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Sin A1
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Est-a
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Polymer
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Rayon
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Physical
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r.t.
(1)
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200 micrometres
(1)
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5 mm
(1)
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Molecule
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iodine
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2513390A1
Family ID 8016918
Probable Assignee Bertin And Cie
Publication Year 1983
Abstract
_________________________________________________________________
MELANGEUR DE MODES COMPORTANT UN CONDUIT 9 EN FORME D'ARCHE 11, 12,
13, 14, 15, 16, 17 DANS LAQUELLE PASSE LIBREMENT LA FIBRE OPTIQUE 1.
IL EST CONSTITUE DE TROIS PLAQUES EMPILEES 6, 7, 8 DONT LA PLAQUE
INTERMEDIAIRE 7 PRESENTE UN EVIDEMENT FORMANT AVEC LES PLAQUES
LATERALES 6, 8 UN CONDUIT.
The fibre comprises a core (2) and a sleeve (3), the sleeve having a
lower refractive index than the core, so that light is transmitted by
total internal reflection at the core-sleeve boundary. A lens (L) of
focal length f with a wide aperture is placed near to the end of the
optical fibre, so that its axis coincides with that of the lens, and
its focus is on the end of the fibre. The lens is illuminated by a
plane wave covering the surface of the lens, at an angle (alpha)
w.r.t. the lens axis. The light is focussed at a point (M) on the
surface of the core of the fibre. The lens may be formed using
material of variable refractive index, and makes more uniform the
angular light acceptance of the fibre.
Description
_________________________________________________________________
La presente invention concerne un melangeur de modes pour fibres
optiques permettant de rendre la reponse independante de l'incidence
de la lumiere dans un domaine angulaire donne.
On connatt principalement deux types de fibres optiques a) les fibres
dites a saut d'indice, constituees d1un coeur en materiau d'indice n1,
entoure d'une gaine exterieure qui a un indice n2, inferieur a' n1. La
lumiere se propage a l'interieur du coeur par reflexions totales a
l'interface entre le coeur et la gaine Un ou plusieurs modes de
propagation peuvent exister suivant la dimension du coeur et la
difference d'indice entre le coeur et la gaine. b) les fibres dites n
a gradient d'indice", ou l'indice de refraction du coeur decroit quasi
continteent lorsqu'on va de l'axe de la fibre a l'interface
coeur-gaine.
La presente invention s'applique a' ces deux types de fibres mais elle
procure des resultats particulierement avantageux dans le cas des
fibres a saut d'indice.
Pour une fibre a saut d'indice de longueur pratiquement infinie
(plusieurs kilometres) et eclairee par une onde plane dont la
direction de propagation fait un angle e avec l'axe de la fibre, la
courbe d'acceptance angulaire A (e) est obtenue en mesurant les
variations du rapport entre le flux lumineux total emergent pour une
incidence 6 et le flux lumineux total emergent pour une incidence
nulle.
Cette courbe, representee de facon schematique a la figure 1 est
symetrique et peut etre caracterisee par le terme sin ek, ou #k
designe l'angle d'incidence pour lequel l'acceptance angulaire est
reduite d'un facteur 1/k par rapport a sa valeur a une incidence
nulle.
Il est souvent souhaitable d'obtenir une reponse angulaire aussi
constante que possible sur une plage d'incidence etendue; en d'autres
termes, il faut rendre maximum le parametre sin a1 E/1OO ou and
alpha1- #/100 repre- sente le demi-angle au sommet du corne
d'incidence pour lequel l'acceptance angulaire ne s'ecarte pas de sa
valeur centrale de (percent,(prenant des valeurs aussi faibles que
possible.
Par ailleurs, on peut avoir besoin de limiter l'acceptance angulaire
aux grands angles d'indice, c'esta-dire de disposer d'une valeur sin
Wo donnee a priori ou a0 represente le demi-angle au sommet du ctne
d'incidence pour lequel l'acceptance angulaire a une valeur nulle.
La figure 2 represente le gabarit d'acceptance angulaire auquel on
veut parvenir a partir d'une fibre dont l'acceptance angulaire
naturelle correspond a celle illustree par la figure 1.
La presente invention permet de realiser une telle transformation
d'acceptance angulaire.
Un dispositif de transformation de l'acceptance angulaire d'une fibre
optique comporte, selon l'invention, une lentille a gradient d'indice
disposee a l'entree de la fibre optique pour uniformiser l'acceptance
angulaire de la fibre. De telles lentilles a variation d'indice sont
notamment produites par la Societe NIPPON SHEET GLASS, et vendues sous
le nom de "lentilles SELFOC".
Avantageusement la fibre optique est associee en outre a un melangeur
de modeW de maniere a rendre la reponse totalement independante de
l'incidence dans un domaine angulaire.
L'invention s'applique notamment dans tous les systemes ou un capteur
contenant une fibre a saut d'indice place dans un flux collimate
(soleil, laser, diode laser, etc..), doit presenter une reponse
uniforme sur un domaine angulaire important ou impose a l'avance.
La description qui va suivre, en regard des dessins annexes, donnee a
titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut titre
realisee.
Les figures 1 et 2 sont des courbes qui ont deja ete definies
precedemment.
La figure 3 illustre schematiquement le principe d'un montage optique
permettant d'obtenir le gabarit d'acceptance angulaire represente
figure 2.
La figure 4 illustre schematiquement un mode de realisation de
l'invention.
La figure 5 est une vue en coupe prise selon la ligne V-V de la figure
6, representant un melangeur de iodine qui peut 8trie avantageusement
utilise dans le cadre de l'invention.
La figure 6 est une vue d'exterieur, prise selon la fleche VI de la
figure 5. le principe utilise par l'invention est schematise, figure
3. On peut voir une fibre optique a saut d'indice 1 avec un coeur 2 et
une gaine 3. Une lentille L de focale f, d'ouverture elevee
(typiquement f: 1) est placee a proximite de la fibre optique I de
maniere a ce que soient confondus, d'une part l'axe optique de la
lentille et celui de la fibre, d'autre part, le plan focal de la
lentille et la face d'entree de la fibre.
L'ensemble est eclaire par une onde plane surcouvrant la lentille L et
inclinee d'un angle a par rapport a l'axe du montage. La lumiere se
focalise en un point M, tel que OM wftgx.
La fibre optique preleve a l'interieur du conte lumineux ainsi forme
la part correspondant a son acceptance angulaire propre. Or, pour les
fibres a saut d'indice, cette acceptance angulaire ne varie pas
suivant le point considere a la surface du coeur. La quantite de
lumiere injecte a l'interieur de la fibre ne varie donc pas tant que M
reste a l'interieur du coeur et chute brutalement lorsque M penetre
dans la gaine optique. On aura donc dans ce cas ideal
Les deux equations precedentes supposent que la tache image est
rigoureusement ponctuelle, ce qui ne saurait titre, ne serait-ce que
pour des problemes de diffraction.
En consequence, on aura toujours alors
La valeur de ai est obtenue pour une fibre donnee en jouant sur la
longueur focale f. Pour faire varier aO, il faut modifier les
dimensions de la tache image, ce qui peut se faire simplement en
defocalisant legerement la fibre.
Soit d le diametre de la tAche image, on a alors ce qui montre bien
que l'on peut donner a a1 et a0 des valeurs guelconques fixees a
priori.
Tous ces resultats supposent que les dimensions de la tache image sont
uniquement liees a la diffraction et a une eventuelle defocalisation
de la fibre. Or les lentilles classiques de courte focale et de grande
ouverture sont essentiellement - des lentilles spheriques ou
hemispheriques en verre pour lesquelles les aberrations sur l'axe et
hors de l'axe sont extrtmement importantes a de telles ouvertures, d/2
et a sont alors du mime ordre de grandeur et l'obtention d'un gabarit
predetermine est delicate.
- des objectifs de microscope a fort grandissement, utilises ou non en
immersion: si les aberrations geometriques sont ici extrtmement bien
corrigees, les convergences n'excedent pas 500 dioptries et le champ
image est souvent tres limite (200 micrometres environ). De plus
l'emploi de tels composants optiques est peu compatible avec les
exigences de faible cout et l'adaptation habituellement imposees par
les montages a fibres optiques.
Dans la presente invention, comme illustre par la figure 4, on
remplace la lentille classique par une fibre 4 a gradient d'indice
telle que produite par la
Societe NIPPON SKEET GLASS et commercialisee sous le nom de "lentille
SELBOC".
Pour ces lentilles 4 la distribution d'indice de refraction le long
d'un rayon est donnee par ou No est l'indice de refraction le long de
l'axe,
A une constante positive,
N (r) l'indice de refraction a une distance r de l'axe.
Dans le cas de l'optique paraxiale, le cheminement des rayons a
l'interieur de la lentille est caracterise par la relation matricielle
est la position du rayon a l'entree de la lentille 4, est l'angle
d'incidence7 I1 est la position du rayon a la sortie de la lentille 4,
U1 est l'angle d'emergence,
Z est la longueur de la lentille 4.
En prenant pour longueur la valeur particuliere: la relation
matricielle prend la forme simplifiee suivante ce qui permet de
montrer que 1. A une incidence U0 donnee correspond une position
unique
Le systeme fonctionne donc comme une lentille de focale 1/No #A, dont
le plan focal se trouverait sur la face de sortie de la fibre 7.
2. L'angle d'emergence U1 ne depend pas de U0; il est uni quement
fonction de X0: Ul S - No #A X0 (10).
Par ailleurs, dans une lentille 4, l'acceptance angulaire est fonction
de la position du point considere.
Elle est unitaire jusqu'a une valeur e max donnee par
Pour que le flux injecte dans la fibre soit constant sur ail, il faut
que ou #0 correspQnd a l'angle d'incidence pour lequel l'acceptance
angulaire de la fibre seule s'annule.
Si l'on veut obtenir des valeurs superieures pour a1, il faudra
utiliser un systeme de masques circn- laires qui limite
artificiellement la surface de la fibre 4 aux points qui acceptent les
rayons incidents sous un angle inferieur ou egal a 1.
La presente invention est schematisee a la figure 4 et l'utilisation
de lentilles a gradient d'indice permet d'obtenir facilement des
focales tres courtes (de 0,5 a 5 mm, soit 200 a 2000 dioptries) avec
des systemes optiques simples et sans grandes aberrations. La face de
sortie de la lentille 4 est disposee contre la face d'entree de la
figure 1. Comme indique precedemment, on peut faire appel a une legere
defocalisation pour obtenir un gabarit d'acceptance angulaire fixe a
priori.
Nous avions suppose jusqu a present que la longueur de la fibre
optique a saut d'indice consideree etait infinie, ce qui permettait
d'affirmer que, gracie au melange naturel des differents modes de
propagation, l'emittance en sortie de fibre est uniforme et
independante de la repartition transverse du flux lumineux incident,
la valeur absolue de cette emittance E restant evidemment
proportionnelle a la valeur integree du flux lumineux incident fibre
Les fibres utilisees n'etant jamais de longueur infinie, il conviendra
d'employer un melangeur de modes, c'est-a-dire un systeme qui par
courbure ou pression realise de maniere artificielle le melange des
differents modes de propagation a l'interieur de la fibre.
Un exemple de realisation est illustre par les figures 5 et 6. Le
melangeur 5 est constitue-par l'empilement de trois plaques 6, 7 et 8.
La plaque intermediaire 7 presente un evidement de maniere a former
avec les plaques 6 et 8 un conduit 9 en forme d'arche. La fibre
optique 1 est disposee a l'interieur de ce conduit sans etre soumise a
aucune pression exterieure. Les contraintes qu'elle subit sont dues
seulement a sa propre rigidite. Comme illustre figure 5, le trajet
suivi par la fibre comporte successi remuent t - une partie d'entree
rectiligne 11, une partie a courbure variable dans un sens 12, une
partie rectiligne 13, une partie 14 a courbure variable dans le sens
contraire au premier, une partie rectiligne 15, une partie 16 a
courbure variable dans le sens contraire au precedent, une partie
rectiligne de sortie 17.
La presente invention est particulierement utilisable dans tous les
systemes ou un capteur contenant une fibre a saut d'indice place dans
un flux collimate (soleil, laser, diode laser etc..), doit presenter
une reponse uniforme sur un domaine angulaire important ou impose a
l'avance.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1. Melangeur de modes pour fibres optiques, caracterise en ce qu'il
comporte des moyens pour imposer a la fibre au moins une courbure non
periodique en forme d'arche tout en ne soumettant la fibre a aucune
pression exterieure, les contraintes qu'elle subit etant dues
seulement a sa propre rigidite.
2. Melangeur selon la revendication 1, caracterise en ce que le trajet
suivi par la fibre comporte - une partie d'entree rectiligne (11), -
une partie a courbure variable dans un sens (12), - une partie
rectiligne (13), - une partie a courbure variable dans le sens
contraireau premier (14), - une partie rectiligne (15), - une partie a
courbure variable dans le sens contraireau precedent (16), - une
partie rectiligne de sortie (17).
3. Melangeur selon la revendication 1 ou la revendication 2,
caracterise en ce qu'il comporte un conduit (9) en forme d'arche a
l'interieur duquel est disposee la fibre optique.
4. Melangeur de modes selon l'une des revendications 1 a 3,
caracterise en ce que le conduit est forme de plaques empilees (6, 7,
8), dont au moins une plaque intermediaire (7) presente un evidement.
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