Brevet FR2741456A1 — publié le 19970523

Procédé de conformation d'une extrémité de fibre optique, et fibre ainsi obtenue. La présente invention concerne des perfectionnements apportés à la conformation selon un profil souhaité d'une extrémité de fibre optique. I1 est connu d'étudier ou de contrôler des milieux multiphasiques -gazeux et/ou liquides et/ou solides- à l'aide de sondes optiques, et notamment à l'aide d'une monosonde optique, comportant une fibre optique unique dont 1'extrémité est immergée dans le milieu à analyser. Un problème majeur rencontré dans ces détections provient de la grande variabilité de la courbe d'étalonnage représentant la durée de la transition du signal délivré par le capteur lors de la traversée d'une interface séparant deux phases en fonction de la vitesse de déplacement de ladite interface; la forme de cette courbe de réponse est dépendante, entre autres facteurs, de la géométrie de l'extrémité de la fibre optique de détection et de la distribution de l'indice de réfraction. Des formes d'extrémité de fibre optique qui sont bien adaptées pour la mesure des vitesses d'interfaces de milieux multiphasique sont basées sur des formes coniques. Des conformations coniques d'extrémité de fibre optique sont déjà connues et utilisées pour faciliter le couplage lumineux entre une source et une fibre optique, par exemple entre diode laser et fibre optique monomode. La forme conique souhaitée est obtenue par attaque chimique contrôlée de l'extrémité de la fibre. On peut citer plus particulièrement à ce sujet le brevet US-4 469 554 qui décrit un procédé consistant en l'utilisation d'une couche de fluide inerte surnageant sur un acide destiné à attaquer la fibre, ce qui permet de contrôler l'angle du cône formé en bout de fibre. Une quantification de l'influence du fluide surnageant a été établie par Takashi Ken. M. dans l'article "Meniscus shapes on small diameter fibers", 1990, Journal of Colloid and Interface Science, vol. 134, N" 1, page 181-187.Toutefois, tous ces enseignements sont limités à la formation d'un cône, exclusivement, constituant le bout d'une fibre. L'invention a essentiellement pour but de proposer un procédé perfectionné qui permette de donner à une extrémité de fibre optique une conformation complexe à base de forme conique, mais non uniquement et strictement conique, forme complexe qui doit permettre de détecter avec une grande précision des interfaces de milieux multiphasiques en circulation. A ces fins, l'invention propose un procédé pour conformer une extrémité d'une fibre optique selon une configuration souhaitée avec au moins une variation de sa dimension transversale, ledit procédé consistant à plonger l'extrémité de la fibre dans un bain contenant un premier liquide corrosif vis-à-vis du matériau constitutif de la fibre et surmonté par un second liquide non miscible avec ledit premier liquide et inerte vis-à-vis du matériau constitutif de la fibre, lequel procédé se caractérise essentiellement en ce que l'extrémité de la fibre est maintenue dans le liquide corrosif pendant un temps inférieur à celui nécessaire pour la destruction complète de la fibre et est simultanément déplacée dans différentes positions d'enfoncement décroissant au cours du traitement, de sorte qu'il est possible de former une extrémité de fibre ayant une dimension transversale variable de façon prédéterminée. En particulier, pour former des tronçons de forme tronconique, on retire progressivement la fibre hors du premier liquide avec une vitesse de relevée prédéterminée et pendant un temps prédéterminé, la dimension transversale de la fibre étant croissante depuis le bout de la fibre où elle est minimale jusqu'au corps de la fibre ou elle est maximale. Ensuite, l'extrémité de la fibre peut être retirée totalement du premier liquide de façon que l'extrémité de la fiche comprennent deux positions cylindriques de révolution de diamètres différents séparées par une partie tronconique; ou bien elle peut être retirée partiellement hors du second liquide d'une distance prédéterminée et alors la partie de la fibre laissée immergée dans le premier liquide y est maintenue jusqu'à sa destruction complète ou bien elle y est maintenue jusqu'à obtention d'une dimension transversale prédéterminée, ces opération pouvant être répétées plusieurs fois. Grâce au procédé de l'invention, il est possible de donner à une extrémité de fibre optique une forme complexe combinant des parties coniques (ou tronconiques) avec des parties cylindriques de révolution, et cela avec un étagement de dimensions transversales quelconques. Il est ainsi possible d'équiper l'extrémité de la fibre optique de zones parfaitement localisées longitudinalement qui présentent des variations de dimensions transversales.Sachant que les signaux fournis par des capteurs à fibre optique présentent un front (discontinuité) chaque fois qu'une interface du milieu multiphasique balaye une telle zone à dimension transversale variable (bout de fibre, partie conique ou tronconique), il suffit alors de mesurer le temps de transit entre deux ou plusieurs fronts détectés pour en déduire la vitesse de déplacement de l'interface avec une précision élevée qui repose sur la précision de la localisation desdites zones au cours de la fabrication de l'extrémité de la fibre. La mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention permet de réaliser de très nombreuses conformations d'extrémité de fibre optique, notamment (du corps vers le bout de la fibre) : tronc de cône suivi d'un cylindre de révolution; tronc de cône (cylindre de révolution de longueur nulle) tronc de cône suivi d'un cylindre de révolution suivi luimême d'un cône ou d'un tronc de cône ; succession multiple de troncs de cône et de cylindres de révolution se terminant par un cône ou par un tronc de cône (clivage) ou par toute autre forme susceptible d'être obtenue par chauffage (hémisphère, lentille boule,...). L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit de certains modes de réalisation préférés donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs. Dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 illustre une suite d'étapes de mise en oeuvre du procédé de l'invention - la figure 2 illustre une suite d'étapes d'une variante de mise en oeuvre de l'invention ; - les figures 3 à 5 sont des vues très schématiques, de côté, d'extrémités de fibre optique à forme complexe obtenues par mise en oeuvre du procédé de l'invention ; - la figure 6 illustre un mode de mesure de la vitesse de déplacement d'une interface de milieu multiphasique à l'aide d'une sonde agencée conformément à l'invention. La figure 1 à laquelle on se réfère en premier lieu illustre la suite d'étapes d'une mise en oeuvre simple du procédé de l'invention. L'extrémité d'une fibre optique 1 cylindrique de révolution est traitée en étant plongée de façon contrôlée dans un bain liquide 2 à deux constituants non miscibles. Le liquide sous-jacent ou couche inférieure 3 est apte à attaquer chimiquement le matériau constitutif de la fibre 1; par exemple pour une fibre en silice, le liquide 3 peut être de l'acide fluorhydrique à une concentration variable selon les conditions du traitement -composition de la silice, vitesse d'attaque notamment-. Sur la couche de liquide 3 surnage une couche 4 d'un liquide non miscible avec le liquide 3 et inerte vis-à-vis du matériau constitutif de la fibre ; un liquide inerte approprié dans le cadre de l'exemple typique précité peut etre l'huile de paraffine ou l'huile de vaseline. Les deux couches liquides 3 et 4 sont séparées par une interface 5. A l'étape (a), on enfonce l'extrémité de la fibre 1 à bout clivé dans le bain 2 de manière qu'elle pénètre d'une longueur L sous le niveau normal de l'interface 5. On notera ici que, au contact de chacun des liquides 3 et 4 avec la surface de la fibre 1, il se forme un ménisque à concavité tournée vers le haut. En particulier, au niveau du contact de l'interface 5 avec la fibre 1 (ligne triple fibre/premier liquide/second liquide), il se forme un ménisque de hauteur h. En conséquence la longueur exacte de pénétration de l'extrémité de la fibre optique dans le liquide corrosif 3 est L + h. Immédiatement après l'introduction de la fibre dans le liquide corrosif 3, on remonte (flèche 7) la fibre 1 avec une vitesse contrôlée (étape b). La corrosion du matériau constitutif de la fibre est d'autant plus importante que la durée d'immersion est longue : il en résulte donc la formation par attaque chimique d'une surface tronconique 8 dont l'angle d'inclinaison, qui doit être prédéterminé pour l'obtention d'une efficacité maximale lors des mesures effectuées ultérieurement avec la sonde, est contrôlé par la vitesse de relevée de la fibre pour une concentration donnée du liquide d'attaque 3.On notera qu'au cours de cette étape, la ligne triple s'accroche sur la fibre, non plus sur une surface cylindrique de révolution, mais sur une surface conique : il en résulte que le ménisque présente alors une hauteur notablement réduite. Au bout d'un temps d'attaque prédéterminé, la fibre est extraite rapidement du bain 2 comme schématisé par la flèche 9 (étape c). Une portion terminale 10 de la fibre, de longueur li, est restée immergée en totalité dans le bain corrosif 3 pendant la totalité du susdit temps d'attaque prédéterminé et présente la forme d'un cylindre de révolution de diamètre réduite. Cette portion cylindrique 10 est surmontée d'une portion intermédiaire 8 de forme tronconique, de longueur 12, faisant la jonction avec le corps de fibre laissé intact. On comprend dès lors que de nombreuses possibilités de conformation de l'extrémité d'une fibre optique 1 sont offertes par la mise en oeuvre du procédé de l'invention, des formes multiples pouvant etre obtenues en modifiant le temps d'attaque chimique, la vitesse de relevée de la fibre et l'emplacement de la ligne triple le long de la fibre. En particulier, le déroulement du procédé simple de la figure 1 peut être multiplié afin de former plusieurs tronçons tronconiques successifs, comme montré à la fig. 2. Les étapes (a) et (b) de la fig. 2 sont identiques aux étapes (a) et (b) de la fig. 1. A l'étape (c), au lieu d'extraire la fibre 1 totalement hors du bain 2 comme prévu à la fig. 1, la fibre 1 est ici seulement remontée rapidement d'une distance L prédéterminée (flèche 11). Puis une attaque contrôlée avec remontée lente (flèche 12) de la fibre 1 est à nouveau effectuée (étape d) pour former un second tronçon tronconique 13. Enfin l'attaque chimique est interrompue en sortant rapidement la fibre 1 hors du bain 2 (étape e). L'extrémité de la fibre 1 est alors conformée avec deux tronçons tronconiques 8 et 13 séparés par un tronçon cylindrique 14 de longueur L et ayant un diamètre réduit, et d'un tronçon terminal cylindrique 15 à bout clivé et ayant un diamètre encore réduit. Il est également possible donner au bout terminal de la fibre 1 une conformation conique en prévoyant, en dernière étape du processus, une étape d'attaque contrôlée menée jusqu'à disparition complète du matériau. Les figures 3 et 4 montrent deux extrémités de fibre 1, par ailleurs conformées dans les mêmes conditions que montré précédemment respectivement aux figures 1 et 2, et qui se terminent par un bout conique 16. Il est également possible de mener une attaque contrôlée sur le bout clivé d'une fibre, en arrêtant le processus avant formation d'une pointe, de manière que la fibre 1 se termine par un tronçon tronconique 17 avec bout clivé 18 de diamètre réduit comme montré à la fig. 5. Le procédé mis en oeuvre pour conformer l'extrémité d'une fibre optique autorise un positionnement longitudinal très précis des tronçons à diamètre variable (tronconique), ainsi qu'une détermination très précise de leurs longueurs respectives, et ce mode de fabrication est répétitif de façon fiable. Il devient alors possible d'envisager un étalonnage efficace d'un appareil d'analyse de milieu multiphasique incorporant un capteur à fibre optique ainsi conformé.Les mesures permises par un tel appareil deviennent alors précises puisque les tronçons de diamètre variable de la fibre, qui sont séparés d'une distance connue avec précision, se traduisent dans le signal recueilli par des singularités (flanc de transition de niveaux) séparées par des distances et/ou des intervalles de temps qui peuvent être mesurés avec précision et qui fournissent une donnée précise sur l'évolution d'une interface séparant deux fluides (liquide/liquide ou gaz/liquide) ou un solide et un fluide, en mouvement relatif par rapport au capteur. A titre d'exemple, on a représenté à la figure 6 une courbe de réponse 19 susceptible d'être délivrée par un capteur comportant une fibre à extrémité conformée selon la figure 3. On a porté en ordonnées l'amplitude du signal de sortie et en abscisses le temps t. Sous l'axe des abscisses, on a représenté la position relative de l'extrémité de la fibre 1 et d'une interface 20 en correspondance avec des portions correspondantes de la courbe 19. Initialement, l'interface 20 se trouve éloignée de la fibre l et seul un niveau de bruit de fond 21 apparaît en sortie du capteur. A l'instant t1, l'interface 20 atteint la pointe de l'extrémité de la fibre 1 et l'amplitude du signal de sortie croît (front 22) jusqu'à l'instant t2 où l'interface 20 atteint la portion cylindrique 10. L'interface 20 parcourt ensuite la portion cylindrique 10 sans qu'il en résulte de modification sensible du niveau du signal de sortie (palier 23). A l'instant t3, l'interface 20 atteint la portion tronconique 8 et balaye celle-ci jusqu'à l'instant t4, provoquant un accroissement corrélatif du niveau du signal de sortie (front 24). Enfin, au-delà de la portion tronconique 8, après l'instant t4, le niveau du signal de sortie ne varie plus (palier 25). Connaissant avec précision la position et les dimensions des portions conique 16 et tronconique 8, la détection précise des instants tl, t2, t3 et t4 permet de recueillir des informations fiable sur le déplacement de l'interface 20, et notamment sur sa vitesse. Comme il va de soi et comme il résulte déja de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé pour conformer une extrémité d'une fibre optique selon une configuration souhaitée avec au moins une variation de sa dimension transversale, ledit procédé consistant à plonger l'extrémité de la fibre (1) dans un bain (2) contenant un premier liquide (3) corrosif vis-à-vis du matériau constitutif de la fibre et surmonté par un second liquide (4) non miscible avec ledit premier liquide et inerte vis-à-vis du matériau constitutif de la fibre, caractérisé en ce que l'extrémité de la fibre est maintenue dans le liquide corrosif (3) pendant un temps inférieur à celui nécessaire pour la destruction complète de la fibre et est simultanément déplacée dans différentes positions d'enfoncement décroissant au cours du traitement, de sorte qu'il est possible de former une extrémité de fibre ayant une dimension transversale variable de façon prédéterminée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'ensuite l'extrémité de la fibre (1) est retirée totalement du premier liquide (3). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'ensuite la fibre (1) est partiellement retirée hors du premier liquide (3) d'une distance prédéterminée (13). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie de la fibre (1) laissée immergée dans le premier liquide (3) y est maintenue jusqu'à sa destruction complète (16). 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie de la fibre laissée immergée dans le premier liquide (3) y est maintenue jusqu'à obtention d'une dimension transversale prédéterminée (13). 6. Procédé selon les revendications 3 et 5, caractérisé en ce que ces étapes sont répétées plusieurs fois. 7. Fibre optique, caractérisée en ce qu'elle possède une extrémité présentant au moins un tronçon tronconique (8, 17) formée selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Fibre optique selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comporte une extrémité présentant au moins un tronçon tronconique (8) suivi d'un tronçon cylindrique de révolution. 9. Fibre optique selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte une extrémité présentant plusieurs successions de tronçon tronconique suivi d'un tronçon cylindrique de révolution (13, 15 ; 8, 14). 10. Fibre optique selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisée en ce qu'elle comporte une extrémité possédant un bout de forme conique (16). 11. Utilisation d'une extrémité de fibre optique selon l'une quelconque des revendications 7 à 10 en tant que capteur pour la détection de la position et/ou de la vitesse d'une interface séparant deux fluides, liquide/liquide ou gaz/liquide, ou séparant un solide et un fluide, qui sont présents dans un écoulement en mouvement relatif par rapport au capteur.