FR2513390A1 - - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un mélangeur de modes pour fibres optiques permettant de rendre la réponse indépendante de l'incidence de la lumière dans un domaine angulaire donné. The present invention relates to a mode mixer for optical fibers making it possible to make the response independent of the incidence of light in a given angular range.
On connatt principalement deux types de fibres optiques a) les fibres dites a saut d'indice, constituées d1un coeur en matériau d'indice n1, entouré d'une gaine extérieure qui a un indice n2, inférieur a' n1. La lumière se propage à l'intérieur du coeur par réflexions totales â l'interface entre le coeur et la gaine Un ou plusieurs modes de propagation peuvent exister suivant la dimension du coeur et la différence d'indice entre le coeur et la gaine. We mainly know two types of optical fibers a) the so-called index jump fibers, consisting of a core of material of index n1, surrounded by an outer sheath which has an index n2, less than 'n1. Light propagates inside the heart by total reflections at the interface between the heart and the sheath One or more modes of propagation may exist depending on the size of the heart and the difference in index between the heart and the sheath.
b) les fibres dites n a gradient d'indice", où l'indice de réfraction du coeur décroît quasi continteent lorsqu'on va de l'axe de la fibre à l'interface coeur-gaine. b) the fibers known as n has an index gradient ", where the refractive index of the core decreases almost continuously when one goes from the axis of the fiber to the core-cladding interface.
La présente invention s'applique a' ces deux types de fibres mais elle procure des résultats particulièrement avantageux dans le cas des fibres à saut d'indice. The present invention applies to these two types of fibers but it provides particularly advantageous results in the case of index-jump fibers.
Pour une fibre à saut d'indice de longueur pratiquement infinie (plusieurs kilomètres) et éclairée par une onde plane dont la direction de propagation fait un angle e avec l'axe de la fibre, la courbe d'acceptance angulaire  (e) est obtenue en mesurant les variations du rapport entre le flux lumineux total émergent pour une incidence 6 et le flux lumineux total émergent pour une incidence nulle. For a fiber with an index jump of practically infinite length (several kilometers) and lit by a plane wave whose direction of propagation makes an angle e with the axis of the fiber, the angular acceptance curve  (e) is obtained by measuring the variations of the ratio between the total luminous flux emerging for an incidence 6 and the total luminous flux emerging for a zero incidence.
Cette courbe, représentée de façon schématique à la figure 1 est symétrique et peut être caractérisée par le terme sin ek, où #k désigne l'angle d'incidence pour lequel l'acceptance angulaire est réduite d'un facteur 1/k par rapport à sa valeur à une incidence nulle. This curve, represented schematically in FIG. 1 is symmetrical and can be characterized by the term sin ek, where #k denotes the angle of incidence for which the angular acceptance is reduced by a factor 1 / k relative to to its value at zero incidence.
Il est souvent souhaitable d'obtenir une réponse angulaire aussi constante que possible sur une plage d'incidence étendue; en d'autres termes, il faut rendre maximum le paramètre sin a1 E/1OO où α1- #/100 repré- sente le demi-angle au sommet du corne d'incidence pour lequel l'acceptance angulaire ne s'écarte pas de sa valeur centrale de ( %,( prenant des valeurs aussi faibles que possible. It is often desirable to obtain an angular response as constant as possible over a wide incidence range; in other words, the parameter sin a1 E / 1OO must be maximized where α 1- # / 100 represents the half-angle at the top of the incidence horn for which the angular acceptance does not deviate of its central value of (%, (taking values as low as possible.
Par ailleurs, on peut avoir besoin de limiter l'acceptance angulaire aux grands angles d'indice, c'està-dire de disposer d'une valeur sin Wo donnée a priori où a0 représente le demi-angle au sommet du ctne d'incidence pour lequel l'acceptance angulaire a une valeur nulle. Furthermore, it may be necessary to limit the angular acceptance to the large index angles, that is to say to have a sin sin value given a priori where a0 represents the half-angle at the top of the angle of incidence. for which the angular acceptance has a zero value.
La figure 2 représente le gabarit d'acceptance angulaire auquel on veut parvenir à partir d'une fibre dont l'acceptance angulaire naturelle correspond à celle illustrée par la figure 1. FIG. 2 represents the angular acceptance template which is to be obtained from a fiber whose natural angular acceptance corresponds to that illustrated in FIG. 1.
La présente invention permet de réaliser une telle transformation d'acceptance angulaire. The present invention makes it possible to carry out such a transformation of angular acceptance.
Un dispositif de transformation de l'acceptance angulaire d'une fibre optique comporte, selon l'invention, une lentille à gradient d'indice disposée à l'entrée de la fibre optique pour uniformiser l'acceptance angulaire de la fibre. De telles lentilles à variation d'indice sont notamment produites par la Société NIPPON SHEET GLASS, et vendues sous le nom de "lentilles SELFOC". A device for transforming the angular acceptance of an optical fiber comprises, according to the invention, a gradient index lens disposed at the inlet of the optical fiber to standardize the angular acceptance of the fiber. Such index variation lenses are produced in particular by the company NIPPON SHEET GLASS, and sold under the name of "SELFOC lenses".
Avantageusement la fibre optique est associée en outre à un mélangeur de modeW de manière à rendre la réponse totalement indépendante de l'incidence dans un domaine angulaire. Advantageously, the optical fiber is also associated with a modeW mixer so as to make the response completely independent of the incidence in an angular domain.
L'invention s'applique notamment dans tous les systèmes où un capteur contenant une fibre à saut d'indice placé dans un flux collimaté (soleil, laser, diode laser, etc..), doit présenter une réponse uniforme sur un domaine angulaire important ou imposé à l'avance. The invention is particularly applicable in all systems where a sensor containing an index-hopping fiber placed in a collimated flux (sun, laser, diode laser, etc.), must have a uniform response over a large angular range or imposed in advance.
La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut titre réalisée. The description which follows, with reference to the appended drawings, given by way of example, will make it clear how the invention can be carried out.
Les figures 1 et 2 sont des courbes qui ont déjà été définies précédemment. Figures 1 and 2 are curves which have already been defined previously.
La figure 3 illustre schématiquement le principe d'un montage optique permettant d'obtenir le gabarit d'acceptance angulaire représenté figure 2. FIG. 3 schematically illustrates the principle of an optical assembly making it possible to obtain the angular acceptance template shown in FIG. 2.
La figure 4 illustre schématiquement un mode de réalisation de l'invention. Figure 4 schematically illustrates an embodiment of the invention.
La figure 5 est une vue en coupe prise selon la ligne V-V de la figure 6, représentant un mélangeur de iode qui peut 8trie avantageusement utilisé dans le cadre de l'invention. Figure 5 is a sectional view taken along the line V-V of Figure 6, showing an iodine mixer which can 8trie advantageously used in the context of the invention.
La figure 6 est une vue d'extérieur, prise selon la flèche VI de la figure 5. Figure 6 is an exterior view, taken along arrow VI of Figure 5.
le principe utilisé par l'invention est schématisé, figure 3. On peut voir une fibre optique à saut d'indice 1 avec un coeur 2 et une gaine 3. Une lentille L de focale f, d'ouverture élevée (typiquement f : 1) est placée à proximité de la fibre optique I de manière à 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'entrée de la fibre. the principle used by the invention is shown diagrammatically, FIG. 3. We can see an optical fiber with index jump 1 with a core 2 and a sheath 3. A lens L with focal length f, of high aperture (typically f: 1 ) is placed near the optical fiber I so that on the one hand, the optical axis of the lens and that of the fiber, on the other hand, are the focal plane of the lens and the face d fiber entry.
L'ensemble est éclairé par une onde plane surcouvrant la lentille L et inclinée d'un angle a par rapport à l'axe du montage. La lumière se focalise en un point M, tel que OM wftgx. The assembly is illuminated by a plane wave overlying the lens L and inclined at an angle a with respect to the axis of the assembly. The light focuses at a point M, such as OM wftgx.
La fibre optique prélève à l'intérieur du conte lumineux ainsi formé la part correspondant à son acceptance angulaire propre. Or, pour les fibres à saut d'indice, cette acceptance angulaire ne varie pas suivant le point considéré à la surface du coeur. La quantité de lumière injecte â l'intérieur de la fibre ne varie donc pas tant que M reste à l'intérieur du coeur et chute brutalement lorsque M pénètre dans la gaine optique. On aura donc dans ce cas idéal
Les deux équations précédentes supposent que la tache image est rigoureusement ponctuelle, ce qui ne saurait titre, ne serait-ce que pour des problèmes de diffraction. The two previous equations assume that the image spot is rigorously punctual, which cannot be a title, if only for diffraction problems.
En conséquence, on aura toujours alors
La valeur de ai est obtenue pour une fibre donnée 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 défocalisant légèrement la fibre.As a result, we will always have then
The value of ai is obtained for a given fiber by playing on the focal length f. To vary aO, it is necessary to modify the dimensions of the image spot, which can be done simply by slightly defocusing the fiber.
Soit d le diamètre de la tAche image, on a alors
ce qui montre bien que l'on peut donner à a1 et a0 des valeurs guelconques fixées a priori.Let d be the diameter of the image task, we then have
which shows that we can give a1 and a0 guelcon values fixed a priori.
Tous ces résultats supposent que les dimensions de la tache image sont uniquement liées à la diffraction et à une éventuelle défocalisation de la fibre. Or les lentilles classiques de courte focale et de grande ouverture sont essentiellement - des lentilles sphériques ou hémisphériques en verre pour lesquelles les aberrations sur l'axe et hors de l'axe sont extrtmement importantes à de telles ouvertures, d/2 et a sont alors du mime ordre de grandeur et l'obtention d'un gabarit prédéterminé est délicate. All these results assume that the dimensions of the image spot are only related to diffraction and to a possible defocusing of the fiber. However, conventional short focal length lenses with large apertures are essentially - spherical or hemispherical glass lenses for which aberrations on the axis and off the axis are extremely important at such apertures, d / 2 and a are then of the same order of magnitude and obtaining a predetermined size is difficult.
- des objectifs de microscope à fort grandissement, utilisés ou non en immersion : si les aberrations géométriques sont ici extrtmement bien corrigées, les convergences n'excèdent pas 500 dioptries et le champ image est souvent très limité (200 micromètres environ). De plus l'emploi de tels composants optiques est peu compatible avec les exigences de faible coùt et l'adaptation habituellement imposées par les montages à fibres optiques.- high magnification microscope objectives, whether used in immersion or not: if the geometric aberrations are extremely well corrected here, the convergences do not exceed 500 diopters and the image field is often very limited (around 200 micrometers). In addition, the use of such optical components is not very compatible with the low cost and adaptation requirements usually imposed by optical fiber assemblies.
Dans la présente invention, comme illustré par la figure 4, on remplace la lentille classique par une fibre 4 à gradient d'indice telle que produite par la
Société NIPPON SKEET GLASS et commercialisée sous le nom de "lentille SELBOC". In the present invention, as illustrated in FIG. 4, the conventional lens is replaced by a fiber 4 with an index gradient as produced by the
NIPPON SKEET GLASS company and marketed under the name of "SELBOC lens".
Pour ces lentilles 4 la distribution d'indice de réfraction le long d'un rayon est donnée par
où No est l'indice de réfraction le long de l'axe,
 une constante positive,
N (r) l'indice de réfraction à une distance r de l'axe.For these lenses 4 the distribution of refractive index along a radius is given by
where No is the refractive index along the axis,
 a positive constant,
N (r) the refractive index at a distance r from the axis.
Dans le cas de l'optique paraxiale, le cheminement des rayons à l'intérieur de la lentille est caractérisé par la relation matricielle
est la position du rayon à l'entrée de la lentille 4, est l'angle d'incidence7 I1 est la position du rayon à la sortie de la lentille 4,
U1 est l'angle d'émergence,
Z est la longueur de la lentille 4.In the case of paraxial optics, the path of the rays inside the lens is characterized by the matrix relationship
is the position of the ray at the entry of lens 4, is the angle of incidence7 I1 is the position of the ray at the exit of lens 4,
U1 is the angle of emergence,
Z is the length of lens 4.
En prenant pour longueur la valeur particulière:
la relation matricielle prend la forme simplifiée suivante
ce qui permet de montrer que 1. Â une incidence U0 donnée correspond une position unique
the matrix relationship takes the following simplified form
which shows that 1. Â a given incidence U0 corresponds to a unique position
Le système 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. The system therefore functions as a focal lens 1 / No #A, the focal plane of which would be on the exit face of the fiber 7.
2. L'angle d'émergence U1 ne dépend pas de U0; il est uni quement fonction de X0 : Ul S - No #A X0 (10). 2. The emergence angle U1 does not depend on U0; it is only a function of X0: Ul S - No #A X0 (10).
Par ailleurs, dans une lentille 4, l'acceptance angulaire est fonction de la position du point considéré. Furthermore, in a lens 4, the angular acceptance is a function of the position of the point considered.
Elle est unitaire jusqu'à une valeur e max donnée par
Pour que le flux injecté dans la fibre soit constant sur ail, il faut que
où #0 correspQnd à l'angle d'incidence pour lequel l'acceptance angulaire de la fibre seule s'annule.For the flux injected into the fiber to be constant on garlic, it is necessary that
where # 0 corresponds to the angle of incidence for which the angular acceptance of the fiber alone is canceled.
Si l'on veut obtenir des valeurs supérieures pour a1, il faudra utiliser un système de masques circn- laires qui limite artificiellement la surface de la fibre 4 aux points qui acceptent les rayons incidents sous un angle inférieur ou égal à 1. If one wants to obtain higher values for a1, it will be necessary to use a system of circular masks which artificially limits the surface of the fiber 4 to the points which accept the incident rays at an angle less than or equal to 1.
La présente invention est schématisée à la figure 4 et l'utilisation de lentilles à gradient d'indice permet d'obtenir facilement des focales très courtes (de 0,5 à 5 mm, soit 200 à 2000 dioptries) avec des systèmes optiques simples et sans grandes aberrations. La face de sortie de la lentille 4 est disposée contre la face d'entrée de la figure 1. Comme indiqué précédemment, on peut faire appel à une légère défocalisation pour obtenir un gabarit d'acceptance angulaire fixé a priori. The present invention is shown diagrammatically in FIG. 4 and the use of gradient index lenses makes it possible to easily obtain very short focal lengths (from 0.5 to 5 mm, ie 200 to 2000 diopters) with simple optical systems and without major aberrations. The exit face of the lens 4 is arranged against the entry face of FIG. 1. As indicated previously, it is possible to use a slight defocusing to obtain an angular acceptance template fixed a priori.
Nous avions supposé jusqu a présent que la longueur de la fibre optique à saut d'indice considérée était infinie, ce qui permettait d'affirmer que, gracie au mélange naturel des différents modes de propagation, l'émittance en sortie de fibre est uniforme et indépendante de la répartition transverse du flux lumineux incident, la valeur absolue de cette émittance E restant évidemment proportionnelle à la valeur intégrée du flux lumineux incident
fibre
Les fibres utilisées n'étant jamais de longueur infinie, il conviendra d'employer un mélangeur de modes, c'est-à-dire un système qui par courbure ou pression réalise de manière artificielle le mélange des différents modes de propagation à l'intérieur de la fibre.Until now, we had assumed that the length of the index hopping optical fiber considered was infinite, which made it possible to affirm that, thanks to the natural mixture of the different propagation modes, the emittance at fiber output is uniform and independent of the transverse distribution of the incident light flux, the absolute value of this emittance E obviously remaining proportional to the integrated value of the incident light flux
fiber
Since the fibers used are never of infinite length, a mode mixer should be used, that is to say a system which by curvature or pressure artificially achieves the mixing of the different modes of propagation inside fiber.
Un exemple de réalisation est illustré par les figures 5 et 6. Le mélangeur 5 est constitué-par l'empilement de trois plaques 6, 7 et 8. La plaque intermédiaire 7 présente un évidement de manière à former avec les plaques 6 et 8 un conduit 9 en forme d'arche. La fibre optique 1 est disposée à l'intérieur de ce conduit sans être soumise à aucune pression extérieure. Les contraintes qu'elle subit sont dues seulement à sa propre rigidité. Comme illustré figure 5, le trajet suivi par la fibre comporte successi remuent t - une partie d'entrée rectiligne 11, une partie à courbure variable dans un sens 12, une partie rectiligne 13, une partie 14 à courbure variable dans le sens contraire au premier, une partie rectiligne 15, une partie 16 à courbure variable dans le sens contraire au précédent, une partie rectiligne de sortie 17. An exemplary embodiment is illustrated by FIGS. 5 and 6. The mixer 5 is constituted by the stacking of three plates 6, 7 and 8. The intermediate plate 7 has a recess so as to form with the plates 6 and 8 a duct 9 in the shape of an arch. The optical fiber 1 is disposed inside this conduit without being subjected to any external pressure. The stresses which it undergoes are due only to its own rigidity. As illustrated in FIG. 5, the path followed by the fiber successively stirs t - a rectilinear entry part 11, a part with variable curvature in one direction 12, a rectilinear part 13, a part 14 with variable curvature in the opposite direction to first, a straight part 15, a part 16 with variable curvature in the opposite direction to the previous one, a straight outlet part 17.
La présente invention est particulièrement utilisable dans tous les systèmes où un capteur contenant une fibre à saut d'indice placé dans un flux collimaté (soleil, laser, diode laser etc..), doit présenter une réponse uniforme sur un domaine angulaire important ou imposé à l'avance. The present invention is particularly usable in all systems where a sensor containing an index-hopping fiber placed in a collimated flux (sun, laser, diode laser etc.), must have a uniform response over a large or imposed angular range in advance.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ER | Errata listed in the french official journal (bopi) |
Free format text: 12/83 |
|
| ST | Notification of lapse |