PROCEDE DE FABRICATION D'UN RESEAU DE MICROLENTILLES AUX EXTREMITES D'UN FAISCEAU DE FIBRES OPTIQUES, FIBRES OPTIQUES
ET UTILISATION ASSOCIEES
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
[0001] L'invention se rapporte au domaine de l'optique et plus particulièrement de l'optique appliquée à des fibres optiques pour la transmission d'informations. L'invention concerne ainsi des développements relatifs à la micro-optique. Il s'agit plus particul ièrement de fibres optiques dont une extrém ité est traitée et modifiée ; les fibres concernées sont notamment des fibres dites multicoeurs c'est-à-dire constituées d'un ensemble ou faisceau de fibres optiques unitaires dont chacune des extrémités est finalement pourvue d'une microlentille distincte des microlentilles formées sur les extrémités des fibres voisines. Cet arrangement permet de créer à une extrémité d'une fibre multicoeurs ou d'un faisceau de fibres optiques unitaires, un réseau de micro objectifs destinés par exemple à des applications en imagerie simultanée et/ou multiplexée, en tomographie, ou en spectrométrie simultanée.
[0002] Il s'ag it de pouvoir focal iser la lum ière aux extrém ités d'un faisceau comprenant un très grand nombre (des milliers) de fibres optiques, afin d'illuminer par autant de micro points une surface donnée.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
[0003]On connaît des monofibres optiques lentillées 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 multimodes présentant à l'une au moins de leurs extrémités une ouverture numérique. La ou les extrémités de ces fibres sont pourvues à l'une de leurs extrém ités d'un pic polymère transparent obtenu par photopolymérisation. Cependant le procédé décrit dans ce document concerne uniquement les monofibres et ne s'applique pas aux fibres multicoeurs. La transposition, qui a été testée, à des fibres multicoeurs induit toujours une polymérisation entre les cœurs
(extrémités des fibres unitaires), ce qui constitue un véritable problème à résoud re si l 'on sou ha ite s'orienter vers des appl ications tel les q ue le multiplexage en imagerie simultanée.
[0004]On connaît aussi le document FR 2 827 968 qui concerne des fibres optiques monomodes ou multimodes associées à des pics d'extrémités en polymère transparent. Cette technologie s'applique par exemple à quatre pics d'un seul mode, pour des modes élevés dans une fibre multimodes où les pics se recouvrent. Ce document ne concerne pas les fibres multicoeurs 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 formulation.
[0005] Par ailleurs, la micro-optique connaît plusieurs axes de développement permettant de traiter et/ou de modifier les extrémités de fibres optiques afin d'obtenir un réseau de microlentilles. 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 il 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.
[0006]Selon un premier développement, po u r fa b ri q u e r u n résea u d e microlentilles 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 réaliser 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.
[0007] Un autre axe de développement repose sur l 'attaque ch im ique des extrémités d'un ensemble (entre 50 000 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 aux extrémités des fibres unitaires ; puis on remplit ces trous avec des micro billes diélectriques qui servent de micro lentilles.
[0008] Ces techniques connues sont de mise en œuvre complexe, elles requièrent de nombreuses étapes de procédé et se révèlent parfois difficilement contrôlables, d'où des problèmes de coût, de fiabilité. Les pointes de verre présentent en outre des qualités optiques médiocres.
EXPOSE DE L'INVENTION
[0009] L'invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la technique et notamment à proposer un procédé de fabrication de microlentilles d'extrémités de fibres optiques unitaires faisant partie d'un faisceau de fibres ou d'une fibre multicoeurs, comprenant notamment le dépôt d'une goutte (ou ménisque de capillarité) de solution photo-polymérisable sur une première extrémité du faisceau ou de ladite fibre multicoeurs.
[0010] Selon un premier aspect de l'invention le procédé consiste en outre à : - adapter la dimension de ladite goutte - injecter une lumière centrée sur une longueur d'onde donnée à une deuxième extrémité de ladite fibre multicoeurs ou du faisceau de fibres, afin de polymériser sélectivement ladite goutte,- rincer ladite première extrémité à l'aide d'une solution d'un solvant tel que du méthanol ou de l'éthanol afin d'obtenir un réseau de fibres optiques unitaires chacune pourvue d'une m icrolentille au niveau de la première extrém ité de la fibre multicoeurs ou du faisceau de fibres, lesdites microlentilles étant physiquement séparées les unes des autres.
[0011] 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 multicoeurs, entre la d ite prem ière extrém ité et une surface proximale contenant des intersections des faisceaux lumineux issus de chaque fibre optique unitaire.
[0012]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.
[0013] 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 plan d'extrémité de la fibre multicoeurs et le plan de la tangente de la goutte en périphérie, jusqu'à une valeur inférieure à 10°. [0014] Par 'plan de la tangente de la goutte en périphérie ' on entend le plan de la surface extérieure de la goutte au niveau de son contact périphérique avec le plan d'extrémité de la fibre ou du faisceau de fibres.
[0015]Selon une particularité de l'invention, ladite solution photo-polymérisable comprend un monomère photopolymérisable du type PETIA dans lequel est ajouté un mélange comprenant environ 4% en masse d 'u n agent du type methyldiéthanolamine et environ 0.5% en masse d'un agent du type éosine.
[0016] Avantageusement, on utilise une solution photo-polymérisable radicalaire sensible à un inhibiteur tel que l'oxygène et/ou le 4-Methoxyphénol, présentant un seuil de photopolymérisation donné et induit par ledit inh ibiteur tel que l'oxygène et/ou le 4-Methoxyphénol.
[0017] 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 multicoeurs ou du faisceau de fibres.
[0018] Préférentiellement, on illumine ladite extrémité pendant une durée de l'ordre de la seconde.
[0019]A titre illustratif, l'adaptation de la dimension de la goutte consiste à mettre en contact l 'extrém ité pl ane d 'u n élément extérieu r 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 multicoeurs, à éloigner lesdites extrémités une fois l'extrémité plane chargée d'une quantité de solution photo-polymérisable, à mesurer l'épaisseur et/ou l'angle A de la goutte sur la première extrémité de la fibre multicoeurs, puis en fonction du résultat de la mesure, à rapprocher à nouveau les deux extrémités après que l'extrémité 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.
[0020] L'invention porte en outre sur un faisceau de fibres optiques unitaires selon lequel tout ou partie desdites fibres est pourvu à l'une de ses extrémités d'une microlentille obtenue par le procédé décrit ci-dessus.
[0021] L'utilisation d'un faisceau de fibres optiques obtenues selon le procédé décrit ci-dessus en imagerie médicale ou multiplexée, en couplage de fibres optiques, fait partie de l'invention.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0022] [001 ]D'autres caractéristiques, détails et ava ntages d e l ' i nvention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : la figure 1 , plusieurs schémas illustrant les principales étapes du procédé selon l'invention;
- la figure 1 A est une coupe simpl ifiée de la première extrémité du faisceau de fibres, pourvue d'une goutte de volume important; la figure 1 B est une coupe simpl ifiée de la première extrémité 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 goutte de liquide photopolymérisable; et la figure 3 est un schéma montrant le seuil de polymérisation radiculaire
[0023] Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION
[0024] La figure 1 montre les différentes et principales étapes du procédé de réalisation selon l'invention. Dans un premier temps, on dépose par exemple à l'aide d'une pipette ou d'une fibre extérieure 3, une goutte 2 d'une solution photopolymérisable sur une première extrémité 10 d'un faisceau de fibres ou d'une
fibre dite multicoeurs 1 . Une fibre multicoeurs 1 consiste en un faisceau de fibres optiques 100 gainées extérieurement. Comme il sera explicité ci-après, la solution déposée est préférentiellement une solution à base d'un monomère tel que le PETIA dans laquelle on incorpore au moins un photoinitiateur tel que de l'éosine, ainsi que du methyldiéthanolamine (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.
[0025]Sans sortir du cadre de l'invention les photoin itiateurs peuvent être modifiés pour être adaptés à une longueur d'onde particulière. Ici la longueur d'onde est de l'ordre de 0.532 micromètre.
[0026] Une fois la goutte (ou ménisque de capillarité) 2 déposée sur la première extrémité 10 de la fibre ou du faisceau de fibres 1 , on procède à une adaptation de la dimension de cette 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 plan d'extrémité du faisceau de fibres et le plan de la tangente de la goutte en périphérie.
[0027] Les figures 1A et 1 B 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 1 B correspond sensiblement à une goutte selon la figure 1 (iv) dont la taille a été diminuée, comme il sera explicité ci- après. Ainsi l'angle A final peut être de l'ordre de 8°.
[0028]Selon un mode de réalisation de l'invention déjà testé, on cherche à diminuer l'angle A au cours du procédé.
[0029]Techniquement 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 (ii). Ensuite on éloigne axialement les extrémités de sorte que l'extrémité de l'élément extérieur 3, initialement libre de
toute solution, se charge en solution comme visible sur la figure 1 (iii) ; le volume de la goutte 2 est ainsi diminué d'autant.
[0030] La figure 2 montre un exemple de matériel util isé pour réal iser une modification contrôlée de la taille (ou 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 vis-à-vis de la source 5 on place un système de visualisation 6 comportant par exemple un objectif et une caméra à 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 déplaçable axialement grâce à un système 7 par exemple constitué d'une platine et d'une vis micrométrique. Cet agencement permet de rapprocher ou d'éloigner axialement 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. [0031]Tout autre moyen connu en soi permettant une telle adaptation associée à un tel contrôle peut bien entendu être mis en oeuvre sans sortir du cadre de l'invention.
[0032] 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 l e 4-méthoxyphénol ou tout autre inhibiteur équivalent. L' inh ibiteur tue les radicaux libres de la solution, vecteurs de la polarisation, l'empêchant donc de se produire. Afin de passer outre ce seuil i l est nécessaire d'augmenter l'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 réduisant l'épaisseur de 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 on limite la polymérisation. Ainsi, les zones d'intensité moins importantes, à savoir les zones entre les cœurs (ou extrémités de fibres
unitaires) ne vont pas induire de polymérisation, et les zones situées au niveau des extrémités des fibres unitaires 100 vont pouvoir être polymérisées tout en étant physiquement séparées les unes des autres.
[0033] La figure 3 illustre le principe énoncé ci-avant d'où il ressort que : (a) si l'on a une goutte 2 de taille et donc d'épaisseur importante, avec un seuil Es donné et une faible quantité d'oxygène, toute l'extrémité 10 du faisceau de fibres va être polymérisée, sur une certaine épaisseur. De façon différente (b) si l'épaisseur de la goutte est plus faible (ici de l'ordre de quelques micromètres), et que l'on augmente le seuil de polymérisation Es, alors une certaine quantité d'inhibiteur va permettre de polymériser sélectivement les extrémités des fibres et non pas les zones entre les fibres (encore appelées zones inter-cœurs).
[0034] Comme déjà dit, il s'agit donc de contrôler précisément l'épaisseur de la goutte 2 qui est liée au seuil de polymérisation radicalaire de la solution déposée.
[0035] La dimension et notamment la hauteur, dimension mesurée selon l'axe longitudinal de la fibre, de la goutte 2 doit rester inférieure à la distance mesurée selon le même axe long itudinal , entre la prem ière extrémité 1 0 de la fibre multicoeurs et une surface proximale contenant des intersections des faisceaux lumineux issus de chaque fibre unitaire 100. Les faisceaux lumineux présentent chacun une forme sensiblement conique dont la plus petite section est constituée par l'extrémité même de chaque fibre unitaire 100. Les fibres unitaires 100 étant d isposées 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 100. On cherchera à adapter la hauteur (ou épaisseur) de la goutte 20 en fonction de la zone de recouvrement, tel que défini ci-avant. [0036] Par ailleurs la hauteur de la goutte dépendra de la composition de la solution photo-polymérisable et notamment de sa concentration en inhibiteurs tels que l'oxygène ou 4-Methoxyphénol.
[0037] Des essa is com paratifs ont m is en évid ence q ue l a h auteu r d es microlentilles 101 est directement corrélée à l'épaisseur de la solution déposée à l'extrémité 10 du faisceau ou de la fibre 1 .
[0038] Une fois la taille de la goutte 2 obtenue, le procédé se poursu it en illuminant à l'aide d'une source 4 la deuxième extrémité 20 de la fibre multicoeurs 1 .cf figure 1 (iv). Ceci va induire la polymérisation sélective recherchée à la première extrémité 10 de la fibre 1 .
[0039] Enfin selon l'étape (v) de la figure 1 , il s'agit de rincer la première extrémité 10 de la fibre 1 afin d'éliminer toute trace de polymérisation en dehors de celles formées aux extrémités des fibres 100, et qui forment les microlentilles 101 .
[0040] A titre illustratif, une fibre optique multicoeurs 1 longue de un (1 ) mètre, pourvue à sa première extrémité 1 0 d'une goutte 2 ayant une épaisseur de 10 micromètres a été irradiée depuis sa deuxième extrémité 20 par une source de longueur d'onde égale à 532 nanomètres avec une puissance de 7 microwatts pendant une durée de 2 secondes. Des microlentilles 101 , toutes séparées physiquement les unes des autres ont ainsi pu être obtenues aux extrémités de la fibre optique multicoeurs 1 .
[0041]Ainsi, le procédé décrit ci-avant, qui est de mise en œuvre simple, permet de réaliser des réseaux de microlentilles 101 à une extrémité 10 d'un faisceau de fibres ou d'une fibre multicoeur 1 . Ces structures originales et inventives font partie du cadre de la présente invention.
[0042] D'une façon plus générale la présente invention permet d'obtenir un faisceau de microfibres dont au moins l'une des extrémités 10 est pourvue de micro objectifs ( ou microlentilles 1 01 ) qui focalisent la lumière issue de l'autre extrémité 20 de la fibre, avec une intensité lum ineuse nulle entre les micro objectifs.
[0043] De façon très intéressante, ce faisceau particulier peut avantageusement être utilisé comme réseau de micro-objectifs dans des applications en imagerie simultanée telle que l'endoscopie, ou encore en spectroscopie simultanée, afin
par exemple d'illuminer des tissus biologiques grâce à une multifocalisation de la lumière sur des centaines voire des milliers de points très rapprochés les uns des autres.