Brevet FR2280068A1 — publié le 19760220

La presente invention concerne un procédé et un équipement de mesure de la longueur ou de l'indice de réfraction d'un élément diélectrique de transmission de fréquences optiques. On sait que l'apparition d'éléments diélectriques d'atténuation très basse, dans les longueurs d'onde optiques, a permis d'envisager l'utilisation de ces éléments dans des systèmes de transmission de lumière a distances plus ou moins longues . Dans ces systèmes, les conditions d'emploi de ces éléments diélectriques nécessitent une protection ou un gainage sous forme de câbles. Pour différentes raisons (câblage, utilisation, etc...), on peut avoir a connaître certains paramètres d'un élément diélectrique, en parti soulier, sa longueur et son indice de réfraction. L'élément diélectrique à mesurer est constitué par une fibre optique, c 'est--dire un élément composé d'un ou de plusieurs dié - lectriques, tels que verre, silice, matière plastique, etc..., mais en tous cas capable de conduire la lumière. Cette fibre optique peut faire partie d'un conducteur constitué par une ou plusieurs fibres transmettant le même signal en pa rallèle, voire d'un élément de câblage constitué par un ou plusieurs conducteurs, voire même d'un câble complet constitué par un ou plusieurs éléments de câblage. Pour résoudre le problème posé, la présente invention propose un procédé caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à faire au moins une mesure de la durée de trajet (tl - to) d'une impulsion lumineuse sur la longueur L de l'élément a mesurer, d'indice de réfraction n, et à faire application de la formule t - t = nL/c où c est la célérité de la lumière pour obtenir l'une quelconque des valeurs de n ou de L connaissant l'autre. La présente invention propose également pour mettre en oeuvre ce procédé un équipement caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement une source de brèves impulsions lumineuses dites signal lumineux, un élément injecteur de ce signal lumineux dans l'élément à mesurer, un élément séparateur divisant ledit signal lumineux en un premier signal empruntant une première voie et un second signal empruntant une seconde voie, un élément porteur de l'élément à mesurer de manière que celui-ci soit interposé dans la seconde voie, deux éléments détecteurs desdits premier et second signaux lumineux a leur sortie desdites première et seconde vies respectivement, un élément visionneur permettant de faire apparaître les signaux électriques de sortie des détecteurs sur un écran unique en vue de la mesure de ladite durée de trajet. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de certaines formes de réalisation et à l'examen des dessins annexés correspondants dans lesquels - la Fig. 1 est un schéma de blocs de principe d'un équipement de mesure suivant l'invention ; - la Fig. 2 est un schéma de blocs d'un équipement particulier de mesure suivant l'invention ; et - les Figs. 3A et 3B sont des diagrammes temporels représentatifs des deux méthodes de mesure. Soit un élément a mesurer de longueur L et d'indice de réfraction n. Si cet élément reçoit à une première extrémité une impulsion lumineuse à l'instant to, celle-ci parvient à l'autre extrémité à l'instant tl tel que tl - t0 = nL/c où c est la célérité de la lumière dans le vide. De la connaissance soit par mesure soit par donnée de n et c, la mesure de (tl- to) permet d'obtenir L par L = c (tel' to)/n De la connaissance soit par mesure soit par donnée de L et c, la mesure de (tl- to) permet d'obtenir n par n = c (tel' to)/L Pour mesurer l'intervalle de temps (t - to) on se sert d'un équipement (Fig. 1) du type suivant. - Une source 101 émet des impulsions lumineuses suffisamment courtes, c'est-à-dire de durée nettement inférieure à la valeur (tl- tc) à mesurer, pour constituer un signal lumineux S. La fréquence de répétition de ces impulsions est indifféremment fixe ou variable. La source 101 est à volonté soit un laser à gaz ou à solide comportant une cellule qui effectue un blocage de modes, soit une diode électroluminescente, soit une diode électroluminescente à effet laser (diode laser). On a cependant intérêt évidemment à choisir la longueur d'onde d'émission de la source dans une plage où l'él- ment à mesurer présente un minimum d'atténuation. - Un élément d'injection 103 permet de focaliser la lumière à l'entrée de l'élément à mesurer E. Ce peut être au choix une simple lentille, un système de lentilles tel qu'un objectif de microscope, une lentille à gradient d'indice ou tout autre système convenable d"'injection de lumière. - Un élément séparateur 105 permet de diviser le signal lumineux S issu de l'élément précédent 103 en deux signaux S1, S2 appelés à être détectés, S1 directement, S2 après sa traversée de l'élément à mesurer E. L'élément 105 est avantageusement revêtu de couches antireflets sur certaines de ses faces pour éviter les réflexions parasites. - Un porte-objet 107 permet de fixer l'élément à mesurer E au foyer de l'élément d'injection 103. Ce porte-objet est conçu pour pouvoir s'adapter facilement sur tous les embouts possibles d'éléments à mesurer. - Deux éléments détecteurs 111, 112 transforment les signaux lumineux reçus S1, S2 en signaux électriques S1, S2 respectivement. Ces détecteurs peuvent être chacun une photodiode à avalanche, un photomultiplicateur, ou tout autre élément détecteur convenable. Les deux détecteurs 111, 112 ne sont pas forcément de même nature, à condition cependant évidemment qu'ils aient des caractéristiques temporelles (telles que temps de transit et temps de montée) équivalentes pour ne pas compromettre la précision de la mesure. Il est à noter cependant que l'élément détecteur 111 n'est pas absolument indispensable ; en effet tout signal électrique synchrone de l'émission optique (générateur d'impulsions électriques de commande par exemple) peut être utilisé comme élément 111 ; il n'y a d'ailleurs plus lieu d'utiliser dans ce cas d'élément séparateur 105. Un élément visionneur 113 permet de faire apparaître les signaux Si, S2 sur un même écran en vue de la mesure. Les éléments 103, 105, 107 et 111 peuvent former un bloc unitaire, scellé et mécaniquement stable. EXEMPLE (Fig. 2) On suppose avoir des éléments à mesurer dont le minimum d'at ténuation se situe entre 8000 et 9000 A de longueur d'onde ; on choisit en conséquence comme source d'impulsions lumineuses une diode laser émettant sur cette longueur d'onde. Les éléments de l'équipement sont les suivants - L'élément source 101 d'impulsions lumineuses est une telle diode laser émettant sur ladite longueur d'onde des impulsions lumineuses d'une durée de 5 manosecondes, la puissance crête émise étant de quelques centaines de milliwatts. L'élément 101 est précédé d'un générateur 97 d'impulsions électriques O - 5V à fréquence variable et réglable (on verra plus loin pourquoi) dans une large gamme (quelques hertz à quelques centaines de mégahertz) et d'un amplificateur de courant 99 délivrant un courant réglable de plusieurs ampères permettant d'exciter tout type de diode laser. - L'elément injecteur 103 est un objectif de microscope de grossissement 10. - L'élément séparateur 105 est un cube de Lummer traité anti-reflets. - Le porte-objet 107 permet de régler la position et l'orientation de l'élément à mesurer. - Les éléments détecteurs 111, 112 sont deux photodiodes à avalan che de même type, ayant par conséquent même temps de transit et même rapidité. Elles sont chargées toutes deux sur 50 ohms. - L'élément visionneur 113 est un oscilloscope. Deux méthodes peuvent etre utilisées pour effectuer la mesure. Dans une première méthode (Fig. 3A), on mesure l'intervalle de temps (tl - to) par lecture directe sur l'écran de l'oscilloscope. Dans une seconde méthode (Fig. 3B), on utilise une source d'impulsions lumineuses à fréquence de répétition variable et réglable (comme à l'exemple ci-dessus) et on règle cette fréquence de manière que vue sur l'écran de l'oscilloscope l'impulsion nO 1 retardée, détestée par l'élément 112, cotncide dans le temps avec l'impulsion nO 2 non retardée, détectée par l'élément 111. On bénéficie alors d'une meilleure précision ; le retard cherché t - to) est évidemment donné par l'inverse de la fréquence de mesure. On peut alors mesurer indifféremment soit l'indice de réfrac tionnsoitla longueur L de l'élément à mesurer. - Dans le premier cas (mesure de n) il faut connaître avec une pré cisicn suffisante la longueur L d'un échantillon (par exemple de quelques mètres) de l'élément à mesurer. - Dans Je second cas (mesure de L) il faut connaître avec une précision suffisante la valeur de l'indice de réfraction n. I1 est alors avantageux de prendre un échantillon de longueur L' connue de meme nature que l'élément à mesurer, de faire une première mesure de retard (t'l - tlo) sur cet échantillon d'où la connaissance de indice n par n = c (t' - t'0)/L' puis une seconde mesure sur l'élément à mesurer de longueur L inconnue, d'où l'obtention de celle-ci par L = c (t1 - to)/n c'est-à-dire L = ################# L' En choisissant la méthode de coïncidence pour la mesure des deux retards, Terreur commise sur la longueur L d'un élément d'indice de réfraction de l'ordre de 1,5 (verre le plus courant) est d'environ 20 cm. Cette erreur est totalement indépendante de la longueur L à mesurer et ne dépend que de l'équipement de mesure. REVENDICATIONS 1 - Procédé de mesure de la longueur ou de l'indice de réfraction d'un élément diélectrique de transmission de fréquences optiques, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à faire au moins une mesure de la durée de trajet (tl - to) d'une impulsion lumineuse sur la longueur L de l'élément à mesurer d'indice de réfraction n et à faire application de la formule tl - to = nL/c où c est la célérité de la lumièretpour obtenir l'une quelconque des valeurs de n ou de L connaissant l'autre. 2 - Equipement permettant la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement une source de brèves impulsions lumineuses dites signal lumineux, un élément injecteur de ce signal lumineux à l'entrée de l'élément à mesurer, un élément séparateur divisant ledit signal lumineux en un premier signal empruntant une première voie et un second signal empruntant une seconde voie, un élément porteur de l'élément à mesurer de manière que celui-ci soit interposé dans la seconde voie, deux éléments détecteurs desdits premier et second signaux lumineux à leur sortie desdites première et seconde voies respectivement, un élément visionneur permettant de faire apparaitre les signaux électriques de sortie des détecteurs sur un écran unique en vue de la mesure de ladite durée de trajet. 3 - Equipement selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source d'impulsions lumineuses est une diode laser précédée d'un générateur d'impulsions électriques et d'un amplificateur de courant, l'élément injecteur est un objectif de microscope, l'élé- ment séparateur eau un cube de Lummer, les éléments détecteurs sont des photodiodes à avalanche et l'élément visionneur est un oscilloscope. 4 - Procédé selon la revendication 1 utilisant l'équipement selon l'une des deux revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'on mesure la durée de trajet (tl - to) par lecture directe, par exemple sur l'écran d'un oscilloscope, de la distance temporelle séparant une impulsion non retardée de la même impulsion retardée. 5 - Procédé selon la revendication 1 utilisant l'équipement selon l'une des deux revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'on utilise une source d'impulsions lumineuses à fréquence de répétition réglable et en ce qu'on mesure la durée de trajet (tl- to) par l'intermédiaire de la valeur de ladite fréquence de répétition nécessaire pour obtenir coIncidence temporelle, visualisée par exemple sur l'écran d'un oscilloscope, entre une impulsion retardée et une impulsion non retardée lui succédant immédiatement.