Brevet FR2524146A1 — publié le 19830930

i La présente invention concerne des procédés d'examen de la structure interne de tiges ou de barreaux transparents, tels que des fibres optiques et des préformes de fibres. Lee brevets US 4 161 656 et 4 181 433 décrivent des techniques pour évaluer de façon quantitative la structure in- terne de fibres optiques et de préformes de fibres Du fait que ces techniques, et celle décrite ciaprès, s'appliquent aussi bien aux fibres optiques qu'aux préformes de fibres, on utilisera ci-après n'importe lequel de ces termes ou le terme "préforme de fibre" pour désigner les deux. Dans la description du brevet US 4 161 656, on mesu- re la fluorescence induite dans les dopants de modification d'indice pour obtenir la variation progressive du profil d'in- dioe Selon une variante, on mesure l'absorption par les do- pants de l'ultraviolet (UV) induisant une fluorescence Dans la description du brevet US 4 181 433, on mesure la distribu- tion de densité de la lumière incidente, focalisée par la ré- gion de coeur d'une préforme de fibre. Pour donner des résultats exacts, ces deux techniques exigent que le rayonnement incident atteignant le coeur de la préforme de fibre soit une onde uniforme, bien collimatée Ce- pendant, du fait de la forte action de Localisation de la gaine environnante, on a estimé qu'il était nécessaire d'immerger la préforme de fibre dans un fluide d'adaptation d'indice, afin de maintenir la nature plane du faisceau d'illumination, et d'obser- ver la totalité de la région de coeur Sans une telle immersion, la forte action de focalisation de la gaine fait qu'il est vir- tuellement impossible de recueillir avec une lentille d'obser- vation de taille raisonnable les rayons fortement divergente qui traversent le coeur. Un problème associé à l'utilisation de fluides d'adap- tation consiste en ce qu'on ne dispose pas de fluides à faible atténuation et commodément utilisables ayant des indices élevés (c'est-à- dire supérieurs à 1,6) Le problème consiste en ce que les fluides les plus lourde, ayant les indices élevés nécessai- res, tendent à 8 tre toxiques et sont donc plus difficilesà ma- nipuler Enfin, m 8 me lorsqu'on dispose des fluides d'adaptation exigés, outre le fait que leur utilisation est malcommode, il y a toujours le risque de rayer la préforme et de l'endommager lorsqu'on l'essuie pour la débarrasser du fluide. L'invention supprime la nécessité d'utiliser des flui- des d'adaptation d'indice, par l'illumination du barreau (par exemple une préforme de fibre) avec un faisceau divergent. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se ré- férant aux dessins annexes sur lesquels: Ia figure 1 montre une coupe d'une préforme de fibre optique caractéristique et l'effet de focalisation qui est pro- duit sur un faisceau lumineux dirigé transversalement; la figure 2 montre l'effet produit par la préforme de la figure 1 sur un faisceau lumineux divergent; la figure 3, incorporée dans un but explicatif, mon- tre le chemin d'un rayon lumineux arbitraire lorsqu'il traverse une lentille d'adaptation cylindrique circulaire et une préfor- me; et Les figures 4-8 montrent diverses configurations de lentilles d'adaptation et de préformes. Dans les dessins, la figure 1 montre une coupe d'une préforme de fibre optique 10 qui comprend une région de coeur intérieure 11, entourée par une gaine extérieure 12 en matière ayant un plus faible indice de réfraction (Certaines préformes comportent deux gaines ou plus On considère cependant une préforme à une seule gaine pour expliquer l'invention) le coeur peut être constitué par une matière homogène ayant un indice de réfraction constant, ou bien il peut 8 tre fabriqué en dépo- sant un ensemble de couches de matières ayant le même indice de réfraction ou des indices différents, pour produire une préfor- me à saut d'indice ou à gradient d'indice. Quel que soit le procédé utilisé pour fabriquer la préforme, la fibre qu'on peut étirer à partir d'elle ne sera pas meilleure que la préforme elle-même Il est donc essentiel d'inspecter la préforme avant d'étirer la fibre, pour détermi- ner sa structure interne On peut effectuer ceci de diverses manières, comme il est expliqué dans les descriptions des bre- vets précités De façon caractéristique, la différence maxima- le entre les indices de réfraction du coeur et de la gaine n'est que de quelques centièmes de pour cent, ce qui fait que la réfraction à l'interface coeurgaine est très faible Il peut cependant y avoir une différence considérable entre les indices de la gaine et de l'ambiance environnante, comme l'air. Pour des préformes en silice, l'indice de la gaine est de 1,46. Il se produit donc une réfraction importante à l'interface air- gaine Ceci est représenté sur la figure 1 qui montre l'effet de la gaine sur les rayons parallèles 13 associés à une onde plane qui rencontre la préforme 10 Comme on peut le voir, les rayons incidente sont réfractés à l'interface air-gaine, ce qui fait qu'ils atteignent le coeur sous la forme d'un faisceau fortement convergent Comme indiqué ci-dessus, ceci n'est pas satisfaisant pour effectuer des mesures précises du profil du coeur. On utilise habituellement un fluide d'adaptation d'indice pour éviter la réfraction de la lumière à la limite extérieure de la préforme Dans la configuration qui est repré- sentée sur la figure 2, on utilise un faisceau divergent pour illuminer la préforme En utilisant les m 4 mes numéros d'identi- fication que sur la figure 1 pour identifier les parties cor- respondantes de la préforme 10, la figure 2 montre un groupe de rayons divergents 14 atteignant la préforme 10 Dans cette con- figuration, la réfraction à l'interface air-gaine courbe les rayons de façon que les rayons paraxiaux soient parallèles à l'intérieur de la région de coeur Pour une préforme de rayon R et un indice de réfraction n on obtient de tels rayons pa- rallèles lorsque la source ponctuelle équivalente 15 est située à une distance D du centre de la préforme qui est donnée par la relation: D R n-l ( 1) On obtient commodément l'équivalent d'une telle sour- ce ponctuelle au moyen d'une lentille d'adaptation consistant en une lentille-barreau cylindrique circulaire dont l'axe lon- gitudinal z-z est aligné parallèlement à l'axe longitudinal z'-z' de la préforme, à une distance S, comme le montre la fi- gure 3 Si on désigne respectivement par R 1, N 1 et R 2, N 2 les rayons et les indices de la lentille 30 et de la préforme 31, l'angle o( d'un rayon incident 32 à l'intérieur de la préforme est donné par la relation: Yi L Ci( = 12 R 2 2 (n 1-1) (n 2-1) nln 2 n 2-1 -R 1 N 2 n 1-1 -2 R 2 n V ( 2) dans laquelle X Y 1 est la distance entre l'un des rayons paral- lèles incidents et le plan qui est défini par les axes z-z et z'-z'. Pour que les rayons soient collimatés à l'intérieur de la préforme, on rend c O égal à zéro et on obtient: n 1 R 1 (n 2 1) + 2 N 2 R 2 (nl 1) $S 2 (n 1 1 ')(n 21) ( 3) Pour le cas spécial dans lequel la lentille et la préforme sont constituées par la même matière (n 1 = N 2 = n), l'équation ( 3) se réduit à: rayon, R 1 n(R 1 + 2 R 2) s = 2 (n-1) ( 4) Si, en plus, la lentille et la préforme ont le m 4 me = R 2 = R, on obtient: S=If l - l ( 5) Malheureusement, une lentille circulaire n'est pas une très bonne lentille dans le sens o elle n'a pas un seul foyer bien défini Ceci est représenté sur la figure 4 qui montre l'effet de focalisation d'une lentille d'adaptation 40 sur un faisceau incident Comme on peut le voir, les rayons convergents ne se coupent pas en un seul point, mais au con- traire sur un intervalle 41 De plus, des parties 44 et 44 ' de la préforme 42 sont inaccessibles aux rayons incidents et ne peuvent donc pas 4 tre observées par cette technique Pour voir pourquoi, on considèrera un rayon 45 qui est tangent à la préforme Alors que les rayons ayant un angle d'incidence plus petit peuvent entrer dans la préforme, les rayons ayant un angle plus grand ne peuvent pas entrer Par conséquent, les régions hachurées 44 et 44 ' demeurent non illuminées En outre, les rayons incidents orientée avec ces angles d'inci- dence relativement grands ne traversent pas la préforme sous un angle " = O Pour ces raisons, il est avantageux de res- treindre l'utilisation de cette technique à des préformes et des fibres ayant un rayon de coeur r O qui est faible par rap- port au rayon R 2 de la gaine extérieure Une limite pratique est donnée par la relation s R 2 r O éloigné des régions hachurées 44, 44 '. Exemples Les figures 5 à 8 montrent des tracés de rayons cal- culée pour des lentilles d'adaptation et des préformes ayant différentes tailles et différents écartements Dans tous les cas, les indices N 1 et N 2 sont les mêmes et égaux à 1,46. Dans l'exemple de la figure 5, les rayons satisfont la relation R 1 = R 2 = R et l'écartement S est tel que S/R = 4,78 Dans ce cas, on voit que les rayons proches de l'axe optique 0-0 sont bien collimatés dans la préforme On peut également obtenir cette condition pour les cas dans lesquels le rayon de la lentille est supérieur ou inférieur au rayon de la préforme, comme le montrent les figures 6 et 7. Au contraire, la figure 8 montre un choix de para- mètres moins satisfaisant,(mais néanmoins utile) qui conduit à une condition de rayons légèrement divergents à l'intérieur de la préforme. Ces divers exemples montrent la variété de tailles de lentille et d'écartements qu'on peut employer pour obtenir un faisceau lumineux bien collimaté à l'intérieur de la pré- forme, conformément à l'invention. Bien qu'on ait utilisé une lentille-barreau simple pour montrer les principes de l'invention, il faut noter que d'autres structures de lentille peuvent être employées tout aussi aisément Les principaux avantages de la lentille-bar- reau sont sa simplicité et le fait qu'elle soit aisément dis- ponible. Il va de soi que de nombreuses autres modifications peuvent etre apportées au procédé décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé d'observation de la structure interne d'un barreau transparent ( 12) dans lequel on illumine trans- versalement une longueur du barreau à observer, caractérisé en ce que le faisceau d'illumination qui arrive sur le barreau est un faisceau divergent ( 14). 2.Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau divergent est produit par une lentille-barreau (D 0, 40, 50). 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le barreau à observer est une préforme de fibre optique.