EP1516218A2 - Dispositif de centrage automatique d un faisceau laser et pr ocede de fabrication de ce dispositif - Google Patents

Dispositif de centrage automatique d un faisceau laser et pr ocede de fabrication de ce dispositif

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Publication number
EP1516218A2
EP1516218A2 EP03761641A EP03761641A EP1516218A2 EP 1516218 A2 EP1516218 A2 EP 1516218A2 EP 03761641 A EP03761641 A EP 03761641A EP 03761641 A EP03761641 A EP 03761641A EP 1516218 A2 EP1516218 A2 EP 1516218A2
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EP
European Patent Office
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laser beam
diffuser
face
volume diffuser
volume
Prior art date
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Application number
EP03761641A
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German (de)
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Inventor
Pascal Leclerc
José Garcia
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219—Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
    • G02B6/4228—Passive alignment, i.e. without a detection of the degree of coupling or the position of the elements
    • G02B6/423—Passive alignment, i.e. without a detection of the degree of coupling or the position of the elements using guiding surfaces for the alignment
    • G02B6/4231—Passive alignment, i.e. without a detection of the degree of coupling or the position of the elements using guiding surfaces for the alignment with intermediate elements, e.g. rods and balls, between the elements
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/32—Optical coupling means having lens focusing means positioned between opposed fibre ends
    • G02B6/322—Optical coupling means having lens focusing means positioned between opposed fibre ends and having centering means being part of the lens for the self-positioning of the lightguide at the focal point, e.g. holes, wells, indents, nibs
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    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4292—Coupling light guides with opto-electronic elements the light guide being disconnectable from the opto-electronic element, e.g. mutually self aligning arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a device for automatically centering a laser beam, in particular in a single-mode optical fiber or in a multimode optical fiber, after a defocusing or a decentering of said beam.
  • This device applies more particularly to laser beams whose deflections or offsets are greater than the transverse dimensions of the optical fibers or close to these dimensions.
  • the invention also relates to a method of manufacturing this device.
  • Static devices mainly use surface light scatterers, more simply called “surface diffusers”, that is to say means whose surface is capable of diffusing (“scatter”) the light from the incident laser beam, but do not provide sufficient uniformity for injections into the fibers, because
  • Dynamic devices have the major drawback of requiring a priori knowledge of pointing and off-center variations to correct the positioning of the optical fiber relative to the laser beam.
  • Such devices use electronic means which are controlled by a CCD type sensor or a four-quadrant sensor, this sensor being placed on a position which is the image of the core ("core”) of the optical fiber.
  • the aim of the present invention is to remedy the above drawbacks.
  • a static centering device comprising a volume light diffuser, more simply called a "volume diffuser”, that is to say a means whose volume - and no longer the surface - is suitable to scatter the light of the incident laser beam that we want to center.
  • the present invention relates to a device for automatically centering a laser beam in a light guide, this device being characterized in that it comprises a volume diffuser, comprising an entry face of the laser beam and provided for diffusing this laser beam and automatically centering it in the light guide.
  • This light guide can be a single mode optical fiber or a multimode optical fiber.
  • the thickness of the volume diffuser is at least equal to 100 times the wavelength of the laser beam.
  • the volume diffuser can be made of polytetrafluoroethylene.
  • the volume diffuser has a cylindrical shape.
  • the volume diffuser has a side face and the device further comprises a light reflector which surrounds this side face.
  • this device further comprises a lens which is placed on the entry face of the volume diffuser and provided for defocusing the laser beam on this entry face. .
  • the volume diffuser has a side face and the device further comprises a light reflector which surrounds this side face, extends beyond the entry face and guides the laser beam to this entry face.
  • the device which is the subject of the invention further comprises an auxiliary optical fiber which is optically coupled to the entry face of the volume diffuser and guides the laser beam to this entry face.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing the device which is the subject of the invention, in which a tubular light guide is produced and the volume diffuser is manufactured from a material capable of diffusing light, using the tubular light guide as a cookie cutter.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a first particular embodiment of the device which is the subject of the invention
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of a second particular embodiment of the device object of the invention.
  • FIG. 4 is a schematic sectional view of a third particular embodiment of the device which is the subject of the invention
  • FIG. 5 is a schematic sectional view of a fourth particular embodiment of the device which is the subject of the invention.
  • FIG. 6A schematically illustrates a step of manufacturing a device according to
  • FIG. 6B is a schematic sectional view of a device according to the invention.
  • FIG. 7 schematically illustrates the scattering of light by an elementary volume of diffusing material
  • the device which is the subject of the invention overcomes the drawbacks of the prior art, on the one hand, because it is static and, on the other hand, because it uses a volume diffuser. In this case, it is possible to reduce the coherence of the laser beam and therefore the resulting granularity.
  • the volume diffuser is made of a suitable material in order to obtain correct uniformities.
  • the choice of this material is made in function of the optical scattering coefficient, which must be as large as possible, and the absorption coefficient which must be as low as possible.
  • a material such as polytetrafluoroethylene or Teflon (registered trademark) is well suited to laser beams from the visible and near infrared spectra.
  • a device according to the invention does not degrade the temporal shape of a pulsed laser beam, as long as the duration of the pulses is not less than 10 11 s, and that the coherence of the beam does not harm not to the uniformity of this beam at the outlet of the diffuser, due to the superposition of decorrelated granularity figures.
  • a volume diffuser is used; this means that this diffuser has a length L, or thickness, which is significant with respect to the wavelength of the incident laser beam F which it is desired to center (FIG. 1).
  • the thickness of this diffuser is at least equal to 100 times this wavelength.
  • This volume diffuser advantageously has the shape of a cylinder whose length is a function of the uniformity and of the desired overall transmission.
  • FIG. 1 This is schematically illustrated in Figure 1 where we see a device according to the invention, comprising a volume diffuser 2, of cylindrical shape, in Teflon (registered trademark), length L.
  • a volume diffuser 2 of cylindrical shape, in Teflon (registered trademark), length L.
  • a laser beam F is focused on one end 4 of the diffuser 2 forming an entry face.
  • the laser light is diffused in the form of spherical waves S at the outlet of the diffuser, on the side opposite to the inlet face 4.
  • the increase in uniformity at the outlet of the diffuser 2 as well as the increase in the overall transmission are obtained by placing the diffuser in volume in a reflective waveguide.
  • FIG. 2 This is schematically illustrated by FIG. 2 where we see the diffuser 2 inserted in a metallic tubular reflector 6 which thus surrounds the lateral face 8 of the diffuser 2.
  • This reflector 6, or guide reflects the laser light which reaches this lateral face 8 and thus guides this light in the diffuser 2.
  • - A is the section of the metal guide (in m 2 )
  • a is the section (in m 2 ) of the optical fiber which is coupled to the diffuser and in which we want to center the laser beam
  • - ⁇ is the digital opening angle of the fiber
  • - z is the length of the guide (in m)
  • scattering cross section (“scattering cross section").
  • Auxiliary means can advantageously be added to the reflecting guide in order to increase the flow resistance of the automatic centering device. Indeed, if the laser beam is focused on the entrance face of the diffuser, it risks damaging it.
  • a micro-lens is added in front of the diffuser to defocus the laser beam on the entrance face of the diffuser, that is to say so that the laser beam is not focused on this entry face.
  • FIG. 3 This is schematically illustrated in FIG. 3 where we see a micro-lens 10 placed against the entry face 4 of the diffuser 2. This micro-lens 10 is able to defocus the incident laser beam 12 on the face 4 of the diffuser , the latter and the microlens 10 being coaxial.
  • the diameter of the microlens is equal to the diameter of the diffuser 2.
  • FIG. 6A a method of manufacturing the diffuser 2 of FIG. 2 will be explained in a tubular reflector of the same length.
  • the diffuser of Figure 4 can be obtained in the same way, in a longer tubular reflector and then pushing the diffuser to the side of the reflector opposite to that by which the diffusing material was introduced.
  • a large diameter optical fiber is added in front of the volume diffuser to increase the flow resistance of the automatic centering device.
  • a section of optical fiber 16 is added to the device in FIG. 4, the core ("core”) and the cladding ("cladding") of which have the references 18 and 20 respectively.
  • the core 18 and the diffuser 2 are coaxial.
  • the section 16, the diameter of which is substantially equal to that of the diffuser 2 is housed in the part of the guide 14 which projects beyond the inlet face
  • the fiber section 16 thus receives the laser beam 12 before the diffuser, which makes it possible to avoid hot spots in the latter.
  • the reflective guide 6 can advantageously serve as a cookie cutter for the development of the diffuser in a flexible diffusing material (if this guide is made of a material of sufficient hardness).
  • tubular guide 6 for example made of steel, which is made rigidly integral with a plate 22 of steel and thus forms a projection of this plate 22.
  • this plate 22 is fitted, by means of this projection, into a support 24 and made integral with this support by screws symbolized by dashed lines
  • the support 24 has a threaded portion 28 onto which an optical fiber connector 30 can be screwed. It is thus able to optically connect the diffuser 2 to the optical fiber 32 with which this connector 30 is provided, the plate 22 and the support 24 being suitably drilled for this purpose.
  • the drilling of the plate 22 causes the diffuser 2 to be located in a reflector of the kind 03616
  • the device in FIG. 6B allows the laser beam 12 to be centered on the optical fiber 32 thanks to the volume diffuser 2.
  • a plate 34 of the flexible diffusing material is used, for example a Teflon plate (registered trademark), and the steel plate 22 is applied against this plate 34 (FIG. 6A).
  • the projection formed by the tubular guide 6 of FIG. 6A sinks into the material and part of the latter penetrates into the tubular guide to form the diffuser 2.
  • the diffuser is then separated. thus formed from the rest of the material.
  • a Teflon diffuser (registered trademark) is used whose length (thickness) is 750 ⁇ m, or nearly 700 times the length d wave of the laser beam, and a metal waveguide of polished steel, which protrudes from the diffuser by 0.3mm on the side from which the laser beam arrives.
  • the present invention is not limited to centering a laser beam in an optical fiber (single mode or multimode).
  • the variation dL of the luminance L (in / m 2 / sr) through a thickness dz of an elementary volume is such that dL
  • Wgest is the albedo of a single particle and d ⁇ the elementary solid angle.
  • the reduced incident illumination U r i decreases as a function of exp (-p ⁇ t z) and of the dimension of the laser beam, while the scattered illumination U d increases firstly as a function of z and then decreases thereafter.
  • the product p ⁇ t z must be of the order of 10 for U d to be of the order of
  • Kl is a constant of proportionality and ⁇ is the aperture angle at l / e 2 of the laser beam in the material, while we can write for 1 scattered illumination, due to the conservation of energy and considering that this illumination is constant on a sphere of radius z:

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Abstract

Dispositif de centrage automatique d'un faisceau laser et procédé de fabrication de ce dispositif. Ce dispositif comprend un diffuseur en volume (2) pour diffuser un faisceau laser et centrer automatiquement celui-ci dans un guide de lumière (32), par exemple une fibre optique monomode ou multimode. Pour fabriquer le dispositif, on fabrique un guide de lumière tubulaire (6) puis le diffuseur, à partir d'un matériau diffusant, en utilisant le guide en tant qu'emporte-pièce.

Description

DISPOSITIF DE CENTRAGE AUTOMATIQUE D'UN FAISCEAU LASER ET PROCEDE DE FABRICATION DE CE DISPOSITIF
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif pour centrer automatiquement un faisceau laser, en particulier dans une fibre optique monomode ou dans une fibre optique multimode, après un dépointage ou un décentrage dudit faisceau.
Ce dispositif s'applique plus particulièrement aux faisceaux laser dont les dépointages ou les décentrages sont supérieurs aux dimensions transversales des fibres optiques ou voisins de ces dimensions.
L'invention concerne aussi un procédé de fabrication de ce dispositif.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Les dispositifs de centrage connus peuvent être classés en deux catégories :
- les dispositifs statiques, tolérant des variations de pointage et de centrage pour l'injection du faisceau laser dans une fibre, et - les dispositifs dynamiques, tolérant des variations de pointage et de centrage et pourvus d'un système de recentrage du faisceau laser par rapport à l'entrée de la fibre, soit en déviant ce faisceau laser, soit en orientant la fibre. Les dispositifs statiques utilisent principalement des diffuseurs de lumière en surface ("surface light scatterers") , plus simplement appelés "diffuseurs en surface", c'est-à-dire des moyens dont la surface est apte à diffuser ("scatter") la lumière du faisceau laser incident, mais ne permettent pas d'obtenir des uniformités suffisantes pour les injections dans les fibres, à cause
- d'une part de la no -uniformité initiale du faisceau laser, qui n'est corrigée que partiellement, et d'autre part de la cohérence de ce faisceau laser.
En effet, lorsqu'un objet diffusant en surface est éclairé par un laser, les points qui composent cet objet diffusent une lumière cohérente et produisent une granularité ("speckle") de type Fresnel dans tout 1 ' espace qui les entoure .
Les dispositifs dynamiques ont, quant à eux, l'inconvénient majeur de nécessiter la connaissance a priori des variations de pointage et de décentrage pour corriger le positionnement de la fibre optique par rapport au faisceau laser.
' Ils ne sont donc généralement applicables qu'à des lasers récurrents car ils nécessitent plusieurs impulsions laser pour converger vers la position optimale de couplage.
De tels dispositifs utilisent des moyens électroniques qui sont asservis à partir d'un capteur de type CCD ou d'un capteur à quatre quadrants, ce capteur étant placé sur une position qui est l'image du cœur ("core") de la fibre optique.
Ils pilotent une optique mobile qui doit compenser les variations de pointage du faisceau laser afin d'optimiser le couplage dans la fibre.
L'avantage de tels dispositifs est de pouvoir atteindre des taux de couplage élevés (de l'ordre de 50%). Ils sont en revanche très coûteux de par leur complexité et nécessitent des alignements très fins, sensibles aux variations de température et aux vibrations .
Cette contrainte résulte de la faible dimension du cœur de la fibre et de sa faible ouverture angulaire, qui nécessitent une optique de longueur focale relativement élevée - typiquement de l'ordre de 20cm - dont le positionnement doit être de l'ordre du 1 μm.
EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents.
Pour ce faire, on utilise un dispositif de centrage statique, comportant un diffuseur de lumière en volume, plus simplement appelé "diffuseur en volume", c'est-à-dire un moyen dont le volume - et non plus la surface - est apte à diffuser ("scatter") la lumière du faisceau laser incident que l'on veut centrer.
De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de centrage automatique d'un faisceau laser dans un guide de lumière, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend un diffuseur en volume, comportant une face d'entrée du faisceau laser et prévu pour diffuser ce faisceau laser et centrer automatiquement celui-ci dans le guide de lumière. Ce guide de lumière peut être une fibre optique monomode ou une fibre optique multimode.
Selon un mode de réalisation préféré du dispositif objet de l'invention, l'épaisseur du diffuseur en volume est au moins égale à 100 fois la longueur d'onde du faisceau laser.
Le diffuseur en volume peut être en polytétrafluoréthylène .
Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, le diffuseur en volume a une forme cylindrique.
De préférence, le diffuseur en volume comporte une face latérale et le dispositif comprend en outre un réflecteur de lumière qui entoure cette face latérale. Selon un premier mode de réalisation préféré du dispositif objet de l'invention, ce dispositif comprend en outre une lentille qui est placée sur la face d'entrée du diffuseur en volume et prévue pour défocaliser le faisceau laser sur cette face d'entrée..
Selon un deuxième mode de réalisation préféré, le diffuseur en volume comporte une face latérale et le dispositif comprend en outre un réflecteur de lumière qui entoure cette face latérale, se prolonge au delà de la face d'entrée et guide le faisceau laser jusqu'à cette face d'entrée. Selon un troisième mode de réalisation préféré, le dispositif objet de l'invention comprend en outre une fibre optique auxiliaire qui est optiquement couplée à la face d'entrée du diffuseur en volume et guide le faisceau laser jusqu'à cette face d'entrée.
La présente invention concerne aussi un procédé de fabrication du dispositif objet de l'invention, dans lequel on fabrique un guide de lumière tubulaire et l'on fabrique le diffuseur en volume à partir d'un matériau apte à diffuser la lumière, en utilisant le guide de lumière tubulaire en tant qu' emporte-pièce.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un exemple de diffuseur en volume que l'on peut utiliser dans la présente invention,
- la figure 2 est une vue en coupe schématique d'un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention,
- la ' figure 3 est une vue en coupe schématique d'un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention,
- la figure 4 est une vue en coupe schématique d'un troisième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, - la figure 5 est une vue en coupe schématique d'un quatrième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention,
- la figure 6A illustre schématiquement une étape de fabrication d'un dispositif conforme à
1 ' invention,
- la figure 6B est une vue en coupe schématique d'un dispositif conforme à l'invention.
- la figure 7 illustre schématiquement la diffusion de la lumière par un volume élémentaire de matériau diffusant, et
- la figure 8 montre des courbes de variation de 1 ' éclairement diffusé et de 1 'éclairement incident réduit en fonction de la distance.
EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS
Comme on l'a vu plus haut, le dispositif objet de l'invention permet de remédier aux inconvénients de l'art antérieur, d'une part, parce qu'il est statique et, d'autre part, parce qu'il utilise un diffuseur en volume. Dans ce cas, il est possible de réduire la cohérence du faisceau laser et donc la granularité qui en résulte .
En utilisant des milieux dont les inhomogénéités sont petites devant la taille du faisceau, les diffusions multiples introduisent des relations de phase aléatoires entre les différents points du faisceau et dégradent la cohérence spatiale.
Le diffuseur en volume est élaboré dans un matériau adapté afin d'obtenir des uniformités correctes . Le choix de ce matériau est effectué en fonction du coefficient de diffusion optique, qui doit être le plus important possible, et du coefficient d'absorption qui doit être le plus faible possible.
A ce sujet, on se reportera à la fin de la description où l'on donne une théorie du transfert radiatif .
Un matériau comme le polytétrafluoréthylène ou Téflon (marque déposée) est bien adapté aux faisceaux laser des spectres visible et proche infrarouge.
On a également trouvé qu'un dispositif conforme à l'invention ne dégradait pas la forme temporelle d'un faisceau laser impulsionnel, tant que la durée des impulsions n'était pas inférieure à 10_11s, et que la cohérence du faisceau ne nuisait pas à l'uniformité de ce faisceau à la sortie du diffuseur, du fait de la superposition de figures de granularité décorrélées .
De plus, on utilise un diffuseur en volume ; cela signifie que ce diffuseur a une longueur L, ou épaisseur, significative par rapport à la longueur d'onde du faisceau laser incident F que l'on veut centrer (figure 1). De préférence, l'épaisseur de ce diffuseur est au moins égale à 100 fois cette longueur d' onde .
Ce diffuseur en volume a avantageusement la forme d'un cylindre dont la longueur est fonction de l'uniformité et de la transmission globale souhaitée.
Ceci est schématiquement illustré par la figure 1 où l'on voit un dispositif conforme à l'invention, comprenant un diffuseur en volume 2, de forme cylindrique, en Téflon (marque déposée) , de longueur L.
Un faisceau laser F est focalisé sur une extrémité 4 du diffuseur 2 formant une face d'entrée. La lumière laser est diffusée sous la forme d'ondes spheriques S à la sortie du diffuseur, du côté opposé à la face d'entrée 4.
De plus, l'augmentation de l'uniformité à la sortie du diffuseur 2 ainsi que l'augmentation de la transmission globale sont obtenues en plaçant le diffuseur en volume dans un guide d'onde réfléchissant.
Ceci est schématiquement illustré par la figure 2 où l'on voit le diffuseur 2 inséré dans un réflecteur tubulaire métallique 6 qui entoure ainsi la face latérale 8 du diffuseur 2.
Ce réflecteur 6, ou guide, réfléchit la lumière laser qui atteint cette face latérale 8 et guide ainsi cette lumière dans le diffuseur 2.
Une formule empirique, qui est vérifiée expérimentalement, permet de calculer simplement la transmission globale et de dimensionner le dispositif de centrage par rapport au dépointage à corriger.
Cette formule, qui donne la transmission T du dispositif muni d'un guide métallique, est la suivante :
7 , a sin α
T . e' " z .
4A
Dans cette formule :
- A est la section du guide métallique (en m2) , - a est la section (en m2) de la fibre optique qui est couplée au diffuseur et dans laquelle on veut centrer le faisceau laser,
- α est l'angle d'ouverture numérique de la fibre, — z est la longueur du guide (en m) ,
— p est la densité (nombre par m3) des particules qui diffusent la lumière, et
— σ (en m2) est la section efficace de diffusion
("scattering cross section"). Des moyens auxiliaires peuvent être ajoutés avantageusement au guide réfléchissant afin d'augmenter la tenue au flux du dispositif de centrage automatique. En effet, si le faisceau laser est focalisé sur la face d'entrée du diffuseur, il risque de détériorer celui-ci.
Selon une première possibilité, pour réduire les risques de dégradation, on ajoute une micro-lentille devant le diffuseur pour défocaliser le faisceau laser sur la face d'entrée du diffuseur, c'est-à-dire pour que le faisceau laser ne soit pas focalisé sur cette face d'entrée.
Ceci est schématiquement illustré par la figure 3 où l'on voit une micro-lentille 10 placée contre la face d'entrée 4 du diffuseur 2. Cette micro- lentille 10 est apte à défocaliser le faisceau laser incident 12 sur la face 4 du diffuseur, ce dernier et la micro-lentille 10 étant coaxiaux.
Dans l'exemple de la figure 3, le diamètre de la micro-lentille est égal au diamètre du diffuseur 2. Selon une deuxième possibilité, en rallongeant le guide d'onde vers l'avant du diffuseur, le faisceau laser est guidé jusqu'à ce diffuseur et l'étendue géométrique du faisceau est accrue par l'augmentation de sa surface au niveau du diffuseur, ce qui réduit d'autant les risques de dégradation de ce diffuseur.
Ceci est schématiquement illustré par la figure 4 où l'on voit un réflecteur tubulaire 14 qui entoure le diffuseur cylindrique 2 et dépasse de la face d'entrée 4 de ce diffuseur.
Dans la description de la figure 6A, on expliquera un procédé de fabrication du diffuseur 2 de la figure 2 dans un réflecteur tubulaire de même longueur.
Le diffuseur de la figure 4 peut être obtenu de la même façon, dans un réflecteur tubulaire plus long et en repoussant ensuite le diffuseur vers le côté du réflecteur opposé à celui par lequel le matériau diffusant a été introduit.
Selon une troisième possibilité, on ajoute une fibre optique de gros diamètre devant le diffuseur volumique pour augmenter la tenue au flux du dispositif de centrage automatique. Ceci est schématiquement illustré par la figure 5. Dans cet exemple, on ajoute au dispositif de la figure 4 un tronçon de fibre optique 16 dont le cœur ("core") et la gaine ("cladding") ont respectivement les références 18 et 20. Le cœur 18 et le diffuseur 2 sont coaxiaux. Le tronçon 16, dont le diamètre est sensiblement égal à celui du diffuseur 2, est logé dans la partie du guide 14 qui dépasse de la face d'entrée
4. Cette dernière est en contact avec le tronçon de fibre 16.
Le tronçon de fibre 16 reçoit ainsi le faisceau laser 12 avant le diffuseur, ce qui permet d'éviter les points chauds dans ce dernier.
Le guide réfléchissant 6 peut servir avantageusement d' emporte-pièce pour l'élaboration du diffuseur dans un matériau diffusant souple (si ce guide est fait d'un matériau de dureté suffisante) .
Ceci est schématiquement illustré par l'exemple de la figure 6A où l'on voit le guide tubulaire 6, par exemple en acier, qui est rendu rigidement solidaire d'une plaque 22 en acier et forme ainsi une saillie de cette plaque 22.
Comme on le voit sur la figure 6B, cette plaque 22 est emboîtée, par l'intermédiaire de cette saillie, dans un support 24 et rendue solidaire de ce support par des vis symbolisées par des traits mixtes
26.
Le support 24 comporte une partie filetée 28 sur laquelle on peut visser un connecteur de fibre optique 30. On est ainsi capable de connecter optiquement le diffuseur 2 à la fibre optique 32 dont est pourvue ce connecteur 30, la plaque 22 et le support 24 étant convenablement percés à cet effet.
En particulier, comme on le voit sur la figure 6B, le perçage de la plaque 22 fait que le diffuseur 2 se trouve dans un réflecteur du genre de 03616
12
celui de la figure 4, plutôt que dans un guide du genre de celui de la figure 2.
Le dispositif de la figure 6B permet le centrage du faisceau laser 12 sur la fibre optique 32 grâce au diffuseur en volume 2.
Pour fabriquer ce dispositif, on utilise une plaque 34 du matériau diffusant souple, par exemple une plaque de Téflon (marque déposée), et l'on applique la plaque 22 en acier contre cette plaque 34 (figure 6A) .
La saillie formée par le guide tubulaire 6 de la figure 6A s'enfonce dans le matériau et une partie de ce dernier pénètre dans le guide tubulaire pour former le diffuseur 2. Au moyen d'un outil coupant approprié 36, on sépare ensuite le diffuseur ainsi formé du reste du matériau.
A titre purement indicatif et nullement limitatif, pour centrer un faisceau laser dont la longueur d'onde vaut 1064 nm, on utilise un diffuseur en Téflon (marque déposée) dont la longueur (épaisseur) vaut 750μm, soit près de 700 fois la longueur d'onde du faisceau laser, et un guide d'onde métallique en acier poli, qui dépasse du diffuseur de 0,3mm du côté par lequel arrive le faisceau laser.
La présente invention n'est pas limitée au centrage d'un faisceau laser dans une fibre optique (monomode ou multimode) .
Elle s'applique également au centrage d'un faisceau laser dans d'autres guides de lumière, par exemple les guides planaires. 3616
13
On explique dans ce qui suit la théorie du transfert radiatif, c'est-à-dire le transfert de la lumière par le diffuseur
Dans le cas d'une propagation rectiligne, la variation dL de la luminance L (en /m2/sr) à la traversée d'une épaisseur dz d'un volume élémentaire est telle que dL
— . - (. . > )L dz où α est le coefficient d'absorption (en m"1) et β le coefficient de diffusion (en m"1) .
Dans le cas de particules diffusantes, pour lesquelles on définit les sections efficaces de diffusion σs, d'absorption σa et d'extinction σt=σa+σs
(en m2) , on exprime de même la luminance incidente I(r, s) au point r dans la direction s, sur un volume cylindrique élémentaire de longueur ds (voir figure 7) de la façon suivante : dl(r, s) _ = pσtI(r, s) ds où p est la densité volumique des particules. Au terme d'absorption et de diffusion suivant la direction s, il faut ajouter toutes les diffusions et absorptions provenant de toutes les directions s'. Elles s'expriment à partir de la fonction de phase de diffusion des particules p(s, s') qui est définie par :
03616
14
où Wgest 1 ' albédo d'une particule seule et dω l'angle solide élémentaire.
Il faut de plus ajouter un terme (en /m3/sr) qui correspond à l'émission du volume élémentaire de longueur ds dans la direction s et qui est noté ε(r, s ) .
En intégrant 1 ' ensemble de ces contributions, on obtient l'équation de transfert : dl(r, s)
= -pσtI(r, s) + ^ - I p(s, s' )I(r, s' )dω'+ε(r, s) . ds 4π J
4π On dissocie la luminance totale I dans la direction s au point r en deux termes correspondant à la luminance incidente réduite Iri et à la luminance diffusée la. On obtient les deux équations suivantes : dl Lrτι (r, s) = -pσtIri(r, s) ds
s' )Id(r, s' )dω'+ε(r, s) + εri(r, s)
4π
4π
On en tire 1 ' éclairement Ud et le vecteur de flux Fd qui sont diffusés au point r :
u d (r) = — et Fd (r, s) = — jl(r, )sdω
Dans le cas d'un faisceau collimaté ou gaussien parvenant sur un échantillon plan, on peut calculer 1 'éclairement diffusé Ud(r) en tout point. Il faut pour cela introduire les fonctions de Green G(r,r') qui satisfont à l'équation de propagation et aux conditions aux limites ("boundary conditions") pour un échantillon plan de longueur d :
VG(r, r' ) - K G(r, r' ) = -δ(r, r' ) d d G(r, r' ) - h — G(r, r' ) = 0 z=0 dz d G(r, r' ) + h — G(r, r' ) = 0 z=d dz
Dans ces équations, avec ( 1-μ) où μ est le cosinus de l ' angle moyen de diffusion . L ' éclairement diffusé en un point r s ' exprime alors par :
G(r, r' )Ql(r' )
Ud(r) = F G(r, r' )Q(r' )dV'+ F dS'
2πh
V
avec Q (r ) = Q (r, θ, z) = 3pσtr —2- exp (-pσtz) exp (——) , πw w où Qα(r) est nul pour une • diffusion isotrope, dV est le volume de l'échantillon, P0 est la puissance incidente du faisceau laser et W est le rayon à 1/e2 du faisceau laser.
Il est possible d'exprimer analytiquement
1 'éclairement diffusé Ud au moyen des fonctions modifiées de Bessel et de le calculer pour différentes valeurs de p, de σt, et de l'épaisseur de
1 ' échantillon.
On a effectué diverses simulations qui donnent les variations de Ud et Uri (éclairement incident réduit) en fonction de la densité de particules et de la section efficace d'extinction pour trois épaisseurs (0,5mm, 1mm et 2mm) de l'échantillon.
Le laser utilisé avait une puissance de lmW et une ouverture numérique de 0,11. La figure 8 montre les courbes de variation de Ud et Uri en fonction de z.
L' éclairement incident réduit Uri décroît en fonction de exp(-pσtz) et de la dimension du faisceau laser, alors que 1 'éclairement diffusé Ud augmente tout d'abord en fonction de z puis décroît ensuite.
Avec la configuration choisie, qui est liée au faisceau laser d'entrée, il faut que le produit pσtz soit de l'ordre de 10 pour que Ud soit de l'ordre de
Uri- On peut retrouver l'ordre de grandeur de cette valeur à partir de considérations simples. L' éclairement incident réduit décroît sous la forme :
où Kl est une constante de proportionnalité et θ est l'angle d'ouverture à l/e2 du faisceau laser dans le matériau, alors que l'on peut écrire pour 1 'éclairement diffusé, du fait de la conservation de l'énergie et en considérant que cet éclairement est constant sur une sphère de rayon z :
4πzUd(z) =K2x(l-exp(-pσtz) ) où K2 est une constante de proportionnalité. Lorsque Ud est égal à Uri, exp(-pσtz) est peu θ2 différent de — donc pσtz est peu différent de 7. 4π
On retrouve 1 ' ordre de grandeur indiqué précédemment .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de centrage automatique d'un faisceau laser dans un guide de lumière (32) , ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend un diffuseur en volume (2), comportant une face d'entrée du faisceau laser et prévu pour diffuser ce faisceau laser et centrer automatiquement celui-ci dans le guide de lumière .
2. Dispositif de centrage automatique d'un faisceau laser dans une fibre optique monomode ou multimode (32) , ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend un diffuseur en volume (2), comportant une face d'entrée du faisceau laser et prévu pour diffuser ce faisceau laser et centrer automatiquement celui-ci dans la fibre optique.
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel l'épaisseur (L) du diffuseur en volume (2) est au moins égale à 100 fois la longueur d'onde du faisceau laser.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le diffuseur en volume (2) est en polytétrafluoréthylène.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le diffuseur en volume (2) a une forme cylindrique.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le diffuseur en volume (2) comporte une face latérale et le dispositif comprend en outre un réflecteur de lumière (6, 14) qui entoure cette face latérale.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre une lentille (10) qui est placée sur la face d'entrée du diffuseur en volume (2) et prévue pour défocaliser le faisceau laser sur cette face d'entrée.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendication 1 à 5, dans lequel le diffuseur en volume (2) comporte une face latérale et le dispositif comprend en outre un réflecteur de lumière (14) qui entoure cette face latérale, se prolonge au-delà de la face d'entrée et guide le faisceau laser jusqu'à cette face d'entrée.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 et 8, comprenant en outre une fibre optique auxiliaire (16) qui est optiquement couplée à la face d'entrée du diffuseur en volume (2) et guide le faisceau laser jusqu'à cette face d'entrée.
10. Procédé de fabrication du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel on fabrique un guide de lumière tubulaire (6) et l'on fabrique le diffuseur en volume (2) à partir d'un matériau (34) apte à diffuser la lumière, en utilisant le guide de lumière tubulaire en tant qu' emporte-pièce.
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