Brevet FR2513390A1 — publié le 19830325

La présente invention concerne un mélangeur de modes pour fibres optiques permettant de rendre la réponse indépendante de l'incidence de la lumière dans un domaine angulaire donné. On connatt principalement deux types de fibres optiques a) les fibres dites a saut d'indice, constituées d1un coeur en matériau d'indice n1, entouré d'une gaine extérieure qui a un indice n2, inférieur a' n1. La lumière se propage à l'intérieur du coeur par réflexions totales â l'interface entre le coeur et la gaine Un ou plusieurs modes de propagation peuvent exister suivant la dimension du coeur et la différence d'indice entre le coeur et la gaine. b) les fibres dites n a gradient d'indice", où l'indice de réfraction du coeur décroît quasi continteent lorsqu'on va de l'axe de la fibre à l'interface coeur-gaine. La présente invention s'applique a' ces deux types de fibres mais elle procure des résultats particulièrement avantageux dans le cas des fibres à saut d'indice. Pour une fibre à saut d'indice de longueur pratiquement infinie (plusieurs kilomètres) et éclairée par une onde plane dont la direction de propagation fait un angle e avec l'axe de la fibre, la courbe d'acceptance angulaire Â (e) est obtenue en mesurant les variations du rapport entre le flux lumineux total émergent pour une incidence 6 et le flux lumineux total émergent pour une incidence nulle. Cette courbe, représentée de façon schématique à la figure 1 est symétrique et peut être caractérisée par le terme sin ek, où #k désigne l'angle d'incidence pour lequel l'acceptance angulaire est réduite d'un facteur 1/k par rapport à sa valeur à une incidence nulle. Il est souvent souhaitable d'obtenir une réponse angulaire aussi constante que possible sur une plage d'incidence étendue; en d'autres termes, il faut rendre maximum le paramètre sin a1 E/1OO où &alpha;1- #/100 repré- sente le demi-angle au sommet du corne d'incidence pour lequel l'acceptance angulaire ne s'écarte pas de sa valeur centrale de ( %,( prenant des valeurs aussi faibles que possible. Par ailleurs, on peut avoir besoin de limiter l'acceptance angulaire aux grands angles d'indice, c'està-dire de disposer d'une valeur sin Wo donnée a priori où a0 représente le demi-angle au sommet du ctne d'incidence pour lequel l'acceptance angulaire a une valeur nulle. La figure 2 représente le gabarit d'acceptance angulaire auquel on veut parvenir à partir d'une fibre dont l'acceptance angulaire naturelle correspond à celle illustrée par la figure 1. La présente invention permet de réaliser une telle transformation d'acceptance angulaire. Un dispositif de transformation de l'acceptance angulaire d'une fibre optique comporte, selon l'invention, une lentille à gradient d'indice disposée à l'entrée de la fibre optique pour uniformiser l'acceptance angulaire de la fibre. De telles lentilles à variation d'indice sont notamment produites par la Société NIPPON SHEET GLASS, et vendues sous le nom de "lentilles SELFOC". Avantageusement la fibre optique est associée en outre à un mélangeur de modeW de manière à rendre la réponse totalement indépendante de l'incidence dans un domaine angulaire. L'invention s'applique notamment dans tous les systèmes où un capteur contenant une fibre à saut d'indice placé dans un flux collimaté (soleil, laser, diode laser, etc..), doit présenter une réponse uniforme sur un domaine angulaire important ou imposé à l'avance. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut titre réalisée. Les figures 1 et 2 sont des courbes qui ont déjà été définies précédemment. La figure 3 illustre schématiquement le principe d'un montage optique permettant d'obtenir le gabarit d'acceptance angulaire représenté figure 2. La figure 4 illustre schématiquement un mode de réalisation de l'invention. La figure 5 est une vue en coupe prise selon la ligne V-V de la figure 6, représentant un mélangeur de iode qui peut 8trie avantageusement utilisé dans le cadre de l'invention. La figure 6 est une vue d'extérieur, prise selon la flèche VI de la figure 5. le principe utilisé par l'invention est schématisé, figure 3. On peut voir une fibre optique à saut d'indice 1 avec un coeur 2 et une gaine 3. Une lentille L de focale f, d'ouverture élevée (typiquement f : 1) est placée à proximité de la fibre optique I de manière à ce que soient confondus, d'une part l'axe optique de la lentille et celui de la fibre, d'autre part, le plan focal de la lentille et la face d'entrée de la fibre. L'ensemble est éclairé par une onde plane surcouvrant la lentille L et inclinée d'un angle a par rapport à l'axe du montage. La lumière se focalise en un point M, tel que OM wftgx. La fibre optique prélève à l'intérieur du conte lumineux ainsi formé la part correspondant à son acceptance angulaire propre. Or, pour les fibres à saut d'indice, cette acceptance angulaire ne varie pas suivant le point considéré à la surface du coeur. La quantité de lumière injecte â l'intérieur de la fibre ne varie donc pas tant que M reste à l'intérieur du coeur et chute brutalement lorsque M pénètre dans la gaine optique. On aura donc dans ce cas idéal Les deux équations précédentes supposent que la tache image est rigoureusement ponctuelle, ce qui ne saurait titre, ne serait-ce que pour des problèmes de diffraction. En conséquence, on aura toujours alors La valeur de ai est obtenue pour une fibre donnée en jouant sur la longueur focale f. Pour faire varier aO, il faut modifier les dimensions de la tache image, ce qui peut se faire simplement en défocalisant légèrement la fibre. Soit d le diamètre de la tAche image, on a alors ce qui montre bien que l'on peut donner à a1 et a0 des valeurs guelconques fixées a priori. Tous ces résultats supposent que les dimensions de la tache image sont uniquement liées à la diffraction et à une éventuelle défocalisation de la fibre. Or les lentilles classiques de courte focale et de grande ouverture sont essentiellement - des lentilles sphériques ou hémisphériques en verre pour lesquelles les aberrations sur l'axe et hors de l'axe sont extrtmement importantes à de telles ouvertures, d/2 et a sont alors du mime ordre de grandeur et l'obtention d'un gabarit prédéterminé est délicate. - des objectifs de microscope à fort grandissement, utilisés ou non en immersion : si les aberrations géométriques sont ici extrtmement bien corrigées, les convergences n'excèdent pas 500 dioptries et le champ image est souvent très limité (200 micromètres environ). De plus l'emploi de tels composants optiques est peu compatible avec les exigences de faible coùt et l'adaptation habituellement imposées par les montages à fibres optiques. Dans la présente invention, comme illustré par la figure 4, on remplace la lentille classique par une fibre 4 à gradient d'indice telle que produite par la Société NIPPON SKEET GLASS et commercialisée sous le nom de "lentille SELBOC". Pour ces lentilles 4 la distribution d'indice de réfraction le long d'un rayon est donnée par où No est l'indice de réfraction le long de l'axe, Â une constante positive, N (r) l'indice de réfraction à une distance r de l'axe. Dans le cas de l'optique paraxiale, le cheminement des rayons à l'intérieur de la lentille est caractérisé par la relation matricielle est la position du rayon à l'entrée de la lentille 4, est l'angle d'incidence7 I1 est la position du rayon à la sortie de la lentille 4, U1 est l'angle d'émergence, Z est la longueur de la lentille 4. En prenant pour longueur la valeur particulière: la relation matricielle prend la forme simplifiée suivante ce qui permet de montrer que 1. Â une incidence U0 donnée correspond une position unique Le système fonctionne donc comme une lentille de focale 1/No #A, dont le plan focal se trouverait sur la face de sortie de la fibre 7. 2. L'angle d'émergence U1 ne dépend pas de U0; il est uni quement fonction de X0 : Ul S - No #A X0 (10). Par ailleurs, dans une lentille 4, l'acceptance angulaire est fonction de la position du point considéré. Elle est unitaire jusqu'à une valeur e max donnée par Pour que le flux injecté dans la fibre soit constant sur ail, il faut que où #0 correspQnd à l'angle d'incidence pour lequel l'acceptance angulaire de la fibre seule s'annule. Si l'on veut obtenir des valeurs supérieures pour a1, il faudra utiliser un système de masques circn- laires qui limite artificiellement la surface de la fibre 4 aux points qui acceptent les rayons incidents sous un angle inférieur ou égal à 1. La présente invention est schématisée à la figure 4 et l'utilisation de lentilles à gradient d'indice permet d'obtenir facilement des focales très courtes (de 0,5 à 5 mm, soit 200 à 2000 dioptries) avec des systèmes optiques simples et sans grandes aberrations. La face de sortie de la lentille 4 est disposée contre la face d'entrée de la figure 1. Comme indiqué précédemment, on peut faire appel à une légère défocalisation pour obtenir un gabarit d'acceptance angulaire fixé a priori. Nous avions supposé jusqu a présent que la longueur de la fibre optique à saut d'indice considérée était infinie, ce qui permettait d'affirmer que, gracie au mélange naturel des différents modes de propagation, l'émittance en sortie de fibre est uniforme et indépendante de la répartition transverse du flux lumineux incident, la valeur absolue de cette émittance E restant évidemment proportionnelle à la valeur intégrée du flux lumineux incident fibre Les fibres utilisées n'étant jamais de longueur infinie, il conviendra d'employer un mélangeur de modes, c'est-à-dire un système qui par courbure ou pression réalise de manière artificielle le mélange des différents modes de propagation à l'intérieur de la fibre. Un exemple de réalisation est illustré par les figures 5 et 6. Le mélangeur 5 est constitué-par l'empilement de trois plaques 6, 7 et 8. La plaque intermédiaire 7 présente un évidement de manière à former avec les plaques 6 et 8 un conduit 9 en forme d'arche. La fibre optique 1 est disposée à l'intérieur de ce conduit sans être soumise à aucune pression extérieure. Les contraintes qu'elle subit sont dues seulement à sa propre rigidité. Comme illustré figure 5, le trajet suivi par la fibre comporte successi remuent t - une partie d'entrée rectiligne 11, une partie à courbure variable dans un sens 12, une partie rectiligne 13, une partie 14 à courbure variable dans le sens contraire au premier, une partie rectiligne 15, une partie 16 à courbure variable dans le sens contraire au précédent, une partie rectiligne de sortie 17. La présente invention est particulièrement utilisable dans tous les systèmes où un capteur contenant une fibre à saut d'indice placé dans un flux collimaté (soleil, laser, diode laser etc..), doit présenter une réponse uniforme sur un domaine angulaire important ou imposé à l'avance. REVENDICATIONS 1. Mélangeur de modes pour fibres optiques, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour imposer à la fibre au moins une courbure non périodique en forme d'arche tout en ne soumettant la fibre à aucune pression extérieure, les contraintes qu'elle subit étant dues seulement à sa propre rigidité. 2. Mélangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le trajet suivi par la fibre comporte - une partie d'entrée rectiligne (11), - une partie à courbure variable dans un sens (12), - une partie rectiligne (13), - une partie à courbure variable dans le sens contraire au premier (14), - une partie rectiligne (15), - une partie à courbure variable dans le sens contraire au précédent (16), - une partie rectiligne de sortie (17). 3. Mélangeur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un conduit (9) en forme d'arche à l'intérieur duquel est disposée la fibre optique. 4. Mélangeur de modes selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le conduit est formé de plaques empilées (6, 7, 8), dont au moins une plaque intermédiaire (7) présente un évidement.