Brevet FR3039289A1 — publié le 20170127

Terminaison pour fibre optique à coeur creux L'invention concerne une terminaison de fibre optique et un résonateur à fibre optique. Elle porte plus précisément sur une terminaison de fibre optique à 5 coeur creux. Dans les fibres optiques à coeur creux, le recouvrement entre l'énergie lumineuse et la matière est minimum et repousse fortement les seuils d'apparition d'effets non-linéaires et de dommages optiques. Ces fibres optiques sont 10 typiquement réalisées à partir de microstructures ou microfibres en silice, disposées autour du coeur creux de la fibre. La proportion de l'énergie lumineuse se propageant dans la silice peut être réduite à quelques pourcents dans le cas des fibres à bande photonique interdite et à des valeurs encore plus faibles (-10-4) dans le cas des fibres anti-résonnantes de type Kagome. De ce fait, les effets non- 15 linéaires lors de la propagation d'impulsions laser sont minimisés et le seuil de dommage optique est augmenté. Ces fibres sont par conséquent adaptées à la propagation de rayonnement lumineux de forte puissance crête et peuvent donc être utilisées pour le déport de sources laser intenses. 20 Typiquement, un gaz peut être injecté dans le coeur creux de la fibre. Il est possible de réaliser des lasers à gaz par pompage optique, d'effectuer une conversion de fréquence optique par interactions non-linéaires et/ou de générer un supercontinuum. 25 Ces fibres peuvent aussi être adaptées à la réalisation de gyromètres à fibre, dans la mesure où la propagation dans un coeur creux minimise la possibilité de couplage entre les ondes contra-propagatrices. Les extrémités de ces fibres peuvent cependant être polluées ou 30 obstruées, notamment à cause de leur taille micrométrique ou millimétrique et/ou du vieillissement ou de la modification des groupes chimiques de surface à l'interface fibre/air. Une solution employée pour protéger l'interface de la pollution ou des obstructions consiste à souder un embout (par exemple une partie de fibre à coeur 3039289 2 solide ou bien un barreau cylindrique) à chaque extrémité de la fibre afin de la protéger de l'environnement (de la poussière et/ou de l'humidité par exemple). Une interface air-silice possède un seuil de dommage optique (exprimé en unité de puissance par unité de surface, ou en unité d'énergie par unité de surface pour une durée fixe) qui peut être limitant dans les applications décrites précédemment lors de l'utilisation d'impulsions ultracourtes (par exemple de l'ordre de la picoseconde). A l'entrée d'une fibre creuse, la surface de l'interface en interaction avec le faisceau laser est faible (par exemple entre 10-6 et 10-4 cm2) et la densité de puissance du faisceau est plus élevée que dans le reste du parcours optique d'une impulsion. En considérant une interface air/silice, le seuil de dommage optique est de l'ordre de 100 J/cm2 pour des impulsions de 10 ns, et de l'ordre de 1 J/cm2 pour des impulsions d'une picoseconde (qualifiées d'ultracourtes). En considérant un diamètre de mode guidé d'une fibre optique à coeur creux compris entre 10 et 100 pm (caractéristique de fibres typiques), la surface d'une section du coeur peut varier entre 10-6 et 10-4 cm2. La valeur du seuil de dommage optique est alors dans l'intervalle allant de 0,1 à 10 mJ pour des impulsions de 10 ns, et de 1 à 100 pJ pour des impulsions d'une picoseconde. Ces valeurs d'énergie sont inférieures à ce que délivrent beaucoup de systèmes laser actuels dans ces régimes temporels et sont insuffisantes pour de nombreuses applications. L'invention vise à surmonter, complètement ou partiellement, au moins l'un des problèmes soulevés par l'art antérieur. En particulier, l'invention vise à permettre de protéger les extrémités des fibres lasers à coeur creux tout en permettant l'utilisation d'impulsions laser à une puissance non limitée, ou faiblement limitée par la traversée de l'interface air/silice. Un objet de l'invention permettant d'atteindre ce but est une terminaison de fibre optique à coeur creux comportant au moins un embout cylindrique plein en matériau transparent et caractérisé en ce qu'il comporte en outre un capillaire creux lié de manière solidaire audit embout par l'une de ses tranches et adapté à être lié de manière solidaire à une dite fibre optique à coeur creux par l'autre de ses 3039289 3 tranches et en ce que le diamètre interne dudit capillaire creux est supérieur au diamètre du coeur creux de la dite fibre. Avantageusement, ledit embout de ladite terminaison comporte au moins une lentille à gradient d'indice convergente de même axe principal que ledit capillaire creux. Avantageusement, ledit embout de ladite terminaison comporte une pluralité de lentilles à gradient d'indice disposées bout-à-bout dont au moins deux 10 lentilles à gradient d'indice sont convergentes, de focales différentes et possèdent le même axe principal que ledit capillaire creux. Avantageusement, ledit capillaire creux de ladite terminaison comporte une ouverture dans sa paroi. 15 Avantageusement, ladite terminaison comporte un canal lié de manière solidaire audit capillaire et complétant ladite ouverture. Avantageusement, ladite terminaison comporte un miroir ayant une face 20 réfléchissante disposée sur la tranche dudit embout opposée audit capillaire creux. Un autre objet de l'invention est un dispositif comportant une dite fibre optique à coeur creux et au moins une terminaison dont ledit capillaire creux est directement lié de manière solidaire à ladite fibre optique à coeur creux. 25 Un autre objet de l'invention est un dispositif comportant une dite fibre optique à coeur solide et au moins une terminaison dont ledit embout est directement lié de manière solidaire à ladite fibre optique à coeur solide et selon le même axe principal. 30 Un autre objet de l'invention est un dispositif comportant au moins une dite fibre optique à coeur creux, une dite fibre optique à coeur solide, et une dite terminaison dont ledit embout est directement lié de manière solidaire à ladite fibre 3039289 4 optique à coeur solide et dont ledit capillaire creux est directement lié de manière solidaire à ladite fibre optique à coeur creux selon le même axe principal. Un autre objet de l'invention est un dispositif comportant au moins une s dite fibre optique à coeur creux et deux terminaisons. Un autre objet de l'invention est un résonateur optique à fibre comportant au moins un dispositif décrit précédemment. 10 La description suivante présente plusieurs exemples de réalisation du dispositif de l'invention, non limitatifs de la portée de l'invention. Ils présentent à la fois les caractéristiques essentielles de l'invention ainsi que des caractéristiques additionnelles liées aux modes de réalisation considérés. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. 15 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages, détails et caractéristiques de celle-ci apparaîtront au cours de la description explicative qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels: 20 - la figure 1 illustre une solution de l'art antérieur pour protéger une fibre optique à coeur creux ; la figure 2 illustre schématiquement une vue en coupe longitudinale d'une terminaison 1 et d'une fibre optique à coeur creux 2 selon des réalisations de 25 l'invention ; la figure 3 illustre schématiquement une vue en coupe longitudinale d'une fibre optique à coeur solide 10, d'une terminaison 1 et d'une fibre optique à coeur creux 2 selon des réalisations de l'invention ; 30 la figure 4 illustre schématiquement une vue en coupe longitudinale d'une terminaison 1 et d'une fibre optique à coeur creux 2 selon une réalisation de l'invention et 3039289 5 - la figure 5 illustre schématiquement une vue en coupe longitudinale d'une réalisation de l'invention. 5 La figure 1 illustre une solution de l'art antérieur pour protéger une fibre optique à coeur creux. La figure 1 illustre schématiquement une vue en coupe longitudinale d'une lentille 7, d'un embout 3 et d'une fibre optique à coeur creux 2. Un embout 3 cylindrique est réalisé par exemple en silice. L'embout est lié de manière solidaire à la fibre optique à coeur creux 2. On peut par exemple les souder 10 thermiquement pour réaliser cette liaison. L'axe principal de l'embout cylindrique 3 (perpendiculaire aux faces parallèles de l'embout 3) correspond à l'axe optique de la fibre à coeur creux 2. Un faisceau laser 8 est focalisé par une lentille 7 convergente au niveau de l'interface silice/air de la face de l'embout 3 en contact avec la fibre optique à coeur creux 2. Le seuil de dommage du système illustré en figure 1 est 15 très faible car la surface de l'interface silice/air en interaction avec le faisceau laser est celle d'une section de coeur creux de la fibre optique à coeur creux 2, c'est-à-dire la plus petite surface traversée par le faisceau laser 8 illustré dans la figure 1 : la densité d'énergie par unité de surface y est maximale. 20 La figure 2 illustre schématiquement une vue en coupe longitudinale d'une terminaison 1 et d'une fibre optique à coeur creux 2 selon des réalisations de l'invention. Dans cet exemple de réalisation de l'invention, une terminaison 1 est réalisée par un embout 3 lié de manière solidaire (par une soudure thermique par exemple) à un capillaire 4 par l'une de ses tranches. L'embout 3 et le capillaire 4 25 sont alignés sur le même axe principal. L'autre tranche du capillaire 4 est liée de manière solidaire (par une soudure thermique par exemple) à une fibre optique à coeur creux 2, elle aussi alignée sur le même axe. Dans cet exemple de réalisation de l'invention, le diamètre interne du capillaire 4 est supérieur au diamètre du coeur creux de la fibre à coeur creux 2. De cette manière, l'interface air-silice est déplacée 30 du point de focalisation à l'aide d'une section intermédiaire d'un capillaire 4 en silice. Il est ainsi possible d'augmenter le diamètre du faisceau laser 8 sur cette interface et donc de diminuer la densité d'énergie en interaction avec l'interface pour une énergie donnée. La longueur de la section du tube capillaire doit être calculée suivant les lois de la diffraction optique et dépend du diamètre du mode de la fibre à 3039289 6 coeur creux et du grandissement recherché sur l'interface. Par exemple, pour un mode guidé de diamètre 10 pm à une longueur d'onde de 1 pm, on peut calculer que la longueur du capillaire sera de 235 pm en imposant une aire du faisceau 8 au niveau de l'interface air/silice supérieure d'un ordre de grandeur à l'aire d'une 5 section de fibre optique à coeur creux 2. De même, pour un diamètre de mode de 100 pm, la longueur du capillaire sera d'au moins 2,35 cm. La figure 3 illustre schématiquement une vue en coupe longitudinale d'une fibre optique à coeur solide 10, d'une terminaison 1 et d'une fibre optique à 10 coeur creux 2 selon des réalisations de l'invention. L'embout 3 comporte deux lentilles à gradient d'indice optique 9a et 9b, disposées bout-à-bout et un capillaire 4. Les lentilles 9a et 9b ont le même axe principal que le capillaire 4. Les lentilles 9a et 9b sont convergentes, et dans le cas de la réalisation décrite par la figure 3 ont des focales différentes ; en l'occurrence la focale de la lentille 9b en contact avec le 15 capillaire 4 est supérieure à la focale de la lentille 9a en contact avec la fibre optique à coeur solide 10. D'une manière plus générale, on peut utiliser dans des réalisations de l'invention une seule lentille 9 convergente de même axe principal que le capillaire 4. Une fibre à coeur solide 10 est liée de manière solidaire à la lentille à gradient d'indice 9 illustrée à gauche de l'embout 3. Pour réaliser cette 20 liaison, l'extrémité de la fibre à coeur solide 10 peut être soudée (thermiquement) à une face plane de la lentille 9, en ajustant l'axe principal de la fibre 10 à celui de la lentille 9. Le capillaire 4 à droite de la terminaison 1 est lié de manière solidaire à la fibre optique à coeur creux 2. Cette réalisation de l'invention permet un couplage entre une fibre optique à coeur solide 10 et une fibre optique à coeur creux 2. Les 25 lentilles 9 permettent d'adapter le mode guidé de la fibre à coeur solide à celui de la fibre à coeur creux. Le faisceau laser 8 est diffracté à la sortie de la fibre optique à coeur solide 10 puis se propage au travers des lentilles convergentes 9. Le diamètre maximal de la section du faisceau laser 8 dans la terminaison 1 est, dans cette réalisation de l'invention, supérieur au diamètre du faisceau dans la section de la 30 fibre à coeur creux. Dans ces réalisations de l'invention, l'augmentation possible de l'énergie du laser tient au fait que le seuil de dommage de la silice est supérieur d'un facteur environ 5 au seuil de dommage d'une interface air/silice : le seuil de dommage optique de l'interface air/silice peut croître jusqu'à ce que le seuil de dommage de la silice devienne limitant. 3039289 7 La figure 4 illustre schématiquement une vue en coupe longitudinale d'une terminaison 1 et d'une fibre optique à coeur creux 2 selon une réalisation de l'invention. Dans cette réalisation de l'invention, le capillaire 4 comporte une 5 ouverture 15 dans sa paroi. Cette ouverture 15 permet à un gaz ou à un liquide d'accéder ou de sortir du volume interne du capillaire 4 et de la fibre optique à coeur creux 2. Pour réaliser cette ouverture, on peut par exemple percer le capillaire 4 perpendiculairement à son axe après que le capillaire 4 est soudé à la fibre à coeur creux 2. Dans une réalisation particulière de l'invention, cette ouverture peut être 10 complétée par un canal 11 (par exemple un tube ou un autre capillaire) inséré dans l'ouverture ou scellé de manière étanche à l'ouverture 15, à l'extérieur du capillaire 4. Une autre façon de réaliser ce dispositif est d'utiliser un capillaire en forme de Té préalablement soudé à partir de deux capillaires comme illustré sur la figure 4. Une ouverture 15, potentiellement reliée ou complétée par un canal 11, peut permettre 15 l'introduction d'un gaz dans le capillaire 4 et dans le coeur de la fibre optique à coeur creux 2. Elle peut aussi permettre de pomper le ou les gaz présents dans le capillaire 4 et dans le coeur de la fibre optique à coeur creux 2 pour établir un vide. Une fois un vide créé ou un gaz introduit, le canal 11 peut être scellé pour rendre le capillaire 4 et la fibre optique à coeur creux 2 hermétiques aux conditions de 20 pression extérieures et maintenir les conditions de pressions imposées au préalable. La figure 5 illustre schématiquement une vue en coupe longitudinale d'une réalisation de l'invention. Chacune des deux terminaisons 1 comportent un 25 miroir 12 dont la face réfléchissante est disposée sur la tranche de l'embout 3 opposée à la fibre optique à coeur creux 2. Un faisceau laser 8 de pompage peut être focalisé à l'entrée de la fibre optique à coeur creux 2 par une lentille externe 7 et/ou par une lentille à gradient d'indice 9 d'une terminaison 1. Avantageusement, le miroir est un miroir diélectrique. Dans ce mode de réalisation, deux miroirs 12a et 30 12b des terminaisons 1 sont disposés aux extrémités du système comportant la fibre optique à coeur creux 2 et les deux terminaisons 1. Avantageusement, le miroir 12a peut-être un dichroïque, permettant la transmission du faisceau laser 8 de pompage ainsi que la réflexion d'un faisceau laser émis par un milieu actif gazeux dans la fibre optique à coeur creux 2. Avantageusement, le miroir 12b peut être un 3039289 8 miroir dichroïque ou semi-réfléchissant, permettant une réflexion partielle de la longueur d'onde du faisceau 8 et d'un faisceau signal 14 émis, de longueur d'onde supérieure à la longueur d'onde du faisceau 8. Un résonateur optique à fibre 13 est réalisé par le système décrit dans la figure 5, comportant au moins deux 5 terminaisons 1 et une fibre optique à coeur creux 2. Des réalisations de résonateurs 13 selon l'invention peuvent permettre de réaliser un oscillateur laser à gaz pompé optiquement ou un oscillateur Raman. REVENDICATIONS1. Terminaison (1) de fibre optique à coeur creux (2) comportant au moins un embout cylindrique plein (3) en matériau transparent et caractérisé en ce qu'il comporte en outre un capillaire creux (4) lié de manière solidaire audit embout (3) par l'une de ses tranches et adapté à être lié de manière solidaire à une dite fibre optique à coeur creux (2) par l'autre de ses tranches et en ce que le diamètre interne dudit capillaire creux (4) est supérieur au diamètre du coeur creux de la dite fibre (2). 2. Terminaison selon la revendication précédente dans laquelle ledit embout (3) comporte au moins une lentille à gradient d'indice (9) convergente de même axe principal que ledit capillaire creux (4). 3. Terminaison selon la revendication précédente dans laquelle ledit embout (3) comporte une pluralité de lentilles à gradient d'indice (9) disposées boutà-bout dont au moins deux lentilles à gradient d'indice (9) sont convergentes, de focales différentes et possèdent le même axe principal que ledit capillaire creux (4). 4. Terminaison selon l'une des revendications précédentes dans laquelle ledit capillaire creux (4) comporte une ouverture (15) dans sa paroi. 5. Terminaison selon la revendication précédente comportant un canal (11) lié de manière solidaire audit capillaire (4) et complétant ladite ouverture (15). 6. Terminaison selon l'une des revendications précédentes comportant un miroir ayant une face réfléchissante disposée sur la tranche dudit embout (3) opposée audit capillaire creux (4). 7. Dispositif comportant une dite fibre optique à coeur creux (2) et au moins une terminaison (1) selon l'une des revendications précédentes, dont ledit 3039289 10 capillaire creux (4) est directement lié de manière solidaire à ladite fibre optique à coeur creux (2). 8. Dispositif comportant une dite fibre optique à coeur solide (10) et au moins une terminaison (1) selon l'une des revendications 2 à 6, dont ledit embout (3) est directement lié de manière solidaire à ladite fibre optique à coeur solide (10) selon le même axe principal. 9. Dispositif comportant au moins une dite fibre optique à coeur creux (2), une 10 dite fibre optique à coeur solide (10), et une dite terminaison (1) selon l'une des revendications 2 à 6 dont ledit embout (3) est directement lié de manière solidaire à ladite fibre optique à coeur solide (10) et dont ledit capillaire creux (4) est directement lié de manière solidaire à ladite fibre optique à coeur creux (2) selon le même axe principal. 15 10. Dispositif comportant au moins une dite fibre optique à coeur creux (2) et deux terminaisons (1) selon la revendication 6. 11. Résonateur optique à fibre (13) comportant au moins un dispositif selon la 20 revendication précédente.