étant portés par paires opposées dans ledit carré à des températures respectivement, pour l'une et l'autre desdites paires, supérieure et inférieure d'une même quantité à une température moyenne donnée, l'ensemble desdits éléments étant enroulé hélicoïdalement avec un pas donée autour d'une ligne moyenne formée par l'ensemble des centres des sections droites du guide, caracterisé en ce que ladite ligne moyenne est à son tour enroulée hélicoïdalement autor de ladite courbe plane, et cela avec un pas sensiblement égal à la moitié dudit pas donnée. 2 - Dispositif de guidage selon la revendication 1, caracté- risé en ce que lesdits éléments sont des tubes métalliques parcourus par un courant liquide à température constante.