Brevet FR2479179A1 — publié le 19811002

Fibre optique infrarouge et procédé de fabrication de cette fibre La présente invention concerne une fibre optique infrarouge et son procédé de fabrication Différents types de verres capables de transmettre un rayonnement infrarouge sont décrits dans l'article "Materials for infrared optics" (A J.Worrall) extrait de la revue "Infrared Physics" 1968, volume 8, pages 49 à 58. Worrall précise que deseétudes sont en cours pour appliquer certains de ces verres à la technique des fibres optiques. En particulier, des verres au trisulfure d'arsenic sont utilisés pour réaliser des fibres optiques infrarouges. Parmi ces différents types de verres, les verres à oxydes ont l'avantage de présenter une variation progressive et continue de la viscosité en fonction de la température, ce qui les rend à priori particulièrement aptes à la fabrication de fibres optiques par étirage à chaud. Malheureusement la plupart de ces verres présentent l'inconvénient de se "dévitrifier" au moment du ramollissement, de sorte qu'ils doivent subir pendant leur élaboration un refroidissement très rapide pour conserver leur transparence à l'état solide. De tels verres ne peuvent donc genéralement être étirés à chaud sans perdre en grande partie leur qualité optique. Dans l'article précité, Worral cite cependant un verre, constitué d'un mélange d'oxyde de baryum BaO, d'oxyde de zinc ZnO et d'oxyde de tellure Te02, qui serait très peu sensible au phénomène de dévitrification et serait apte aux applications de transmission et de réfraction. Cependant il n'est donné dans cet article aucune indication sur l'appli- cation éventuelle de ce verre à la réalisation de fibres optiques infrarouges. La présente invention a pour but de réaliser des fibres optiques infrarouges à l'aide de verres comportant de l'oxyde de tellure de préciser les proportions des constituants qui permettent l'étirage à chaud de ces verres et de mettre en oeuvre un procédé de fabrication de ces fibres. La présente invention a pour objet une fibre optique infrarouge comprenant un coeur constitué d'un verre transmettant un rayonnement infrarouge et une gaine entourant le coeur, caractérisé en ce que le verre comporte trois oxydes, de l'oxyde de tellure Te02, de l'oxyde de baryum BaO et un oxyde choisi dans le groupe formé par l'oxyde de zinc ZnO et l'oxyde de plomb PbO, et que les proportions en poids , des trois oxydes dans le verre sont les coordonnées d'un point quelconque choisi dans le groupe des points situés à l'intérieur de la région S de la figure un que des dessins annexés. La présente invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'une fibre optique infrarouge, consistant - à fondre un mélange de composés pour obtenir un verre en fusion, - à mouler le verre en fusion pour obtenir une ébauche comportant, dans une proportion prédéterminée, de oxyde de tellure TeO2, de l'oxyde de baryum BaO et un oxyde choisi dans le groupe formé par l'oxyde de zinc ZnO et l'oxyde de plomb PbO. - et à étirer l'ébauche à chaud pour obtenir le coeur de la fibre optique, caractérisé en ce que la fusion du mélange comporte une première étape dans laquelle la température du mélange sous vide est élevée jusqu'à une première valeur comprise entre 400 et 600 degrés C., puis une deuxième étape dans laquelle la température du mélange sous vide est maintenue à la première valeur pendant un premier intervalle de temps PrOGLermiEI6S et ure troisième étape dans laquelle la tmpe- rature du mélange est élevée de la première valeur jusqu'à la température de fusion, un gaz sec circulant à la pression atmosphérique autour du mélange. Des formes particulières de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel la figure unique est un diagramme illustrant les proportions en poids des constituants de verres à partir desquels peuvent être raalSées des fibres optiques selon l'invention. Un verre capable de constituer le coeur d'une fibre optique infrarouge selon l'invention est composé de trois constituants l'oxyde de tellure TeO2, l'oxyde de baryum BaO et un autre oxyde qui peut être soit l'oxyde de zinc ZnO soit l'oxyde de plomb PbO. Les proportions en poids des trois constituants de ce verre doivent répondre à des conditions illustrées sur le diagramme de la figure. Ce diagramme comprend trois axes de coordonnées formant un triangle équilatéral ABC. Sur le côté AB du triangle sont portés les pourcentages en poids de l'oxyde de baryum, dans le sens croissant de A vers B. Sur le côté BC sont portés les pourcentages de l'oxyde de zinc (ou de l'oxyde de plomb), dans le sens croissant de B vers C. Sur le côté CA du triangle sont portés les pourcentages de l'oxyde de tellure, dans le sens croissant de C vers A. Un point N de la surface du triangle ABC est défini par ses trois coordonnées AP, BQ et CR, la somme des trois coordonnées d'un point quelconque étant toujours égale à 100 d'après les propriétés du triangle équilatéral. Les trois lignes de coordonnées MP, MQ, MR sont respectivement parallèles à trois directions indiquées par des flèches telles que e, f, g partant des graduations marquées sur les côtés AB, BC et CA du triangle. Chaque point de la surface du triangle définit donc les proportions en poids des constituants d'un verre. C'est ainsi que le point M désigne un mélange qui serait constitué de 13% d'oxyde de tellure, 32% d'oxyde de baryum et 55% d'oxyde de zinc (ou d'oxyde de plomb). Selon une disposition essentielle de l'invention, les points figuratifs définissant les proportions en poids des trois constituants d'un verre apte à la réalisation d'une fibre optique infrarouge selon l'invention sont compris à l'intérieur d'une région hachurée S de la surface du triangle ABC. Cette région est délimitée d'une part par une courbe D et d'autre part par un segment HI, H et I étant les points d'intersection de la courbe Deavec le côté AB. Les proportions en poids d'une composition d'un verre typique constituant le coeur d'une fibre optique selon l'invention sont désignées par le point K de la région S, soit TeO2 70% PbO ou ZnO 20% BaO 10% Le verre de coeur d'une fibre optique infrarouge selon l'invention peut contenir aussi, dans une proportion en poids inférieure à 5%, au moins un additif choisi dans le groupe formé par PbO2, As203, Sb203, PbF2, PbCl2, ZnF2 et ZnC12. Pour réaliser une fibre optique selon l'invention, on broye finement et on mélange soigneusement des composés qui peuvent comprendre les trois constituants préalablement définis, dans une proportion en poids correspondant par exemple au point K la région S de la figure. Cependant on peut utiliser comme matériaux de départ des composés différents des constituants préalablement définis, mais la nature et la proportion de ces matériaux sont déterminés pour obtenir, après fusion, un verre ayant une composition pondérale répondant à la définition préalablement énoncée. C'est ainsi qu'on peut utiliser comme matériau de départ par exemple un carbonate qui se décompose par la chaleur au cours de la fusion pour donner un des oxydes constituant le verre. A ces trois constituants, on peut ajouter au moins un des additifs cités ci-dessus, dans une proportion en poids inférieure à 5%. Ces additifs ont pour effet d'augmenter la transparence du verre à certaines longueurs d'onde et de faciliter l'élimination de l'eau. Le mélange pulvérulent est placé dans un creuset en métal précieux qui peut être l'or, le platine, le rhodium ou un alliage de ces métaux. On place ensuite le creuset contenant le mélange dans un four à l'intérieur duquel on fait le vide. La température du four est élevée progressivement de la température ambiante jusqu'à une "température de séchage comprise entre 400 et 600 degrés C. On maintient cette température de séchage pendant un intervalle de temps prédéterminé qui peut être de l'ordre de 10 heures, le mélange étant toujours sous vide. Ce palier de température a pour effet d'éliminer la plus grande partie de l'eau que pouvait contenir le mélange initial. On élève ensuite progressivement la température du four jusqu'à la température de fusion du verre comprise entre 750 et 900 degrés C, en faisant circuler dans le four un gaz sec à la pression atmosphérique. Ce gaz peut être un gaz neutre tel que l'hélium ou l'argon , ou un gaz faiblement réducteur tel qu'un mélange de gaz carbonique et d'oxyde de carbone. Le gaz peut être séché sur un tamis moléculaire par exemple. On maintient la température de fusion pendant un intervalle de temps prédéterminé qui peut être aussi de l'ordre de 10 heures. Pendant une partie de ce palier de fusion, on procède utilement d'abord à un barbotage de gaz sec à la pression atmosphérique par introduction dans le bain de verre fondu d'un tube d'arrivée de gaz, ce gaz sec étant d'un type analogue ou même identique à celui introduit dans le four au cours de l'étape précédente. Ce barbotage permet d'éliminer complètement les traces d'eau qui pourraient subsister dans le verre. Pendant l'autre partie du palier de fusion, après le barbotage, les bulles de gaz qui pourraient se trouver incluses dans le bain sont éliminées. Pour faciliter le dégazage , il peut être utile alors de faire le vide dans le four. Puis on introduit de nouveau le gaz sec pour couler le verre en fusion dans un moule en graphite préchauffé à 300 degrés C. environ. Le moule est ensuite transféré dans un four auxiliaire où le verre subit un recuit à une température comprise entre 280 et 350 degrés C, ce recuit étant suivi d'un refroidissement lent; Le bloc de verre obtenu est alors usiné avec des outils diamantés pour obtenir une ébauche de fibre optique. Cette ébauche peut avoir par exemple la forme d'un barreau cylindrique dont le diamètre peut être compris entre 8 et 10mm. Ce barreau est ensuite réchauffé à une température de l'ordre de 400 degrés C de façon à le ramollir suffisamment pour procéder à l'étirage à chaud, suivant la technique connue, de façon à obtenir le coeur d'une fibre optique. On constate alors que les qualités optiques du verre de l'ébauche ne sont pas affectées par le réchauffement et l'étirage de l'ébauche. Le coeur de la fibre optique ainsi obtenu peut être recouvert d'une gaine optique par un moyen connu, par exemple par enduction ou par extrusion, cette gaine étant constituée d'une matière plastique transparente d'indice de réfraction inférieur à celui du verre de coeur. Cette matière plastique présente de préférence une bonne résistance mécanique. Elle peut être constituée par une résine polyoléfine ou polysilicone. L'étirage à chaud de la fibre sans détérioration des qualités optiques du verre résulte essentiellement du fait que les proportions des composants du verre de l'ébauche correspondent à un point situé dans la région S de la figure. En effet on peut vérifier a contrario que si le point figuratif de la composition du verre est en dehors de la région S, il est pratiquement impossible d'effectuer le fibrage sans que les qualités optiques du verre ne se trouvent profondément détériorées, de sorte que la réalisation de fibres optiques infrarouges se heurte dans ce cas à de grosses difficultés. A titre indicatif, le procédé selon l'invention permet de réaliser des fibres optiques de 200 microns de dlam3tre à une vitesse dtlrage de 10 à 20 mètres/minute. Les fibres optiques selon l'invention transmettent le rayonnement optique depuis le domaine visible jusqu'à une longueur d'onde de 6,5 microns environ. L'affaiblissement des signaux transmis par ces fibres à la longueur d'onde de 4 microns est de l'ordre de 10 dB/m. Les fibres optiques selon l'invention peuvent être appliquées à la transmission d'informations sur courtes distances, à la transmission d'images infrarouges, à l'analyse spectroscopique, voire à la microchirurgie par laser. REVENDICATIONS 1/ Fibre optique infrarouge comprenant un coeur constitué d'un verre transmettant un rayonnement infrarouge et une gaine entourant le coeur, caractérisé en ce que le verre comporte trois oxydes, de l'oxyde de tellure TeO2, de l'oxyde de baryum BaO et un oxyde.choisi dans le groupe formé par l'oxyde de zinc ZnO et l'oxyde de plomb PbO, et que les proportions en poids des trois oxydes dans le verre sont les coordonnées d'un point quelconque choisi dans le groupe des points situés à l'intérieur de la région S de la figure unique des dessins annexés. 2/ Fibre optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le verre comporte en outre, dans une proportion maximale de 5% en poids, au moins l'un des additifs faisant partie du groupe constitué par PbO2, As203, Su203, PbF2, PbCl2, ZnF2 et ZnCl2. 3/ Fibre optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la gaine est formée d'une matière plastique dont l'indice de réfraction est inférieur à celui du verre de coeur, cette matière plastique étant choisie dans le groupe constitué par les résines polyoléfines et polysilicones. 4/ Procédé de fabrication d'une fibre optique infrarouge, consistant - à fondre un mélange de composés-pour obtenir un verre en fusion, - à mouler le verre en fusion pour obtenir une ébauche comportant, dans une proportion prédéterminée, de l'oxyde de tellure TeO2, de l'oxyde de baryum BaO et un oxyde choisi dans le groupe formé par l'oxyde de zinc ZnO et l'oxyde de plomb PbO - et à étirer l'ébauche à chaud pour obtenir le coeur de la fibre optique, caractérisé en ce que la fusion du mélange comporte une première étape dans laquelle la température du mélange sous vide est élevée jusqu'à une première valeur comprise entre 400 et 600 degrés C., puis une deuxième étape dans laquelle la température du mélange sous vide est maintenue à la première valeur pendant un premier intervalle de temps prédéterminé, et une troisième étape dans laquelle la température du mélange est élevée de la première valeur jusqu'à la température de fusion, un gaz sec circulant à la pression atmosphérique, autour du mélange. 5/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte, après la fusion et avant le moulage, une étape supplémentaire pendant laquelle la température du verre est maintenue à la température de fusion pendant un deuxième intervalle de temps prédéterminé. 6/ Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, pendant l'étape supplémentaire, on fait d'abord barboter un gaz sec à la pression atmosphérique dans le verre en fusion, puis on fait le vide autour du verre en fusion, le gaz sec étant réintroduit à la fin de l'étape supplémentaire. 7/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à enrober le coeur de la fibre d'une couche de matière plastique transparente constituant la gaine de la fibre.