Brevet FR2958414A1 — publié le 20111007

■ f D’UN 1T S Û s ET UTI 5 DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION Û8813 L'invention se rapporte au domaine de l'optique et plus particuliérement de l'optique appliquée â des fibres optiques pour la transmission d'informations. L'invention concerne ainsi des développements relatifs à la micro-optique. Il s'agit plus particulièrement de fibres optiques dont une extrémité est traitée et modifiée : 10 les fibres concernées sont notamment des fibres dites muiticoeurs c'est-à-dire constituées d'un ensemble ou faisceau de fibres optiques unitaires dont chacune des extrémités est finalement pourvue d'une miçrelenfille distincte des microlenties formées sur les extrémités des fibres voisines. Cet arrangement permet de créer â une extrémité d'une fibre muiticoeurs ou d'un faisceau de fibres 15 optiques unitaires, un réseau de micro objectifs destinés par exemple à des applications en imagerie simultanée et/ou ultlpiexée, en tomographie, ou en spectrométrie simultanée. [Û802J IÎ s'agit de pouvoir focaliser la lumière aux extrémités d'un faisceau comprenant un très grand nombre (des milliers) de fibres optiques, afin d'illuminer 20 par autant de micro points une surface donnée. 25 30 J8803JOn connaît des monofibres optiques lent èes et leurs procédés de fabrication. Par exemple le document FR 2 798 740 déposé au nom de la demanderesse concerne des fibres optiques monomodes ou faiblement m y if i modes présentant à l'une au moins de leurs extrémités une ouverture numérique, La ou les extrémités de ces fibres sont pourvues â l'une de leurs extrémités d'un pic polymère transparent obtenu par photopolymérisafion. Cependant le procédé décrit dans ce document concerne uniquement les monofibres et ne s'applique pas aux fibres muiticoeurs , La transposition, gui a été testée, à des fibres muiticoeurs induit toujours une polymérisation entre les cœurs (extrémités des fibres unitaires), ce gui constitue un véritable problème â résoudre 6 10 15 20 25 30 si l’on souhaite s’orienter vers des applications telles que le multiplexage en imagerie simultanée. |00Ô4|On connaît aussi le document FR 2 827 968 qui concerne des fibre optiques monomodes eu multimodes associées à des pies rfextrèr tès en polymère transparent. Cette technologie s’applique par exemple â quatre pics d'un seul mode, pour des mode élevés dans une fibre multimodes où les pics se recouvrent.. Ce docume t ne concern pas les fibres ultieoeurs selon l'Invention et la problématique associée. Par ailleurs on cherche dans ce document à adapter la composition chimique des pics, via notamment la viscosité de sa formylation. pôtfiJPar ailleurs, la mlcromptique connaît plusieurs axes de développement permettant de traiter et/ou de modifier les extrémités de fibres optiques afin d’obtenir un réseau de microienties. Comme on le sait, la lumière diverge à l'extrémité d’une fibre optique opposée à celle par laquelle un faisceau lumineux est injecté. Ainsi II est apparu nécessaire de focaliser la lumière en sortie de fibre, notamment en prévoyant des lentilles à ces extrémités. Un problème apparaît lorsque la taille et/ou la densité des fibres croît, δδ063 Selon on premier développement, pour fabriquer un réseau de iorclentilles à l’extrémité d’un faisceau de fibres, on réalise une attaque chimique permettant de fabriquer des pointes de verre en extrémités de chacun des cœurs. Un raffinement consiste à réalise ensuite un dépôt contrôlé de métal autour de l'extrémité des fibres unitaires à traiter, suivi d’un dépôt de résine puis d ' une attaque chimique afin de dégager les extrémités pointues et espacées des fibres, 00073 Un autre axe de développement repose sur l'attaque chimique des extrémités d’un ensemble (entre S0 000 et 60 000) de fibres optiques arrangées selon un réseau hexagonal. On obtient d’abord un réseau de trous sensiblement cylindriques dont le fond correspond au extrémités des fibres unitaires ; puis on remplit ces trous avec des micro billes diélectriques qui servent de micro lentilles PfMtiJCes techniques connues sont de mise en œuvre complexe, elles requièrent de nombreuses étapes de procédé et se révèlent parfois difficilement contrôlables, cfoù des problèmes de coût, de Habité. Les pointes de verre présentent en outre des qualités optiques médiocres. iÔH 5 pÔlÔ]l’invenîion vise à remédier aux inconvénients de fêtât de la technique er notamment à proposer un procédé si fabrication de microlentiiies d’extrémités de fibres optiques unitaires faisant partie d’un faisceau de fibres ou d’une fibre mufticoeurs, comprenant notamment le dépôt d’une goutte (ou ménisque de capillarité) de solution phote-polymérisahie sur une première extrémité du 10 faisceau .ou de ladite fibre muiticoeurs. |0Û11] Selon un premier aspect de l'invention le procédé consiste en outre à : adapter la dimension de ladite goutte - infecter une lumière centrée sur une longueur d’onde donnée à une deuxième extrémité de ladite fibre muiticoeurs ou du faisceau de fibres, .afin de polymériser sélectivement ladite goutte,- rincer ladite 15 première extrémité à l’aide d’une solution d’un solvant tel que du méthane! ou de {‘éthanol afin d'obtenir un réseau de fibres optiques unitaires chacune pourvue d’une microlentle au niveau de la première extrémité de la fibre muiticoeurs ou du faisceau de fibres, iesdites microlentiiies étant physiquement séparées les unes des autres, 20 [0012] De façon spécifique, le procédé consiste à adapter la hauteur de la goutte en fonction de sa composition et de telle sorte que ladite hauteur soit inférieure à la distance mesurée sensiblement selon l’axe longitudinal de la fibre mültleoéurs, entre la dite première extrémité et une surface proximale contenant des Intersections des faisceaux lumineux issus de chaque fibre optique unitaire. 25 p013]Selon un mode de réalisation de l'invention, la réduction de la dimension de ladite goutte consiste en une diminution de son épaisseur jusqu’à environ quelques micromètres, [Û014] Conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, la réduction de la dimension de ladite goutte consiste en une diminution de l’angle A entre le 5 10 15 plan d’extrémité de la fibre muiticoeurs et le plan de la tangente de la goutte en périphérie, Jusqu’à une valeur inférieure à 10°, |0Ô1SJPar‘plan de la tangente de la goutte en périphérie ■ en entend le plan de la surface extérieure de la goûte au niveau de son contact périphérique avec le plan d'extrémité de la fibre ou du faisceau de fibres. [06161 Selon une particularité de l'invention, ladite solution photo-polymêrisahle comprend un monomère photopolyniénsable du type PETIA dans lequel es! ajouté un mélange comprenant environ 4% m masse d’un agent du type methytdléthanoiamine et environ 0.5% en masse d’un agent du type éosine. P01 TJ Avantageusement, on utilise une solution photo-polymérisabie mdioahrire sensible a un Inhibiteur tel que l’oxygène et/ou le 4-MefhoxyphénoK présentant un seuil de photopolymérisation donné et induit par ledit inhibiteur tel que oxygène et/ou le 4d ethoxyphénol, [OOISJ En outre, on utilise une source ayant une longueur d’onde de l’ordre de 0,532 micromètres pour Illuminer la deuxième extrémité de la fibre muiticoeurs ou du faisceau de fibres. 20 25 PKH $J Préférentiellement, on illumine ladite extrémité pendant une durée dé l’ordre de la seconde , Û2Û]A titre illustratif, l’adaptation de la dimension de la goutte consiste à mettre en contact l'extrémité plane d’un élément extérieur de type fibre ayant sensiblement le même diamètre extérieur que la goutte, avec l’extrémité distale et bombée de la goutte adhérant à la première extrémité de la fibre muiticoeurs : à éloigner lesdfes extrémités une fois l'extrémité plane chargée d’une quantité de solution photo-polymérisabie, à mesurer l'épaisseur et/ou l’angle A de la goutte sur la première extrémité de la fibre muiticoeurs, puis en fonction du résultat de la mesure, à rapprocher à nouveau les deux extrémités après que f’exftemfté plane de l’élément extérieur a été débarrassée de toute trace de solution. On réitère cette opération de rapprochement jusqu'à l'obtention d’une valeur d'épaisseur ou d'angle A prédéterminée. 5 pt21Jt1nventlon porte en outre sur m faisceau de fibres optiques unitaires selon lequel tout ou partie desdites fibres est pourvu à 1* 00 de ses extrémités d’une mlerolentiile obtenue par le procédé décrit ekiossus. 5 PÛ22JI' utilisation d'un faisceau de fibres optiques obtenues selon le procédé décrit ci-dessus en imagerie médicale ou muftlplexée, en couplage de fibres optiques, fait partie de l'Invention. 10 i o 20 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0S23HOO1]D ifres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : la figure 1 ; plusieurs schémas illustrant les pnnapales étapes du procédé selon l'invention; la figure 1Ά est une coupe simplifiée de la première extrémité du faisceau de fibres, pourvue d'une goutte de volume important: fa figure 18 est une coupe simplifiée de fa première extrênilfé du faisceau de fibres, pourvue d'une goutte de volume réduit; la figure 2 est un schéma de principe d'une Installation permettant de réduire la dimension d'une goutt de liquide photopoiynièrlsable; et la figure 3 est un schéma montrant le seuil de polymérisation radiculaire d24JPour plus de clarté, les éléments Identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence Identiques sur l'ensemble des figures. 25 30 po2S]ta figure 1 montre les différentes et principales étapes du procédé de réalisation selon l'invention. Dans un premier temps, eu dépose par exemple à l'aide d'une pipette ou d'une fibre extérieure 3, une goutte 2 d'une solution photopolymérisabie sur une première extrémité 10 d'un faisceau de fibres ou d'une fibre dite muiticoeum 1, Une fibre muliicoeurs 1 consiste en un faisceau de fibres optiques 100 gainées extérieurement Comme II sera explicité ci-après, la solution déposée est préférentiellement une solution à base d'un monomère tel que le 5 10 15 20 25 FETiA dans laquelle on incorpore au moins un photolnltîateur tel que de l’éosine, ainsi que du methyldiéthanola ine (MDEA). Pour une application préférée de l'invention, on choisit un mélange de 4% en masse de MDEA et de 0.5% en masse d'éosine. [0026] Sans sortir du cadre de l’invention les photoinitsateurs peuvent être modifiés pour être adaptés à une longueur d’onde particulière, lot la longueur d’onde est de Tordre de 0.632 micromètre, |Û02?| Une fois la goutte (ou ménisque de capillarité) 2 déposée sur la première extrémité 10 de la fibre ou du faisceau de fibres 1 , ors procède à une adaptation de la dimension de celte goutte 2. Cette adaptation consiste généralement en une réduction et plus particulièrement en une réduction d’épaisseur et/ou en une diminution de l’angle A entre le pian d’extrémité du faisceau de libres et le plan d la tangente de la goutte en périphérie, f0O2§] Les figures IA et 18 précisent comment est déterminé l’angle A : la figure 1A correspond à une goutte 2 selon la première étape du procédé, avec un angle A par exemple de l'ordre de 23 ; la figure IB correspond sensiblement à une goutte selon la ligure 1 dont la taie a été diminuée, comme il sera explicité ciaprès. Ainsi l’angle A final peut être de l'ordre de 85 0O29] Selon un mode de réalisation de finvenion déjà testé, on cherche à diminuer l’angle A au cours du procédé, £0030]Tech quemenf la diminution d'épaisseur et/ou d'angle est réalisée en mettant en contact l'extrémité d’un élément extérieur 3 de type fibre ayant sensiblement le même diamètre extérieur que la goutte 2. avec l'extrémité distale et bombée de celle-ci. Le rapprochement des extrémités est schématisé sur la figure 1 (i), et le contact sur la figure 1(il). Ensuite on éloigne axiale en! les extrémités de sorte que f extrémité de l’élément extérieur 3, Initialement libre de toute solution, se charge an solution comme visible sur la figure 1 (lii) ; le volume de la goutte 2 est ainsi diminué d’autant |CK)S1]ta figure 2 montre un exemple de matériel utilisé pour réaliser une modification contrôlée de (3 taille (oit volume} de la goutte 2. Ainsi la première extrémité 10 de la fibre 1 ou du faisceau de fibres, pourvue de la goutte 2, est disposée au niveau d : une source de lumière blanche 5 ; en vcs-à-vis de la source S S on place un système de visu lisation 6 comportant par exemple un objectif et une caméra â des fins de visualisation fine de la goutte 2. Dans l'axe longitudinal de la fibre 1 à traiter, on place la fibre extérieure 3 supportée et dèpiaçabie axialemenf grâce à un système ? par exemple constitué d’une platine et d’une vis micrométrique, Ce agencement permet de rapprocher ou d'éloigner axialemenf 10 les fibres 1 et 3 ou plus précisément leurs extrémités respectives. La flèche F de la. figure 2 montre ce déplacement qui permet de modifier la taille de la goutte 2 de solution photo-polymérisable, et de contrôler cette modification, [SÔ32J Tout autre moyen connu en soi permettant une telle adaptation associée a un tel contrôle peut bien entendu être rnis en oeuvre sans sortir du cadre de 15 {Invention, [0033| il s’agit d'atteindre une certaine valeur d'épaisseur et/ou d'angle A de la façon la plus précise possible. En effet le principe de l'invention est fondé sur le seuil de polymérisation radiculaire de la solution formant la goutte 2» ledit seuil étant induit par un Inhibiteur de polymérisation tel que tel que l'oxygène ou encore 20 le 4-mêthoxypbènol ou tout autre inhibiteur équivalent. L’inhibiteur tue les radicaux libres de la solution, vecteurs de la polarisation, l'empêchant donc de se produire. Afin de passer outre ce seuil il est nécessaire d’augmenter f énergie photonique (puissance ou temps d'exposition), ce qui permet de consommer les molécules d'inhibiteur afin de permettre la polarisation. En adaptant et notamment en 25 réduisant l'épaisseur d la couche de solution, ou plus particulièrement de la goutte 2, l'oxygène présent hors de la goutte diffuse plus rapidement jusqu'à la zone d'irradiation et ainsi en limite la polymérisation. Ainsi, les zones d'intensité moins Importantes, à savoir tes zones entre les cœurs (ou extrémités de fibres unitaires) ne vont pa induire de polymérisation, et les zones situées au niveau 30 des extrémités des fibres unitaires 100 vont pouvoir être polymérlsées tout en étant: physiquement séparées les unes des autres. a 5 10 15 20 25 £ÔÛ34]La f m 3 illustre le principe énoncé ci-avant d'où I ressort que : (a) s fan a une goutte 2 de taie et donc d'épaisseur importante, avec an seuil Es donné et une faible quantité d s oxygène ( toute l'extrémité 10 du faisceau de fibres va être polyrnèrssêe, sur une certaine épaisseur,. De façon différente (b) si l'épaisseur de le goutte est plus faible (ici de f ordre de quelques micromètres), et: que l'on augmente le seuil de polymérisation Es, alors une certaine quantité cf inhibiteur va permettre de pol mériser sélectivement les extrémités des fibres et non pas les zones entre les fibres (encore appelées zones înlemocaurs), pt!3§3 Comme déjà dit, Il s'agit donc de contrôler précisément f épaisseur de ia goutte 2 gui est liée au seuil de polymérisation radleaiaire de la solution déposée. ffKKIiJLa dimension et notamment la hauteur, dimension mesurée selon Taxe longitudinal de la fibre, de la goutte 2 doit rester inférieure à la distance mesurée selon le même axe longitudinal, entre la première extrémité 10 do la fibre multicoeurs et une surface proximale contenant des intersections des faisceaux lumineux issus de chaque fibre unitaire 10Û. Les faisceaux lumineux présentent chacun une forme sensiblement conique dont la plus petite section est constituée par l'extrémité même d chaque fibre unitaire 100. Les fibres unitaires .100 étant disposées sensiblement parallèlement les unes aux autres, les faisceaux lumineux présentent des zones de recoupement au-delà d'une certaine distance de l'extrémité des fibres 1ÔÛ. On cherchera à adapter la hauteur (eu épaisseur) de la goutte 20 en fonction de la zone de recouvrement, tel que défini ci-avant P03T| Par ailleurs la hauteur de la goutte dépendra, de la composition de la solution phcto-polymérisahle et notamment de sa concentration en Inhibiteurs tels que l'oxygène ou 4- efhoxyphénol.. 100383 Des essais comparatifs ont mis en évidence que la hauteur des microlentilles 101 est directement corrélée à. l'épaisseur de la solution déposée é f extrémité 10 du faisceau ou de ia fibre 1. f0Ô38| Une fois la taille de la goutte 2 obtenue, le procédé se poursuit en Illuminant à l'aide d'une source 4 ia deuxième extrémité 20 de la fibre multicoeurs 9 lof figure 1 (iv). Ceci va induire la polymérisation sélective recherchée à la première extrémité 10 de la fibre 1. 0848J Enfin selon fètape (v) de la figure A il s'agit de rincer la première extrémité 10 de la fibre 1 afin d’éliminer toute trace de polymérisation en dehors de celles 5 formées aux extrémités des fibres 100, et qui forment les mierolenties 101 [CI941JA titre illustratif, une fibre optique mylticoeors 1 longue de un (1) mètre, pourvue à sa première extrémité 10 d'une goutte 2 ayant une épaisseur do 10 micromètres a été irradiée depuis sa deuxième extrémité 20 par une source de longueur d’onde égaie à 532 nanomètres avec une puissance de ? mfcrowatts 10 pendant une durée de 2 secondes. Des microien tilles 101 toutes séparées physiquement les unes de autres ont ainsi pu être obtenues aux extrémités de la fibre optique multicoeurs 1, p042] Ainsi le procédé décrit ci-avant, qui est de mise en couvre simple, permet de réaliser des réseau de mlcroieoties 101 à une extrémité 10 d'un faisceau de 15 fibres ou d'une fibre roulticoeur Ces structures originales et inventives font partie du cadre de la présente invention. |O043] D'une façon plus générale la présente Invention permet d'obtenir un faisceau de microfibres dont a moins i'une des extrémités 10 est pourvue de micro objectifs ( ou miorolenillles 101) qui focalisent la lumière issue de l'autre 20 extrémité 20 de la fibre, avec une intensité lumineuse nulle entre les micro objectifs. [0Û44|Oe façon trè intéressante, ce faisceau particulie peut avantageusement être utilisé comme réseau de micro-objectifs , dans des applications en imagerie simultanée telle que l'endoscopie, ou encore en speci roscopie simultanée, afin 26 par exemple d'illuminer dés tissus biologiques grâce à une mulfîfoealisation de la lumière sur des centaines voire de millier de points très rapprochés les uns des autres, 10 S 10 15 20 25 30 Procédé de fabrication de mscrofenties (101) d'extrémités de fibres optiques unitaires (100) faisant partie d'un faisceau ou d'une libre muifrcoeurs (1), comprenant le dépôt efune goutte (2) de solution phote-polymérissbie sur une première extrémité (10) du faisceau ou de ladite fibre muiiicoeurs (1) caractérisé en ce quif consiste en outre à - adapter la dimension de ladite goutte (2>~ injecter une lumière (4) centrée sur une longueur d'onde donnée à une deuxième extrémité (20) du faisceau ou de ladite fibre mufticoeurs (1 ) afin de polymêdser sélectivement ladite goutte (2), ~ rincer ladite première extrémité (10) à aide d'une solution d'un solvant tel que du rnéthanol ou de l'éthanol afin d'obtenir un réseau dé fibres optiques unitaires (100) chacune pourvue d'une microlentille (101) au niveau de la première extrémité de la fibre muiiicoeurs ou du faisceau (1), lesdites microientilies (101) étant physiquement séparées les unes des autres. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qui! consiste à adapter la hauteur de la goutte (2) en fonction de sa composition et de telle sorte que ladite hauteur soit inférieure à la distance mesurée sensiblement selon l'axe longitudinal de la fibre muiiicoeurs, entre la dite première extrémité (10) et une surface proximale contenant des intersections des faisceaux lumineux issus de chaque fibre optique unitaire. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'adaptation de la dimension de ladite goutte (2) consiste en une diminution de son épaisseur jusqu'à en viron quelques micromètres. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que f adaptation de la dimension de ladite goutte (2) consiste en une diminution de l'angle A entre te plan d'extrémité de la fibre muiiicoeurs ou du faisceau et le plan de la tangente de la goutte en périphérie, jusqu'à une valeur inférieure à 10". Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite solution photo-polyméhsable comprend un monomère phoiopoiymérisabie du type PETÎÂ dans lequel est ajouté en mélange 11 5 10 15 20 25 30 comprenant environ 4% en masse d'un agent du type methyl iêthanola ine et environ 0,5% en masse d’un agent do type éosine, 6. Procédé selon Tune quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que οη utilise une solution photo-polymérisable radicalaire sensible à un inhibiteur tel que l'oxygène et/ou le 4ethoxyphênol, présentant un seuil de photopolymérisation donné et induit par (Inhibiteur tel que l’oxygèn et/ou le 4~ ethoxyphénof. ?. Procédé selon l’un quelconque des revendication précédentes caractérisé en ce que l’on utilise une source ayant une longueur d’onde de l’ordre de 0.532 micromètre pour illuminer la deuxième extrémité (20) de la fibre multicoeurs (1) ou du faisceau de fibres. 8. Procédé selon la revendication ? caractérisé en ce que l’on illumine ladite deuxième extrémité (20) pendant une durée de f ordre de la seconde. 9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l’adaptation de la dimension de la goutte consiste é mettre en contact l’extrémité plane (30) d’un élément extérieur (3) de type fibre ayant: sensiblement le même diamètre extérieur que la goutte (2), avec {‘extrémité distale et bombée de la goutte adhérant à la première extrémité (10) de la fibre moltioæurs ou du faisceau (1), à éloigner iesdîtes extrémités (10, 30) une fois {‘extrémité plane (30) chargée cfune quantité de solution photopolyrnèrisable, à mesurer l’épaisseur et/ou l’angle A de la goutte (2) sur la première extrémité (10) de la fibre multicoeurs ou du faisceau (1), puis en fonction du résultat de la mesure, à rapprocher à nouveau les deu extrémités (ICI 30) après que l’extrémité plane (30) de l’élément extérieur (3) a été débarrassée de toute trace de solution, 10. Faisceau de fibres optiques unitaires (100) caractérisé en ce que tout ou partie desdites fibres es pourvu à l’une de ses extrémités d’une miorolentille (101) obtenue par le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes. 11. Utilisation d’un faisceau de fibres optiques (100) selon la revendication précédente en Imagerie médicale ou multiplexée et/ou en couplage de fibres optiques.