Brevet FR2756053A1 — publié le 19980522

- 1- DISPOSITIF DE DETECTION DE DOMMAGE DANS UNE FIBRE OPTIOUE. La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour détecter un dommage dans une fibre optique. Elle s'applique notamment, mais non exclusivement aux fibres optiques véhiculant des faisceaux laser impulsionnels ou continus, dont l'énergie varie de quelques mJ à plusieurs dizaines de J, et la puissance de quelques mW à plusieurs kW. Certaines fibres optiques sont utilisées pour véhiculer l'énergie laser d'une manière souple sur des distances relativement importantes. Or, une fibre optique est caractérisée par plusieurs paramètres tels que son diamètre, sa longueur, son ouverture numérique, le matériau constituant son coeur, ou encore l'état de ses faces d'entrée et de sortie. Par ailleurs, le faisceau laser que l'on désire véhiculer par cette fibre optique est caractérisé par sa longueur d'onde, sa puissance pour un laser à émission continue, son énergie et sa durée d'impulsion pour un laser impulsionnel, l'adaptation du faisceau laser pour l'injecter dans la fibre, etc. -2- En fonctionnement normal, moyennant des optimisations de ces différents paramètres, le faisceau traverse la fibre sans l'endommager, du moment que l'on respecte le seuil de dommage de la fibre, c'est-à-dire la densité de puissance ou d'énergie maximale admissible par l'intérieur de la fibre, ainsi que par ses faces d'entrée et de sortie. Toutefois, pour des raisons diverses telles que la fatigue de la fibre, la présence d'imperfections dans le matériau constituant la fibre, ou encore la présence de corps étrangers à l'entrée ou à la sortie de la fibre, le seuil de dommage de la fibre est abaissé. La fibre est alors endommagée par le passage du faisceau laser et des pertes qui peuvent être très importantes apparaissent dans la transmission dégradée du faisceau laser. Dans les applications utilisant des lasers à forte puissance ou à forte énergie, cette dégradation peut entramer la rupture de la fibre sous l'effet de l'énergie du faisceau laser transmis. Dans de nombreuses applications, cette dégradation de la transmission du faisceau laser n'est pas admissible. Par ailleurs, pour des raisons de sécurité, il est impératif de détecter la moindre défaillance de la fibre, pour pouvoir bloquer le faisceau laser dès l'apparition d'un dommage, et en particuliers, avant la rupture de celle-ci. Pour tenter d'apporter une solution à ce problème, on a déjà proposé d'enrouler un filament conducteur autour de la fibre, ce filament étant coupé par le faisceau laser s'il se produit une rupture de la fibre. Ainsi, une simple détection électrique de la rupture du filament permet de détecter la rupture de la fibre. On a également proposé d'utiliser à la place du fil conducteur, une fibre optique de faible diamètre transmettant un signal optique, qui se coupe si la fibre principale casse. Toutefois, ces solutions ne permettent pas de détecter un dommage dès son apparition dans la fibre, ce qui entraîne un risque pour l'utilisateur car lorsque la fibre casse, l'énergie laser est diffusée dans toutes les directions. En outre, ces solutions ne conviennent pas si le faisceau laser transmis ne présente pas une énergie suffisante pour couper le filament ou la fibre secondaire. On a également proposé de mesurer l'énergie en entrée et en sortie de la fibre et de comparer ces deux mesures en vue de détecter une anomalie. Cette solution présente l'inconvénient de nécessiter le prélèvement d'une partie du faisceau laser proportionnelle à son énergie ou à sa puissance à l'entrée et à la sortie de la fibre. -3- La présente invention a pour but de supprimer ces inconvénients. A cet effet, elle se base sur la constatation que lorsque la densité d'énergie ou de puissance du laser excède le seuil de dommage d'un endroit de la fibre, il se produit sous l'effet du faisceau laser traversant la fibre un dommage accompagné d'un point lumineux qui émet dans toutes les directions et dans un large spectre, notamment dans le spectre visible, ce point lumineux étant la conséquence de l'excitation des atomes se trouvant à cet endroit. Elle propose un dispositif pour la détection d'un dommage dans une fibre optique utilisée pour la transmission d'un faisceau laser émis par une source laser. Selon l'invention, ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour détecter la lumière émise par un point lumineux résultant d'un dommage dans la fibre, et transmise par la fibre à une de ses extrémités. Grâce à ces dispositions, il est possible de détecter un dommage dans une fibre optique, dès son apparition et au niveau de la source laser, ce qui permet de bloquer nimmédiatement le faisceau laser, et ce sans utiliser un moyen de transmission secondaire en parallèle avec la fibre. Selon une particularité de l'invention, le dispositif comprend des moyens de transmission et de focalisation pour collecter la lumière provenant d'un dommage de la fibre et transmise par celle-ci à une extrémité, et pour l'envoyer vers les moyens de détection. Avantageusement, comme le point lumineux engendré par le dommage émet de la lumière dans un large spectre, on peut prévoir un filtre passe-bande interposé sur le trajet du faisceau lumineux appliqué en entrée des moyens de détection, qui laisse passer un spectre de fréquences en dehors de celui du faisceau laser à transmettre par la fibre. On peut également prévoir des moyens de détection qui ne sont sensibles qu'à des ondes lumineuses en dehors du spectre du faisceau laser transmis par la fibre. De cette manière, on évite toute interférence entre le faisceau laser transmis par la fibre et les ondes lumineuses qui pourraient être émises par un dommage localisé dans la fibre. -4- Un mode de réalisation du dispositif selon l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 représente schématiquement un dispositif émetteur d'un faisceau laser dans une fibre optique, équipé du dispositif de détection de dommage selon l'invention; Les figures 2 à 8 montrent des variantes du dispositif représenté sur la figure 1. La figure 1 représente une fibre optique 1 qui transmet un faisceau laser focalisé d'une manière connue par une lentille 3 et appliqué sur la face d'entrée 10 de la fibre 1. Pour détecter une anomalie dans la fibre, on a disposé un détecteur 4 qui capte une partie du faisceau lumineux 7 transmis vers la face d'entrée 10 de la fibre 1 et émis par un éventuel point endommagé de la fibre. De cette manière, une partie des rayons lumineux engendrés dans la fibre du fait de la présence d'un dommage localisé, et qui sont envoyés par la fibre 1 vers la face d'entrée 10, sont appliqués en entrée du détecteur 4. Le détecteur 4 peut par exemple consister en un dispositif à cellules photoélectriques qui délivrent un signal électrique lorsqu'elles sont soumises à une intensité lumineuse. Pour améliorer la sensibilité de détection d'une anomalie, on peut disposer à une extrémité de la fibre, par exemple en entrée, un moyen de transmission et de focalisation qui concentre les rayons renvoyés par la fibre pour les focaliser vers l'entrée du détecteur 4. Tel que représenté sur la figure 2, ces moyens de transmission et de focalisation consistent en un réflecteur convergent 5, avantageusement muni d'un trou 6 pour laisser passer le faisceau laser incident 2. Alternativement, à la place du perçage 6, on peut avantageusement utiliser un réflecteur 5 ayant subi un traitement dichroique de manière à ce qu'il transmette le faisceau laser incident 2 et qu'il réfléchisse le faisceau lumineux 7. Ainsi, la totalité du faisceau lumineux 7 est transmis et focalisé vers l'entrée du détecteur 4. -5- Bien entendu, comme représenté sur la figure 3, les moyens de transmission et de focalisation peuvent être constitués par un dispositif à lentilles 5' assurant la convergence en direction du détecteur 4, du faisceau lumineux engendré par le point endommagé et transmis vers la face d'entrée 10 de la fibre 1, ce dispositif à lentilles étant également muni d'un trou 6' pour laisser passer le faisceau laser 2. Tel que représenté sur la figure 7, les moyens de transmission et de focalisation peuvent également être constitués par une lame à face parallèles 12 ayant subi un traitement dichroïque de manière à être transparente vis à vis du faisceau laser 2, et à réfléchir le faisceau lumineux 7. Après réflexion sur la lame 12, le faisceau lumineux 7 peut être focalisé vers l'entrée du détecteur 4 par une lentille convergente 13. Cette variante de réalisation de l'invention permet également de transmettre et focaliser la totalité du faisceau lumineux 7 vers l'entrée du détecteur 4. Il est à noter que le concept de l'invention n'est pas modifié si, au lieu de disposer le détecteur 4 et, le cas échéant, les moyens de transmission et de focalisation 5, ', 12 et 13 du côté de la face d'entrée 10 de la fibre 1, on les dispose, comme représenté sur les figures 4 à 6 et 8, du côté de la face de sortie 11, le faisceau lumineux résultant du dommage localisé dans la fibre étant transmis par celle-ci, aussi bien en direction de sa face d'entrée 10 que de sa face de sortie 11. On peut encore améliorer l'efficacité de la détection en plaçant en amont de l'entrée du détecteur 4 un composant optique 8, tel qu'un dispositif de filtres, pour choisir la plage de longueurs d'onde que l'on désire observer dans le faisceau lumineux qui apparaît à l'entrée ou à la sortie de la fibre 1, et en particulier pour retirer la plage de longueurs d'ondes du faisceau laser 2. De même, pour éviter les perturbations lumineuses liées à certaines applications du faisceau laser après la sortie de la fibre 1, on peut également disposer en aval de la face de sortie 11 de la fibre 1 un dispositif de filtres 9 qui laisse passer uniquement le spectre de fréquences du faisceau laser 2 et une autre plage de fréquences si nécessaire. Grâce au dispositif qui vient d'être décrit, il est possible de stopper le faisceau laser dès qu'un dommage dans la fibre est détecté par le détecteur 4, sans avoir à attendre que ce dommage, qui absorbe une partie de plus en plus grande du -6- faisceau laser transmis, provoque la rupture de la fibre. A cet effet, il suffit de coupler la sortie du détecteur 4 à l'entrée du dispositif de commande d'un obturateur du faisceau laser 2. -7- REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la détection d'un dommage dans une fibre optique utilisée pour la transmission de faisceaux lasers, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (4) pour détecter le faisceau lumineux émis par un point lumineux résultant d'un dommage dans la fibre, et transmise par la fibre à une de ses extrémités (10, 11). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de transmission et de focalisation (5, ') pour collecter le faisceau lumineux (7) transmis par la fibre optique (1) en direction d'une des extrémités (10, 11) de la fibre (1), et pour le transmettre en direction des moyens de détection (4). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de transmission et de focalisation (5, 5') comprennent un réflecteur (5) concave qui concentre et oriente le faisceau lumineux (7) provenant d'une des faces d'extrémité (10, 11il) de la fibre optique (1) vers l'entrée des moyens de détection (4). 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de transmission et de focalisation (5, 5') comprennent un dispositif à lentilles convergentes (5') qui concentre et oriente le faisceau lumineux (7) provenant d'une des faces d'extrémité (10, 11) de la fibre optique (1) vers l'entrée des moyens de détection (4). 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de transmission et de focalisation (5, 5') comprennent une lame mince (12) à faces parallèles ayant subi un traitement dichroïque pour transmettre le faisceau laser (2) et réfléchir le faisceau lumineux (7) provenant d'une des faces d'extrémité (10, 11) de la fibre optique (1) en direction des moyens de détection (4), au travers d'un dispositif à lentilles convergentes (13) qui focalise le faisceau lumineux (7) vers l'entrée des moyens de détection (4). -8- 6. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens de transmission et de focalisation (5, 5') sont munis d'un perçage (6, 6') laissant passer le faisceau laser (2) appliqué sur la face d'entrée (10) ou provenant de la face de sortie (11) de la fibre (1). 7. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le réflecteur (5) a subi un traitement dichroïque pour réfléchir le faisceau lumineux (7) et transmettre le faisceau laser (2). 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un filtre passe-bande (8) interposé sur le trajet du faisceau lumineux (7) appliqué en entrée des moyens de détection (4), qui laisse passer un spectre de fréquences en dehors de celui du faisceau laser (2) transmis par la fibre (1). 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un filtre passe-bande (9) disposé sur le passage du faisceau laser (2) après la sortie de la fibre (1), qui laisse passer le spectre de fréquence du faisceau laser (2) transmis par la fibre (1), et éventuellement une autre plage de fréquences. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal de sortie des moyens de détection (4) est appliqué à l'entrée de moyens de commande de la source du faisceau laser (2), pour interrompre l'arrivée de ce dernier sur la face d'entrée (10), dès qu'un dommage est détecté dans la fibre (1) par les moyens de détection (4). 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de détection (4) consistent en un dispositif à cellules photodétectrices qui délivrent un signal électrique lorsqu'elles sont soumises à une intensité lumineuse.