Brevet FR2740879A1 — publié le 19970509

COUPLEUR LASER-FIBRE OPTIQUE POUR LASER DE PUISSANCE La présente invention concerne un dispositif de couplage entre un laser et une fibre optique. La présente invention concerne plus particulièrement l'injection d'un faisceau de lumière laser de haute énergie dans une fibre optique. Ces dernières années, depuis l'apparition de la technologie des lasers ("Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations") on a développé des lasers de puissance capables de générer une lumière cohérente de grande énergie pouvant transmettre des puissances de l'ordre de plusieurs kilowatts. Ces lasers ont trouvé de nombreuses applications dans l'industrie, en médecine, ou dans le domaine de la recherche. Ces lasers étant des dispositifs lourds et encombrants, de telles applications ont pu voir le jour grâce à la possibilité de transporter la lumière laser au moyen de fibres optiques jusqu'aux lieux de travail ou d'expérimentation. Toutefois, à l'heure actuelle, certains lasers restent peu utilisés en dehors d'applications de laboratoire en raison des difficultés que posent le transport dans les fibres optiques de la lumière qu'ils émettent. Il s'agit notamment des lasers à impulsions de type YAG, pouvant générer des impulsions lumineuses d'une énergie de l'ordre de 300 millijoules pendant une durée de l'ordre de 10 nanosecondes, soit une puissance considérable de 30 mégawatts par impulsion à une fréquence pouvant atteindre les 20 hertz (soit 20 impulsions par seconde). Ces lasers présentent pourtant un grand intérêt pratique et sont destinés comme les autres lasers de puissance à de nombreuses applications, notamment dans le domaine médical, par exemple pour les opérations hémostatiques, ou dans le domaine de la chimie et de la biologie, par exemple pour l'analyse des corps par spectrométrie ou spectroFcopie. En pratique, le problème que l'on rencontre avec ce type de lasers ne réside pas tant dans le transport du faisceau lumineux dans une fibre optique, mais plutôt dans l'introduction du faisceau dans la fibre. En effet, la quantité d'énergie du faisceau lumineux est telle qu'elle peut provoquer la destruction de la fibre au point de pénétration, appelé surface d'injection, si le faisceau n'est pas injecté avec les plus grandes précautions. Dans l'art antérieur, on a recours généralement à un dispositif coupleur du type représenté schématiquement en figure 1. Le coupleur classique 1, vu en coupe sur la figure 1, comprend essentiellement une lentille plan-convexe 2 convergente d'axe optique AA' passant par un point focal F pour envoyer un faisceau laser 3 sur la surface d'injection 4 d'une fibre optique 5. Un boîtier métallique 10 relié à une pompe à vide (non représentée) au moyen d'un bec d'aspiration il permet de diminuer la masse gazeuse au voisinage du point focal F de la lentille 2, où le faisceau laser 3 a la concentration maximale. On veut en effet éviter la formation d'un plasma gazeux qui entraînerait une importante perte d'énergie par émission lumineuse parasite. En pratique, un vide primaire dans le boîtier 10 de l'ordre de quelques millibars est suffisant.Par ailleurs, afin de ne pas détruire la fibre optique 5, l'ensemble est dimensionné de manière que le point de concentration maximale du faisceau laser 3, c'est-à-dire le point focal F, ne se trouve pas à l'intérieur de la fibre 5, mais à l'extérieur, en regard de la surface d'injection 4. Le coupleur 1 classique de la figure 1 est un système satisfaisant dans son principe mais présente certains inconvénients pratiques que l'on comprendra mieux dprès avoir décrit sa structure plus en détails. A une extrémité du boîtier 10, la lentille 2 est fixée sur un épaulement interne 12 du boîtier 10 au moyen d'un flasque 14, avec interposition d'un joint d'étanchéité 13. Le flasque 14 est vissé dans le boîtier 10 et présente un orifice permettant d'envoyer le faisceau laser 3 sur la lentille 2. A l'autre extrémité du boîtier 10, en face de la lentille 2, on trouve une paroi 15 percée par laquelle la fibre optique 5 est introduite dans le boîtier 10. Plus précisément, l'extrémité de la fibre 5 est prisonnière d'un connecteur 6 solidaire d'une plaque support 7 en appui contre la paroi 15 par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité 8, et l'ensemble fibre 5/connecteur 6 pénètre dans le boîtier 10. Pour assurer l'alignement de la fibre 5 sur l'axe optique AA' de la lentille 2, la plaque support 7 est réglable dans les deux directions orthogonales X et Y d'un plan perpendiculaire à AA'. Ainsi, après un réglage adéquat, le faisceau laser 3 concentré par la lentille 2 pénètre dans la fibre optique 5, par la face d'injection 4. Dans la pratique, on s'aperçoit que ce coupleur 1 classique présente l'inconvénient d'être rudimentaire et réservé aux applications de laboratoire. D'une part, le boîtier 10 n'est pas étanche en raison de fuites importantes se produisant entre la fibre 5 et le connecteur 6, de sorte que l'on doit procéder à un pompage permanent pour maintenir le vide. D'autre part, le réglage de la plaque support 7 dans les directions X et Y se fait par déformation du joint d'étanchéité 8 et conduit à une usure prématurée de celui-ci et à des problèmes supplémentaires d'étanchéité. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un coupleur laser-fibre optique qui présente une bonne étanchéité et ne nécessite pas de recourir de façon permanente à un système de pompage. Un objet plus particulier de la présente invention est de prévoir un coupleur laser-fibre optique qui se prête bien à une fabrication en série et à une utilisation à l'échelle industrielle. Ces objets sont atteints grâce à un dispositif de couplage entre un faisceau de lumière laser et une fibre optique, comprenant un boîtier sous vide dont une extrémité comporte une lentille de convergence du faisceau laser vers une surface d'injection de la fibre optique, dispositif dans lequel l'autre extrémité du boîtier comporte une paroi étanche transparente laissant traverser le faisceau laser, la fibre étant disposée à l'extérieur du boîtier, en regard de la paroi transparente. Selon un mode de réalisation, la paroi transparente, qui a pour fonction de laisser traverser le faisceau laser tout en assurant l'étanchéité du boîtier, est une lame de verre à faces parallèles. Avantageusement, un liquide optique est disposé entre la paroi transparente et la surface d'injection de la fibre. On crée ainsi entre la paroi transparente et la surface d'injection de la fibre un chemin optique sans variation brutale d'indice optique. Selon un mode de réalisation, le liquide optique forme une goutte maintenue par capillarité entre la paroi transparente et la surface d'injection de la fibre. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le boîtier sous vide est une ampoule de verre dont les extrémités sont formées par la lentille et la paroi transparente. Selon un mode de réalisation, le corps de l'ampoule comprend un prolongement formant une cuve remplie avec le liquide optique. Selon un mode de réalisation, l'ampoule est fixée sur un support monté coulissanc dans un bâti. Avantageusement, la lentille présente un diamètre supérieur au corps de l'ampoule et assure la fixation de l'ampoule. Avantageusement, quand l'extrémité de la fibre optique est maintenue par un connecteur, le connecteur est disposé en retrait de la surface d'injection de la fibre. Ainsi, un échauffement du connecteur dû à un rayonnement perdu n'endommage pas la surface d'injection. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs exemples de réalisation de coupleurs optiques selon l'invention, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles - la figure 1 précédemment décrite représente un coupleur optique de l'art antérieur, - la figure 2 représente schématiquement par une vue en coupe selon un axe AA' un premier mode de réalisation d'un coupleur optique selon l'invention, - la figure 3 représente schématiquement par une vue en coupe selon AA' un deuxième mode de réalisation d'un coupleur optique selon l'invention, et - la figure 4 représente de façon plus détaillée le mode de réalisation de la figure 3. La figure 2 représente un coupleur optique 20 selon l'invention. Comme le coupleur classique de la figure 1, le coupleur 20 comprend une lentille plan-convexe 21 à point focal F pour concentrer le faisceau laser 3 en regard de la surface d'injection 41 d'une fibre optique 40. Un boîtier 22 sous vide, par exemple un boîtier métallique, permet de diminuer la masse gazeuse au voisinage du point focal F de la lentille 21 afin d'éviter la formation d'un plasma. La fibre 40 est une fibre optique multimode classique à gradient ou à saut d'indice, et présente un diamètre de l'ordre du millimètre. Dans un souci de clarté et de lisibilité de la figure 2 et des figures suivantes, la fibre optique 40 n'est pas représentée avec la même échelle que les autres éléments. Toujours de façon classique, la lentille 21 est plaquée contre un épaulement 23 du boîtier 22 au moyen d'un flasque 24 vissé dans le boîtier 22. Un joint d'étanchéité 25 est prévu entre la lentille 21 et l'épaulement 23, et un joint 26 de protection est disposé entre la lentille 21 et le flasque 24. Selon l'invention, l'autre extrémité du boîtier 22, au lieu de recevoir la fibre optique 40, est fermée par une paroi transparente étanche qui prend ici la forme d'une lame de verre 30 à faces parallèles. La lame de verre 30 est appliquée contre un deuxième épaulement 31 du boîtier 22 par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité 32, et son maintien est assuré par un flasque 33 avec interposition d'un joint de protection 34. Pour faire le vide dans le boîtier 22, il est prévu une prise d'aspiration 26 munie d'une valve 27. On voit que grâce à la lame de verre 30, le boîtier 22 selon l'invention forme un ensemble parfaitement étanche pouvant avantageusement conserver une basse pression de l'ordre de quelques millibars sans nécessiter l'intervention permanente d'une pompe à vide. En regard de la lame de verre 30, on trouve la fibre optique 40 prisonnière d'un connecteur 42 maintenu par un dispositif 43 réglable dans des directions X, Y perpendiculaires à l'axe optique AA' de la lentille 21. Bien entendu, la fibre optique 40 ne pénètre pas dans le boîtier 22, la surface d'injection 41 de la fibre 40 et la lame de verre 30 se trouvant face à face et séparées par une distance d qui peut être choisie très petite, par exemple de l'ordre du millimètre, mais non nulle, car il est préférable que la surface d'injection 41 et la lame de verre 30 ne soient pas en contact, afin de ne pas les endommager ou provoquer des rayures. Ainsi, dans le coupleur optique 20 de l'invention, le faisceau 3 de lumière laser envoyé sur la lentille 21 se concentre au point focal F, à l'intérieur du boîtier 22, puis forme un faisceau divergent qui traverse la lame de verre 30 avant d'atteindre la surface d'injection 41 de la fibre 40. De préférence, pour les applications à très grande puissance, la lame de verre 30 est une lame revêtue sur ses deux faces d'un film antireflet afin d'éviter les réflexions parasites. Par ailleurs, toujours pour les applications à très grande puissance où le nombre d'impulsions laser par unité de temps est élevé, on peut disposer un liquide optique 45 entre la lame de verre 30 et la surface d'injection 41, de manière à offrir au faisceau laser 3 un chemin optique sans variation brutale d'indice entre l'entrée dans la lame de verre 30 et l'entrée dans la fibre optique 40. On choisira de préférence un liquide 45 ayant un indice optique semblable à celui du verre, de l'ordre de 1,5. Comme montré en figure 2, le liquide optique 45 peut être disposé sous forme d'une goutte qui se maintient seule par capillarité entre la lame 30 et la surface d'injection 41. Enfin, une variante de réalisation du boîtier 20 consiste à appliquer directement la lentille 21 et la lame de verre 30 contre les épaulements 23 et 31, sans interposition des joints 25 et 32, afin de garantir le parallélisme de l'ensemble, ltétanchéité étant assurée par des joints 26, 34 en forme de jupe couvrant la périphérie et les bords de la lentille 21 et de la lame 30. La figure 3 représente un mode de réalisation d'un coupleur 50 selon l'invention particulièrement avantageux en raison de sa simplicité, dans lequel le boîtier 22 de la figure 2 est remplacé purement et simplement par une ampoule de verre 51 dont les extrémités sont formées par la lentille 21 et la lame de verre 30. En face de la lame 30, on retrouve la fibre optique 40, son connecteur 42 et le dispositif 43 réglable en X et Y. L'ampoule 51 est par exemple fabriquée à partir d'un corps 52 cylindrique creux en verre, la lentille 21 et la lame 30 étant soudées aux extrémités du corps 52 grâce à des bourrelets de verre 52-1, 52-2. Une fois les soudures terminées, l'ampoule 51 est mise sous vide grâce à un bec 53 de verre formant une excroissance sur le corps 52, et le bec 53 est ensuite refermé par fusion. De préférence, le gaz résiduel à l'intérieur de l'ampoule 51 est un gaz neutre comme de l'argon, un tel gaz étant moins sensible au phénomène de plasma que les gaz ionisants présents dans l'air ambiant. Dans ce cas, à la fabrication, l'ampoule 51 est préalablement mise sous atmosphère d'argon avant que le pompage ne soit effectué. Sur la figure 3, on a représenté le long d'un axe OZ parallèle à l'axe optique AA' la distance OF entre la lentille 21 et son point focal F, ainsi que la distance FE entre le point focal F et la surface d'injection 41 de la fibre optique 40. La lentille 21 est choisie selon les règles de l'art, notamment de manière que le cône a de convergence du faisceau laser 3 soit compatible avec le cône d'acceptance de la fibre optique 40, le demi angle a/2 devant ainsi être inférieur ou égal à l'angle définissant l'ouverture numérique N.O. de la fibre.Une fois la lentille 21 choisie et la distance OF connue, la longueur de l'ampoule 51 (ou du boîtier 22 de la figure 2) est calculée à partir de la relation classique D1/OF = D2/FE, D1 étant le diamètre du faisceau laser 3 incident et D2 le diamètre utile de la fibre optique 40, dans laquelle on n'a pas tenu compte dans un souci de simplicité de l'influence des variations d'indice optique entre le verre et le vide. En pratique, la longueur du corps 52 de l'ampoule 51 est choisie égale à la distance OE (OF + FE) à laquelle on retranche l'épaisseur de la lame de verre 30 et la distance d entre la lame 30 et la surface d'injection 41 de la fibre 40. Par exemple, pour une distance focale OF de 80 mm, un diamètre D1 du faisceau laser 3 de 8 mm et un diamètre utile D2 de la fibre 40 de 540 micromètres, la distance FE sera égale à 5,4 mm, la distance OE égale 85,4 mm et la longueur du corps 52 de l'ampoule 51 sera de 83,4 mm si d est choisi égal au millimètre et si la lame 30 présente également une épaisseur d'un millimètre. La figure 4 représente à titre d'exemple un mode de réalisation détaillé 60 du coupleur optique de la figure 3. On remarque tout d'abord que le diamètre de la lentille 21 est choisi sensiblement supérieur au diamètre du corps 52 de l'ampoule 51 afin de permettre de façon simple la fixation de l'ampoule 51 tout en assurant le bon alignement de l'axe optique AA'. Ainsi, la périphérie de la lentille 21 est fixée au moyen d'un flasque 61 en forme d'anneau et d'un joint de protection 62 contre un épaulement interne 63 d'une pièce support 64. La pièce support 64 est une pièce cylindrique creuse qui reçoit l'ampoule 51 et qui est engagée partiellement de façon glissante dans une cavité cylindrique 71 d'un bâti 70 portant l'ensemo;e du dispositif. L'ampoule 51, la pièce support 64 et la cavité cylindrique 71 sont coaxiales. A l'autre extrémité de la cavité cylindrique 71, on retrouve la fibre optique 40 prisonnière de son connecteur 42, par exemple un connecteur de type SMA, fixé sur le dispositif 43 réglable selon les directions X et Y. Plus particulièrement, le connecteur 42 est vissé au moyen d'un écrou 42-1 sur une platine 43-1 coulissant selon Y dans un cadre 43-2, le cadre 43-2 étant solidaire d'une deuxième platine 43-3 coulissant selon X dans un deuxième cadre 43-4 fixé au bâti 70. La position de la platine 43-1 peut être ajustée au moyen d'une vis micrométrique non visible sur la vue en coupe de la figure 4, et la position de la platine 43-3 ajustée au moyen d'une vis micrométrique 43-5.Le connecteur 42 et la fibre optique 40 traversent les platines 43-1 et 43-3 qui sont disposées à l'entrée de la cavité cylindrique 71, afin que la surface d'injection 41 de la fibre 40 et la lame de verre 30 de l'ampoule 51 soient en regard. De préférence, et comme on le voit sur la figure 4, la fibre optique 40 présente une extrémité libre qui s'étend au delà du connecteur 42, de manière que le connecteur 42 soit sensiblement en retrait de la surface d'injection 41. Ainsi, si le faisceau laser 3 présente un diamètre sensiblement supérieur à celui de la fibre 40 lorsqu'il atteint la surface d'injection 41, l'extrémité du connecteur 42 va recevoir un rayonnement perdu qui provoquera un échauffement mais cet échauffement ne pourra pas endommager la surface d'injection 41. Par ailleurs, le réglage de la distance d entre la lame de verre 30 et la surface d'injection 41 est assuré par une butée de profondeur prenant ici la forme d'un doigt 72 contre lequel vient s'appuyer la lame de verre 30. La position du doigt 72 peut être réglée en translation selon l'axe AA' au moyen d'une molette 73 tournant librement dans le bâti 70. D'autre part, une vis de verrouillage 74 débouchant dans la cavité cylindrique 71 permet de bloquer le support 64 de l'ampoule 51 afin d'éviter tout glissement intempestif du support 64 dans la cavité 71 une fois le système réglé. Enfin, une aiguille 75 traversant le bâti 70 et pénétrant dans la cavité cylindrique 71 permet de disposer une goutte de liquide optique 45 entre la surface d'injection 41 et la lame de verre 30. L'aiguille 75 est relié à un système d'injection 76 manuel ou électrique, par exemple une pompe commandée par un moteur pas à pas, assurant le renouvellement du liquide 45. Bien entendu, il apparaîtra clairement à l'homme de l'art que le coupleur optique qui vient d'être décrit est susceptible de nombreuses variantes de réalisation et perfectionnements. En particulier, une variante de réalisation représentée en figure 5 consiste à réaliser un coupleur optique à partir d'une ampoule de verre 80 disposée verticalement dont le corps 81 présente un prolongement 82 s'étendant au delà de la lame de verre 30 pour former une cuve 83 remplie avec le liquide optique 45 dans laquelle est plongée la face d'injection 41 de la fibre optique 40. Une telle ampoule de verre 80 peut être montée en lieu et place de l'ampoule 51 dans le dispositif de la figure 4 qui sera disposé verticalement, le faisceau laser 3 horizontal étant amené verticalement sur la lentille 21 au moyen d'un miroir 84 (figure 5). Enfin, on a proposé dans ce qui précède de réaliser une paroi transparente étanche d'un boîtier ou d'une ampoule selon l'invention au moyen d'une lame de verre à faces parallèles. Il apparaîtra clairement à l'homme de l'art que la lame de verre peut être remplacée par tout autre moyen optique comme par exemple une lentille divergente ou une lentille convergente à grande distance focale. REVENDICATIONS 1. Dispositif (20, 50, 60) de couplage entre un faisceau de lumière laser (3) et une fibre optique (40), comprenant un boîtier (22, 51) sous vide dont une extrémité comporte une lentille (21) de convergence du faisceau laser (3) vers une surface d'injection (41) de la fibre optique (40), caractérisé en ce que l'autre extrémité du boîtier (22, 51) comporte une paroi étanche transparente (30) laissant traverser le faisceau laser (3), la fibre (40, 41) étant disposée à l'extérieur du boîtier (22, 51), en regard de la paroi transparente (30). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite paroi transparente est une lame de verre (30) à faces parallèles. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un liquide optique (45) est disposé entre la paroi transparente (30) et la surface d'injection (41) de la fibre (40). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le liquide optique (45) forme une goutte maintenue par capillarité entre la paroi transparente (30) et la surface d'injection (41) de la fibre (40). 5. Dispositif (50, 60) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit boîtier sous vide est une ampoule de verre (80, 51) dont les extrémités sont formées par la lentille (21) et la paroi transparente (30). 6. Dispositif (50, 60) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le corps (81) de ladite ampoule (80) comprend un prolongement (82) formant une cuve (83) remplie avec ledit liquide optique (45). 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que ladite ampoule de verre (80, 51) est sous vide d'argon. 8. Dispositif (60) selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'ampoule (80, 51) est fixée sur un support (64) monté coulissant dans un bâti (70). 9. Dispositif (60) selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la lentille (21) présente un diamètre supérieur au corps (52) de l'ampoule (80, 51) et assure la fixation de l'ampoule (80, 51). 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel la fibre (40) est maintenue par un connecteur (42), caractérisé en ce que le connecteur (42) est en retrait de la surface d'injection (41) de la fibre (40).