Brevet FR2540638A1 — publié le 19840810

La présente invention concerne un procédé de production d'une-lentille en forme de lame présentant un gradient de son indice de réfraction dans la seule direction de son épais- seur, qui est par exemple utilisée pour le couplage optique entre une fibre de transmission optique et une source lumineuse du type laser à semiconducteur. Parmi les techniques de commande du faisceau lumi- neux dans un système de communication par fibres optiques, la technique de couplage entre la source lumineuse et la fibre optique, qui vise à coupler avec un haut rendement un faisceau lumineux sortant d'un laser à semiconducteur ou d'une diode électrolumines- cente faisant fonction de source lumineuse à un trajet de trans- mission par fibre optique, est une technique importante en ce qui concerne l'augmentation de la fiabilité du système de commu- nication En règle générale, on fait converger le faisceau lumineux sortant d'une source lumineuse à l'aide d'un élément optique, par exemple une lentille, afin d'améliorer l'efficacité du couplage à une fibre optique Les éléments optiques qui sont considérés comme efficaces sont une lentille cylindrique, une lentille sphérique, une lentille convergente en forme de tige possédant un gradient de son indice de réfraction, une lentille ordinaire à surface non sphérique, ou une combinaison de ces éléments. Parmi ces éléments optiques, la lentille cylin- drique assure efficacement la convergence d'un faisceau lumineux dans une direction particulière et, plus spécialement, assure efficacement la collimation d'un faisceau lumineux dont l'angle d'émission varie avec la direction, comme par exemple le faisceau lumineux produit par une source lumineuse du type laser à semi- conducteur Toutefois, en raison de ses aberrations, il n'est pas possible à une lentille cylindrique-de réaliser une collimation complète du faisceau lumineux De plus, une lentille cylindrique à surface non sphérique est un élément difficile à produire par polissage du verre. L'invention vise à produire une lentille en forme de lame qui présente un gradient de son indice de réfraction dans une seule direction, au moyen d'un procédé de "bourrage" moléculaire. Le procédé de "bourrage", ou remplissage, ou garnis- sage, moléculaire est un procédé bien connu de préparation d'un produit de verre en forme de tige possédant un gradient de son indice de réfraction Selon ce procédé, on utilise comme matière première une tige en verre poreux et on remplit ses fins pores au moyen d'agents de dopage (constituantsmodifiant l'indice de réfrac- tion) La demande de brevet japonnais publiée non examinée n O 126207/76 décrit, en même temps qu'un procédé de production de verre poreux, un procédé de production d'un produit de verre qui présente un gradient de son indice de réfraction, et qui est obtenu par le procédé du bourrage moléculaire. On décrit ci-dessous ce procédé de production d'un produit de verre présentant un gradient de son indice de réfraction. On soumet un verre au borosilicate à un traitement thermique dans des conditions prédéterminées afin de séparer en lui une phase riche en Si O 2 et une phase riche en oxyde de métal alcalin et en B 203 La phase riche en oxyde de métal alcalin et en B 203 se solubilise facilement dans les acides, et on lui applique donc une lixiviation, ou extraction par lessivage, en la traitant à l'aide d'une solution aqueuse d'un acide tel que l'acide chlorhy- drique, l'acide sulfurique et l'acide nitrique afin de préparer un verre poreux possèdant des micropores continus dont la phase riche en Si O constitue le squelette On fait s'infiltrer une * 2 solution d'agents de dopage dans les micropores du produit de verre poreux préparé de la manière ci-dessus indiquée (bourrage ou remplissage), puis on extrait, par lessivage du produit de verre ('Idébourrage" ou évacuation), une partie des agents de dopage afin de former dans le produit de verre un gradient de la concentra- tion en agents de dopage Après cela, on fait précipiter les agents de dopage, on fait sécher le produit de verre, puis on le soumet de nouveau à un traitement thermique afin de faire s'effondrer les micropores, de sorte qu'il est obtenu le produit de verre voulu présentant un gradient de son indice de réfraction dans la direc- tion radiale Dans le produit de verre en forme de tige ainsi réalisé, qui présente un gradient de son indice de réfraction dans -2540638 la direction radiale, le gradient de l'indice de réfraction varie selon l'équation suivante n(r) = N 2 ll(gr) ( 1) o r représente le rayon, no représente l'indice de réfraction de la partie centrale, et g est une constante. Ainsi, le produit de verre peut être utilisé comme lentille en forme de tige dans un-ensemble de microlentilles ou comme microlentille permettant de coupler des fibres optiques. Un but de l'invention est de proposer un procédé permettant de produire une lentille en forme de lame présentant un gradient de son indice de réfraction dans une seule direction par utilisation du procédé de bourrage moléculaire tel que décrit ci-dessus. La présente invention, suivant un mode de réalisa- tion, décrit un procédé de production d'une lentille en forme de lame présentant un gradient de son indice de réfraction dans la seule direction de son épaisseur, qui consiste à: bourrer d'une solution d'un agent de dopage les micropores d'un produit de verre poreux en forme de plaque évacuer une partie de l'agent de dopage afin de créer un gradient de la concentration en agent de dopage dans le produit de verre poreux; faire précipiter l'agent de dopage dans les micro- pores faire sécher le produit de verre poreux afin que le solvant restant dans les-micropores s'évapore; faire s'affaisser les micropores par application d'un traitement thermique afin de créer un gradient de l'indice de réfraction dans le produit de verre en forme de plaque; et découper les extrémités latérales du produit de verre en forme de plaque. Selon un autre mode de réalisation, l'invention décrit un procédé de production d'une lentille en forme de lame possédant un gradient de son indice de réfraction dans la seule direction de son épaisseur, qui consiste à: couvrir les deux surfaces latérales d'un produit de verre poreux en forme de plaque au moyen d'une pellicule résistant à la chaleur; bourrer d'une solution d'un agent de dopage les micropores du produit en verre poreux en forme de plaque, évacuer une partie de l'agent de dopage suivant la direction de l'épaisseur afin de créer un gradient de la con- centration en agent de dopage dans le produit de verre poreux en forme de plaque suivant la seule direction de son épaisseur faire précipiter l'agent de dopage se trouvant dans les micropores faire sécher le produit de verre poreux afin que le solvant restant dans les micropores s'évapore; et faire s'affaisser les micropores par application d'un traitement thermique afin de-créer un gradient de l'indice de réfraction dans la seule direction de l'épaisseur. La description suivante, conçue à titre d'illus- tration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: -la figure 1 est un schéma de principe illustrant le procédé de l'invention; la figure 2 est une vue en perspective d'un produit de verre poreux en forme de plaque revêtu d'une pellicule au niveau de ses deux surfaces latérales les figures 3 (a) et 3 (b) représentent des courbes tridimensionnellesillustrant la répartition de la concentration en agent de dopage dans un produit de verre en forme de plaque la figure 4 est une courbe de la distribution de l'indice de réfraction dans la lentille en forme de lame selon l'invention suivant la direction de son épaisseur; la figure 5 est une courbe de la distribution de l'indice de réfraction dans la lentille en forme de lame selon l'invention suivant la direction de sa largeur; et les figures 6 et 7 sont chacune des vues montrant l'utilisation de la lentille en forme de lame selon l'invention. Les numéros de référence utilisés dans la description désignent les parties suivantes 1 Produits de verre poreux en forme de plaque 2, 2 ' Surfaces latérales du produits de verre poreux 3 Courbe de distribution de la concentration 4, 7 Source'lumineuse Lentille en forme de lame 6 Faisceau lumineux parallèle 8 Faisceau lumineux convergent Le produit de verre poreux en forme de plaque qui est utilisé comme matière première dans le procédé de l'invention peut être préparé par exemple au moyen d'un procédé tel que décrit ci-dessous. On soumet une plaque de verre en borosilicate, du type pouvant supporter une séparation de phase, à un traitement thermique dans des conditions prédéterminées dans le but de séparer le verre en une phase riche en Si O 2 et une phase riche en oxyde de métal alcalin et B 203 On traite ensuite la plaque de verre à l'aide d'une solution aqueuse contenant un acide, par exemple de l'acide chlorhydrique, de l'acide sulfurique ou de l'acide nitrique, de façon à extraire par lessivage la phase-riche en oxyde de métal alcalin et en B 203 qui est soluble dans l'acide, si bien que l'on obtient le produit de verre poreux voulu comportant des micropores continus dont la phase riche en Si O constitue le squelette Pour le produit de verre poreux en forme de plaque qui est présentement utilisé, il est préférable que la largeur soit au moins égale à deux fois l'épaisseur. On décrit le procédé de l'invention en relation avec les dessins annexés. La figure 1 est un schéma de principe montrant toutes les opérations selon l'invention, o une voie (a) indique le premier mode de réalisation de l'invention tel que ci-dessus décrit et une voie (b) le deuxième mode de réalisation Selon le procédé de l'invention, on immerge dans une solution d'agent de dopage un produit 1 de verre poreux en forme de plaque tel qu'in- diqué ou après avoir revêtu les deux surfaces latérales 2 et 2 ' du produit de verre 1 au moyen d'une pellicule résistant à la chaleur, comme le montre la figure 2 De cette manière, les micro- pores du produit de verre 1 se remplissent de l'agent de dopage. On immerge ensuite le produit de verre 1 dans de l'eau ou une solution mélangeant de l'eau et un solvant organique de façon à extraire par lessivage une partie de l'agent de dopage hors du produit de verre poreux 1, si bien qu'un gradient de concentra- tion en agent de dopage se forme dans le produit de verre 1 de la manière indiquée sur la figure 3 (a) ou la figure 3 (b) Ainsi, la figure 3 (a) montre une courbe 3 de distribution de l'agent de dopage qui correspond au cas o les processus de bourrage et d'évacuation ont été effectués sans que les deux surfaces latérales du produit de verre laientété recouvertes par la pellicule, tandis que la figure 3 (b) montre une courbe 3 de distribution de l'agent de dopage qui correspond au cas o les processus de bourrage et d'évacuation ont été effectués après que les deux surfaces laté- rales du produit de verre 1 aient été revêtues Indépendamment du fait que les deux surfaces latérales du produit de verre 1 aient été ou non revêtues au moyen de la pellicule, il est préfé- rable que les surfaces supérieure et inférieure du produit de verre 1 soient revêtues au moyen d'une pellicule résistant à la chaleur dans le but d'empêcher le bourrage et l'évacuation de l'agent de dopage suivant la direction longitudinale du produit de verre 1. Après la formation de la distribution prédéter minée de l'agent de dopage dans le produit de verre poreux, on immerge le produit de verre poreux dans un solvant organique maintenu à basse température afin de faire précipiter l'agent de dopage dans ses micropores Ensuite, on fait sécher le produit de verre afin de faire évaporer le solvant restant dans les micro- pores Après enlèvement de la pellicule dans le cas o les sur- faces latérales en ont été revêtue, on fait s'effondrer les micropores en appliquant un traitement thermique De cette manière, il peut être obtenu un produit de verre en forme de plaque qui présente un gradient de son indice de réfraction. La courbe de la distribution de l'indice de réfraction du produit de verre en forme de plaque préparé de la manière ci- dessus indiquéeest analogue-à la courbe de la distribution de l'agent de dopage présentée sur les figures 3 (a) et 3 (b) La courbe de distributuon de l'indice de réfraction du produit de verre en forme de plaque préparé sans revêtement de ses surfaces latérales est, comme on peut le supposer à partir de la figure 3 (a), telle que l'indice de réfraction diminue graduellement en direc- tion de l'extérieur suivant la direction de l'épaisseur, tandis qu'il diminue également graduellement vers l'extérieur dans les seules parties terminales latérales suivant la direction de la largeur, alors qu'il est constant ou uniforme au niveau de la partie centrale Dans ce cas, si la largeur du produit de verre poreux en forme de plaque est inférieure à deux fois son épaisseur, il n'est pas possible de former une partie présentant un indice de réfraction uniforme au niveau de la partie centrale suivant la direction de la largeur Même dans le cas o l'on effectue la mise en oeuvre de l'invention sans couvrir les surfaces latérales au moyen d'une pellicule, on peut obtenir un produit de verre en forme de plaque présentant un indice de réfraction muniforme suivant la direction de la largeur au niveau de sa partie centrale en utilisant, comme matière première, un produit de verre poreux en forme de plaque dans lequel la largeur est au moins égale à deux fois l'épaisseur Ainsi, lorsque l'on a enlevé les extrémités latérales du produit de verre en forme de plaque afin d'éliminer les parties dans lesquelles l'indice de réfraction devient plus petit selon la direction de la largeur et de ne laisser qu'une partie dans laquelle l'indice de réfraction est uniforme suivant la direction de la largeur, on obtient un verre en forme de lame présentant un gradient de son indice de réfraction dans la seule direction de son épaisseur. Inversement, dans le cas du produit de verre en forme -de plaque qui a été préparé alors que ses deux surfaces latérales étaient recouvertes de la pellicule, on peut obtenir, ainsi que le laisse supposer la figure 3 (b), un produit de verre en forme de lame présentant un gradient de son indice de réfraction dans la seule direction de son épaisseur au moment même o le traitement thermique est achevé Ainsi, une plaque ou un prisme de verre dont des parties correspondant au dessus et au dessous ont été retirées possèdent un gradient de son indice de réfraction qui satisfait presque à l'équation ( 1) décrite ci-dessus comme le montre la figure 4, suivant la direction de l'épaisseur, tandis que, inversement, le prisme ou la plaque possède un indice de réfraction uniforme, comme le montre la figure 5, suivant la direc- tion de la largeur. Ainsi, la lentille en forme de lame préparée par le procédé de l'invention fait efficacement fonction d'élément optique, comme par exemple un élément optique 5 présenté sur la figure 6 qui est employé pour collimater un faisceau lumineux émanant d'une source de lumière 4, l'angle de rayonnement n'étant grand que dans une seule direction ou étant variable, en un faisceau de lumière parallèle 6, ou par exemple un élément optique repré- senté sur la figure 7 qui est utilisé pour faire converger un faisceau parallèle émanant d'une source lumineuse 7. On va décrire l'invention de manière plus détaillée en relation avec les exemples suivants. Exemple 1 On fait fondre à 1 450 'C pendant 3 heures du verre constitué de 54,50 %, en poids, de Si O 2, de 34,30 en poids, de B 203, de 5,20 %, en poids, de Na 20 et de 6,00 %, en poids, de K 20, tout en agitant pendant environ 1 heure au cours du processus de fusion On coule le verre fondu dans un moule, que l'on maintient à 580 C pendant 1 heure, après quoi on laisse refroidir dans un four de façon à obtenir un bloc de verre On coupe ce bloc de verre de façon à former une plaque de verre ayant une épaisseur de 4 mm, une largeur de 12 mm et une longueur de 70 mm On chauffe cette plaque de verre à 540 C pendant 120 heures de façon à produire la séparation de phase On traite la plaque de verre ainsi obtenue dans une solution aqueuse à 1,5 N de H SO à une température de l Oo'C pendant de 12 à 24 heures de 2 4 façon à obtenir une plaque de verre poreux. On immerge la plaque de verre poreux dans une solution aqueuse contenant 120 g de Cs NO 3 pour 100 ml d'eau à une température de 100 C pendant 24 heures afin de réaliser le "bourrage", ou remplissage, après quoi on immerge dans une solu- tion aqueuse contenant 40 %/, en volume, d'éthanol à une température de 70 C pendant 20 minutes afin de réaliser le "débourrage", ou évacuation On immerge ensuite la plaque de verre dans une solution d'éthanol maintenue à 00 C pendant 3 heures afin de faire précipiter l'agent de dopage dans les micropores On fait sécher la plaque de verre en la maintenant à la température ambiante pendant un jour, pendant lequel le solvant s'évapore On chauffe la plaque de verre à une température de 900 C pendant 6 heures afin de faire s'affaisser les micropores, si bien que l'on obtient une plaque de verre transparent possédant une épaisseur de 3, 6 mm, une largeur de 10,5 mm et une longueur de 60 mm On découpe On découpe deux parties latérales sur une largeur de 2 mm suivant la direction de la largeur de la plaque de verre. De plus, on découpe les parties supérieure et inférieure sur une largeur de 2,5 mm suivant la direction de la longueur pour produire un produit de verre en forme de plaque ayant une épaisseur de-3,6 mm, une largeur de 6,5 mm et une longueur de 55 mm. Le produit de verre ainsi obtenu possède un gradient de son indice de réfraction dans la seule direction dé son épaisseur Selon l'équation ( 1) ci-dessus décrite, la distri- bution de l'indice de réfraction est n( = 1,47 et g = 0,10 Ainsi, il s'agit d'une -lentille en forme de lame possédant un indice de réfraction uniforme suivant la direction de la largeur. Exemple 2 On couvre d'un ruban adhésif de Téflon les deux surfaces latérales d'un produit de verre poreux préparé de la manière indiquée dans l'exemple 1 On fait subir au produit de verre poreux des opérations de "bourrage", "débourrage", précipi- tation et séchage dans les conditions indiquées dans l'exemple 1. Ensuite, on retire les bandes de Téflon, et on fait subir un traitement thermique, dans les mêmes conditions que pour l'exemple 1, au produit de verre poreux afin d'obtenir un produit de verre transparent possèdant une épaisseur de 3,6 mm, une largeur de 10,5 mm et une longueur de 60 mm. On découpe les extrémités supérieure et inférieure sur une largeur de 2,5 mn suivant la direction de la longueur de la plaque de verre, ce qui ramène la longueur de la partie centrale à 55 mm La plaque de verre ainsi produite est une lentille en forme de lame ayant les mêmes constantes de distribution que dans l'exemple 1 et possédant un gradient de son indice de réfraction dans la seule direction de son épaisseur. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir des procédés dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. 1 l R E V E N D I C A T I 0 N S 1 Procédé de production d'une lentille en forme de lame présentant un gradient de son indice de réfraction dans'la seule direction de son épaisseur, caractérisé encequ'ilccnsiste à: bourrer d'une solution d'un agent de dopage les micropores d'un produit ( 1) de verre poreux en forme de plaque évacuer une partie de l'agent de dopage afin de former un gradient de la concentration en agent de dopage dans le produit de verre poreux; - faire précipiter l'agent de dopage dans les micro- pores faire sécher le produit de verre poreux afin que le solvant restant dans les micropores s'évapore; - faire s'affaisser les micropores en-appliquant un traitement thermique afin de former un gradient de l'indice de réfraction dans le produit de verre en forme de plaque; et découper les deux extrémités latérales du produit de verre en forme de plaque. 2 Procédé de production d'une lentille en forme de lame présentant un gradient de son indice de réfraction dans la seule direction de son épaisseur, caractériéence qu'il consiste à couvrir les deux surfaces latérales ( 2,2 ') d'un produit ( 1) de verre poreux en forme de plaque au moyen d'une pellicule résistant à la chaleur; bourrer d'une solution d'un agent de dopage les micropores du produit de verre poreux en forme de plaque; évacuer une partie de l'agent de dopage suivant la direction de son épaisseur pour former un gradient de la concentration en agent de dopage dans le produit de verre poreux en forme de plaque suivant la seule direction de son épaisseur faire précipiter l'agent de dopage dans les micropores faire sécher le produit de verre poreux afin que le solvant restant dans les micropores s'évapore faire s'affaiser les micropores en appliquant un traitement thermique afin de former un gradient de l'indice de réfraction dans la seule direction de son épaisseur.