Brevet FR2522886A1 — publié le 19830909

La présente invention concerne une optique pour le couplage d'un faisceau d'ondes cohérentes, dont les surfaces d'onde sont de révolution, avec des ondes guidées dans un guide d'onde ayant le meme axe de révolution que les surfaces d'onde du faisceau. Le faisceau peut être notamment constitué d'ondes électromagnétiques cohérentes. Il peut être produit notamment par une source cylindrique ou bien encore par une source plane placée perpendiculairement à l'axe d'un miroir conique, d'angle au sommet égal à 900. Par la suite, nous considérerons comme source (S) l'une quelconque des surfaces d'onde du faisceau. Lorsque le rayon A du cylindre est très grand, (S) peut être considérée comme plane et le faisceau est alors parallèle. Le guide d'onde (C) doit imposer des trajets circulaires de meme circonférence, donc de meme rayon R, aux ondes guidées. I1 peut notamment etre limité par une surface torique dont le diamètre du cercle générateur est petit comparé à celui du cercle décrit par le centre du cercle générateur. I1 peut aussi etre limité par une surface tubulaire, c'est-à-dire par deux cylindres coaxiaux dont les diamètres sont voisins. Le diamètre du guide d'onde peut notamment être choisi de façon que, compte tenu de la-longueur d'onde des ondes guidées, le guide puisse constituer un résonateur annulaire. I1 n'est pas nécessaire d'insister sur l'intéret en général des résonateurs. Un résonateur annulaire permet en plus d'utiliser des ondes progressives ou stationnaires. On connait déjS différents dispositifs de couplage pour un résonateur annulaire: miroir, prisme, réseau. Cependant, ils ne permettent de réaliser le couplage que très localement et l'onde guidée s'amortit rapidement. Le dispositif suivant l'invention a pour objet le couplage entre le faisceau et le guide d'onde le long d'un arc important du guide, pouvant atteindre 3600. L'optique peut être notamment constituée d'un seul dioptre (D) agissant par réfraction ou par réflexion; dans ce dernier cas, (D) sera appelé un miroir. Soit co la vitesse de phase du faisceau émis par la source (S) et incident sur l'optique (D), ci celle du faisceau émergent de (D) et incident sur le guide (G) et c2 celle du mode de propagation des ondes guidées qui nous intéresse dans (G); lorsque l'optique est un miroir, on a bien sur co = ci. Pour produire des ondes guidées; il faut que cl La condition de couplage entre le faisceau émis et l'onde guidée peut être en particulier exprimée au moyen du principe de Fermat: tous les chemins optiques entre la source cylindrique (S) et l'une quelconque des sec tions méridiennes du guide (G) doivent hêtre Cgaux. Si nous désignons par S un point quelconque de (S), par D et par G deux points situés dans le même plan d'incidence que S, le premier sur l'optique (D) et le second sur le guide (G), et par M un point donné de (G) situé dans le même plan équatorial du guide que G, nous devons avoir: (SM) * SD/co + DG/ci + GM/e2 = constante (1) ou, en posant ci/co = n et cl/e2 = sin i:: n SD + DG + GM sin i = constante. (2) Selon un premier mode de réalisation préférentiel, la source étant cylindrique, l'optique est constituée par un dioptre permettant la rérrac- tion du faisceau et dont l'indice de réfraction, par rapport au milieu de couplage où se trouve placé le guide, est égal à n. Selon un second mode de réalisation, ia source étant plane, l'optique est constituée par un miroir permettant la réflexion du faisceau. On a alors n = 1. Selon une application particulière, le guide est limité par une surface torique. Selon une autre application particulière, le guide est limité par une surface tubulaire. Selon une application particulière, les ondes sont de nature électromagnétique. Selon une autre application particulière, les ondes sont de nature élastique. De toutes façons,les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles: - la figure 1 illustre un dioptre conforme à l'invention, permettant le couplage entre une source cylindrique et un guide torique; - la figure 2 illustre un dioptre conforme à l'invention, permettant le couplage entre une source cylindrique et un guide tubulaire; - la figure 3 représente une lentille correspondant à la figure précédente; - la figure 4 illustre un miroir conforme à l'invention, permettant le couplage entre une source plane et un guide torique; - la figure 5 et la figure 6 représentent un miroir correspondant à la figure précédente;; - la figure 7 illustre un miroir conforme a l'invention, permettant le couplage entre une source plane et un guide tubulaire. Sur toutes ces figures, on a considéré que les ondes guides circulaient dans le sens rétrograde, le guide étant vu de dessus. Sur la figure 1, on a représenté le guide torique selon un cercle 3; en effet, le rayon du cercle générateur est petit comparé à celui, R, du cercle décrit par le centre du cercle générateur. Le cercle 3 a été placé dans le plan xOy, avec son centre en 0. La source 7 est cylindrique, d'axe Oz et de rayon A; ici, A > R. Soit (A,e,z) les coordonnées cylindriques d'un point quelconque S de la source 1. Le rayon 6 issu de S se propage normalement à la surface 1 dans le milieu 4, d'indice relatif n = ci/co, qui est compris entre la source 1 et le dioptre 2. Le rayon 6 vient frapper le dioptre 2 en un point D, dont les coordonnées cylindriques sont (p,6,z),et on a évidemment: SD = )P (A - p), (3) avec p w 1 si A R. Le rayon 6 est réfracté par le dioptre 2 suivant le rayon 7 qui se propage dans le milieu de couplage 5 où est plongé le guide 3; l'indice du milieu 5 a été pris égal à 1. Le rayon 7 est incident sur le guide 3 en un point G et l'angle d'incidence i en ce point doit être tel que sin i = c1/c2. Des relations géométriques simples permettent d'en déduire que la distance DG ~ d doit etre telle que: d2 + 2(-1)q R(d2cos2i - Z2)1/2+ R2 ~ p2 ~ z2 = 0, (4) avec q = 1 Si p R. Dans ces conditions, le rayon 7 est réfracté en G de façon a être guidé suivant le cercle 3 et des relations géométriques simples montrent que: GM = R re - Arc sin (d sin i / p)J. -(5) En portant dans la condition de couplage (2) les valeurs trouvées respectivement pour SD, DG et GM au moyen des relations (3), (4) et (5), on en tire une équation du dioptre cherché: O n Arc sin (d sin i j p) + [(-1)p np - d] / R sin i, (6) d étant solution de l'équation (4). Sur la figure 2, on a représenté une section droite du guide tubulaire et de la source. Comme l'épaisseur du guide est petite comparée au rayon R du cercle équatorial moyen, la section droite du guide se réduit à un cercle 13, de centre 0. La section dudite de la source est un cercle 1, de rayon A, concentrique avec le cercle 13; ici, A > R. Puisque le plan de la figure est plan d'incidence, le dioptre cherché est un cylindre dont la rection droite 12 est comprise entre les cercles 1 et 13. Soit (A,O) les coordonnée polaires d'un point quelconque S de la source 1. Le rayon 6 issu de S se propage normalement à la surface 1 dans le milieu 4, d'indice relatif n = ci/co, qui est compris entre la source 1 et le dioptre 12. Le rayon 6 vient frapper le dioptre 12 en un point D, dont les coordonnées polaires sont (p,O), et on a encore la relation (3). Le rayon 6 est réfracté par le dioptre 12 suivant le rayon 17 qui se propage dans le milieu de couplage 5, d'indice 1, où est plongé le guide 13. L'angle d'incidence i en G sur le guide doit etre tel que sin i = ci/c. Des relations géométriques simples permettent d'en déduire que: DG = (-l)q [(p2 - R2sin2 i)112- R cos i], (7) q étant défini comme pour la relation (4). Dans ces conditions, le rayon 17 est réfracté en G de façon à être guidé suivant le cercle 13 et des relations géométriques simples montrent que: GM = (-l)q R tE - i + Arc sin (R sin i / p)J. (8) En portant dans la condition de couplage (2) les valeurs trouvées respectivement pour SD, DG et GM au moyen des relations (3), (7) et (8), avec p = q puisque p doit etre compris entre A et R, on en tire une équation d'une section droite de-la surface cylindrique du dioptre cherché:: e = )P (Arc cos(R sin i / p) + lnp-(p2-R2sin2i)'/21/R sin i). (9) Sur la figure 3, on a représenté une coupe selon une section droite d'une lentille permettant le couplage d'une source 1, constituée d'un laser équipé d'un dispositif pour obtenir des ondes cylindriques convergentes, avec un résonateur 13 constitué d'un film en résine époxyde, d'indice absolu de réfraction égal à 1,57, qui est déposé à la surface d'un barreau en verre ordinaire, le rayon 3 mm. Cette lentille, qui est placée au contact du film sur toute sa circonférence, est réalisée dans un verre 5 de qualité flint, dont l'indice absolu de réfraction est égal à 1,85. La courbure du dioptre 12 est telle que le rayon 6, qui se propage dans l'air 4, est réfracté suivant le rayon 17, dont l'incidence sur le guide 13 est gale à Arc sin (1,57/1,85) = 580. Sur la figure 4, comme sur la figure 1, on a représenté le guide torique selon un cercle 3 placé dans le plan xOy, avec son centre en 0. La source 21 est plane, perpendiculaire à Oz, située à une distance B de xOy; ici, elle est du côté z > 0. Soit (p,O,B) les coordonnes cylindriques d'un point quelconque S de la source 21. Le rayon 26 issu de S se propage parallèlement à l'axe Oz dans le milieu 4 où sont à la fois plongés la source 21, le miroir 22 et le guide 3; l'indice relatif de ce milieu a donc été pris Égal à 1. Le rayon 26 vient frapper le miroir 22 en un point D, dont les coordonnées cylindriques sont (p,O,z),et on a évidemment: SD = B - (-1)r z, (10) avec r = 1 si la source 21 est du côté z 0. Le rayon 26 est réfléchi par le miroir 22 suivant le rayon 7 ct le reste du trajet optique, de D à M, est identique à celui de la figure 1. En portant dans la condition de couplage (2) les valeurs trouvées resDectivement pour SD, DG et GM au moyen des relations (10), (4) et (5), on en tire une équation du miroir cherché: O = Arc sin (d sin i / p) + l(-1) z - dl / R sin i, (11) d étant solution de l'équation (4). Sur la figure 5 et sur la figure 6, on a représenté selon deux vues, la première tant de face et la seconde de dessus, un miroir permettant le couplage d'une source 21, constituée d'un laser équipé d'un dispositif pour obtenir des ondes planes limitées entre deux diaphragmes de diamètres respectifs 20 mm et 74 mm, avec un résonateur 3 constitué d'un tore qui est finement gravé à l'intérieur d'un bloc en verre et dont le rayon est 5 mm. Le tore est rempli d'air, d'indice absolu de réfraction très voisin de 1, et le verre, dans lequel est gravé le guide et taillé le miroir, est de qualité crown, dont l'indice absolu de réfraction est égal a 1,51.La forme du miroir 22 est telle que le rayon 26 est réfléchi totalement suivant le rayon 7, dont l'incidence sur le guide 3 est égale à Arc sin (1/ 1,51) = 41,50. Sur la figure 7, on a représenté le guide tubulaire selon un cylindre droit de base le cercle 33 placé dans le plan xOy, avec son centre en 0. La source 21 est plane, perpendiculaire à Oz, située à une distance 9 de xOy; ici, elle est du côté z > O. S et D sont définis comme pour la figure t et on a encore la relation (10). Le rayon 26 est réfléchi par le miroir 32 suivanttle rayon 17 et le reste du trajet optique,-de D à M, est identique à celui de la figure 2; en effet, les trois points D, G et M sont dans le même plan équatorial du cylindre de base 33. En portant dans la condition de couplage (2) les valeurs trouvées respectivement pour SD, DG et GM au moyen des relations (10), (7) et (8), on en tire une équation du miroir cherché: : e 1)qAre cos(Rsin i/#)+t(-1)rz-(-1)q(#-Rsinȋ)]/Rsin i.(12) Il est évident que, dans les différents modes de réalisation qui viennent d'être décrits, la condition (2) Deut n'être vérifiée qu'avec une tolérance en plus ou en moins égale au quart de la longueur d'onde du faisceau incident sur le guide, sans qu'on sorte du cadre de l'invention. REVENDICATfON 1. Optique pour le couplage d'un faisceau d'ondes cohérentes, dont les surfaces d'onde (1 ou 21) sont de révolution, avec des ondes guides dans un guide d'onde (3 ou 13) ayant le même axe de révolution que les surfaces d'onde (1 ou 21) dudit faisceau, caractrisée en ce que les che- mins optiques entre les surfaces d'onde (1 ou 91) dudit faisceau et l'une quelconque des sections méridiennes dudit guide (3 ou 13) sont tous égaux. 2. Optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que, les surfaces d'onde (1) du faisceau étant cylindriques, elle est constitue d'un seul dioptre (2 ou 12). 3. Optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que, les surfaces d'onde (21) du faisceau étant planes, elle est constituée d'un seul miroir (22 ou 32). 4. Application de l'optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 au couplage d'un faisceau avec un guide torique (3). 5. Application de l'optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 au couplage d'un faisceau avec un guide tubulaire (13). 6. Application de l'optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 au couplage d'un faisceau d'ondes électromagnétiques. 7. Application de l'optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 au couplage d'un faisceau d'ondes élastiques. 8. Application de l'optique selon la revendication 6 au couplage avec un résonateur annulaire.