Table des matières
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L’étude étymologique du mot optique, nous apprend qu’il provient du mot grec optikose qui designe se qui se rapporte à l’étude des yeux et de la vue. Aujourd’hui, l’optique englobe tout le spectre des ondes électromagnétiques tel que: les ondes radio, les micro-ondes, les infrarouges, les rayons X, bêta, etc… L’optique classique s’intéresse principalement aux lentilles, aux miroirs, aux réseaux de diffraction ou réfraction de lumière et aux appareils qui en sont pourvus. Ces objets peuvent être conçus et analysés au moyen de théories classiques (c. à d. la théorie géométrique et la théorie ondulatoire) de la lumière. On peut considérer la lumière à la fois comme une particule et comme une onde. Les principaux adeptes de la théorie géométrique sont Johannes Kepler, astronome allemand et sir Isaac Newton physicien, mathématicien, et astronome anglais. Cette théorie suppose qu’une source de lumière émet des rayons lumineux qui se propagent de façon rectiligne dans un milieu homogène . Quand le milieu change, les rayons sont réfractés et décomposés. Cette théorie se confirme à l’aide d’un spectroscope et par l’observation des ombres d’un objet éclairé. L’arc-en-ciel résulte de la dispersion de la lumière solaire par réfraction et réflexion des goutelettes d’eau qui se forment lorsqu’un nuage crève. Le spectroscope est un appareil composé d’un prisme ou d’un réseau sur lequel on fait tomber un faisceau de lumière parallèle. Par réfraction ou réflexion, ce faisceau donne autant de faisceax parallèles qu’il y a de radiations dans la lumière. Dans le plan focal image de l’objectif d’une lunette placée à la suite, on obtient autant d’images de la fente qu’il y a de radiations. Christiaan Huygens, physicien et astronome néerlandais, expliqua la réflexion et la réfraction au moyen d’une théorie ondulatoire. Il supposa qu’une source de lumière émet des ondes qui se propagent en formant des sphères; chaque point d’un front d’ombre constitue une source secondaire à partir de laquelle seront émises de nouvelles ondes. On peut se servir de cette théorie pour étudier les phénomènes optiques de l’interférence, de la diffraction et de la polarisation. Depuis la découverte de l’effet photoélectrique, il faut admettre que la lumière est formée d’ondes et de corpuscules qui constituent comme deux aspect complémentaire de la réalité. L’optique a toujours constitué un élément important de la spectroscopie, qui a joué un rôle vital dans l’étude des atomes et des molécules. L’un des développements des plus récents et des plus intéressants en optique est la découverte de la fibre optique et de ses applications. Si on définit un fil électrique comme une section métallique conductrice d’électrons, on peut définir la fibre optique comme un fil de verre ou autre substance transparente capable de conduire des photons, c’est à dire de la lumière. Les ondes optiques peuvent se propager à l’intérieur de fibres transparentes par réflexion interne totale. Le diamètre de ces fibres peut aller de quelques microns pour la fibre monomode à quelques centaines de microns pour la fibre multimode. À cause de leur haute fréquence, donc une très grande vitesse, les ondes optiques du spectre visible et du proche infrarouge peuvent véhiculer beaucoup plus d’information que le courant électrique se propageant dans des câbles métalliques. Le Canada est l’un des chefs de file en fibre optique; le centre de recherche en communication s’y intéresse beaucoup. Au niveau commercial, Bell-Northen Research et Canada Wire and Cable sont les sociétés canadiennes les plus en vue. Le premier circuit interurbain numérique pour la câblodistribution utilisant les fibres optiques est installé à London Ontario. Les autres systèmes canadiens sont au quartier général de la Défence National à Ottawa et au centre-ville de Montréal de Toronto et de Vancouver. Des systèmes très perfectionnés ont récemment été installés entre Calgary et Cheadle en Alberta ainsi qu’entre Élie et St-Eustache au Manitoba. |
| Qu’est-ce que la fibre optique? Conduire la lumière à son gré a longtemps fasciné l’homme. Si une simple baguette de verre plus ou moins recourbée lui permettait de satisfaire son désir, jusqu’aux quinze dernières années il n’avait guère tiré de bénéfices du phénomène de conduction de la lumière au sein d’un milieu transparent.Ce n’est que lorsqu’on a pensé à utiliser des baguettes très fines, en fait des fibres assemblés en faisceau que l’essor de cette technique a été possible. La souplesse de tels faisceaux permet des applications jusque-là insoupçonnées. De plus, au prix de difficultés techniques notables que l’industrie a su vaincre, il est également possible de transmettre des images. Il est donc aisé de voir le parti qu’on peut tirer de l’association de faisceaux permettant d’éclairer et de faisceaux permettant d’observer. Les connaissances technologiques acquises au cours de la mise au point de ces fibres optiques souples ont permis de les associer en éléments rigides en vue d’applications particulières. Mais définissons d’abord l’usage et le contexte de quelques expressions. L’emploi de « fibre optique » sera réservé à la fibre individuelle élémentaire; l’expression optique de fibres sera utilisée pour désigner les assemblage de fibres optiques. Donc les fibres optiques sont des tubes capillaires de faible diamètre composés de 2 types de matériaux naturels ou synthétiques. Ils transmettent la lumière le long d’un trajet rectiligne ou incurvé suivant le principe de réflexion interne. Ils possèdent un coeur central et en général une seule couche de revêtement externe appelée gaine. Les fibres optiques sont des brins de verre de la finesse d’un cheveux qui transmettent par modulation des signaux lumineux et les impulsions électriques émises par un laser, mieux que les câbles en cuivre ( sous un volume mille fois moindre, une seule fibre transmet 30 fois plus d’information). Fabriquées à partir de silice (abondant et peu cher) avec peu de consommation d’énergie : larges bandes passantes, faibles atténuations du signal, absence d’interférence magnétique elles sont de plus en plus employées en télécommunication, visiophonies, TV câblée, télédétection transmission de données à fort débit en ambiance magnétique. Une optique de fibres conductrice de lumière est un assemblage, généralement souple, de fibres transparentes dont le but est de transmettre le maximum de lumière dans un conducteur de section et de longueur donnée. Une optique de fibres conductrice d’images est un assemblage souple ou rigide de fibres transparentes qui transmettent individuellement une information lumineuse en lui gardant sa place dans l’ensemble des informations, tout en disséquant suffisamment l’ensemble pour profiter de tous les détails en évitant l’interférence d’une information avec une autre. |
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Pourquoi les rayons
lumineux entrant à l’extrémité d’une fibre de verre ne s’échappe-t-il
pas? Parce que la fibre de verre est habituellement plongé dans l’air; il y a
réflexion totale de la lumière qui entrant dans la fibre, rencontre la paroie. Cette
réflexion est possible parce que l’indice de réfraction du verre est supérieur à
celui de l’air.
Un rayon lumineux pénètre dans la fibre sous un angle faible. L’aptitude d’une fibre à recevoir de la lumière est prédéterminée par son ouverture numérique donnée par la relation : O.N. = no sin a o = (n1² - n2²),5 (no = indice de réfraction de l’air, a o = angle sous lequel le rayon lumineux atteint l’interface entre le coeur et le revêtement, n1 = indice de réfraction du coeur, n2 = indice de réfraction du revêtement). Jusqu’à ce qu’il rencontre l’interface entre le coeur et le revêtement, le rayon se propage linéairement. À l’interface, le rayon est réfléchi et suit la courbure du coeur de la fibre. Une réflexion interne se produit à l’interface car l’indice de réfracttion du revêtement est supérieur à celui de l’air mais inférieur à celui du coeur (nI > 1,4).
Cependant l’un des avantages de la fibre optique est son utilisation en faisceau; il y aurait donc contacts multiples des fibres les unes avec les autres. Afin d’éviter le passage de lumière d’une fibre à l’autre, elles doivent être isolées les unes des autres par une gaine. |
| Fabrication de la fibre optique La matière première du verre d’optique est de la silice 40 à 70, et on ajoute de l’alumine 0 à 2, de la soude 8 à 15, de la chaux 3 à12, de la magnésie (oxyde ou hydroxyde de magnésium), de l’oxyde de plomb 10 à 70, acide borique 5 à 15. La fusion se fait à haute température, dans des bassins ou creusets en matériaux réfractaires, vers1500° C les constituant fondent et se combinent pour former du verre. Au moment de sa fabrication, chaque fibre est revêtue d’une gaine de verre d’indice ne plus faible que celui du coeur ou de la fibre elle-même d’indice ni. Il faut donc impérativement satisfaire la condition : Ni > Ne Les spécialistes ont défini ce qu’ils ont appelé l’ouverture optique du système et qui est l’expression : O = (Ni² > Ne²),5 Si l’écart entre les indices des deux verres est faible, l’ouverture est faible et le système ne permet pas la transmission des rayons très inclinés par rapport à l’axe de la fibre, d’où perte de lumière. Par contre, si on utilise des verres ayant un écart d’indice élévé, l'ouverture peut atteindre l’unité et la dépasser; le rendement lumineux est alors très supérieur. Couramment, on fabrique des verres permettant des ouvertures de 0.8 et même un. Bien d’autres conditions seront requises des verres que l’on utilise. Ils devront avoir des coefficients de dilatation aussi voisin que possible et des points de ramolissement adaptés aux procédés de fabrication. Pour l’instant, il n’est pas possible de réduire le diamètre de la fibre autant que l’on voudrait. En effet, pour des raisons tenant au mode de transmission de la lumière, on ne peut pas utiliser des fibres dont le coeur a un diamètre inférieur à 4 microns et la gaine de peut pas être d’épaisseur inférieure à 0.5 ou 1 micron. Étant donné le long parcours de la lumière lors de ses réflexions multiples, quelques mètres dans les cas extrêmes, il est nécessaire d’avoir recours à des verres dont le coefficient d’absortion soit particulièrement faible. Le principe de fabrication des fibres gainées est assez simple, il suffit de fabriquer simultanément deux verres, l’un destiné à constituer le coeur de la fibre , l’autre à former la gaine. Deux techniques sont surtout utilisées. La première consiste à introduire une baguette de verre d’indice élevé, destiné à former le coeur, dans un tube de verre à faible indice, de diamètre et d'épaisseur soigneusement adaptés, destiné à former la gaine. Il suffit de réchauffer cet ensemble baguette-tube et de l’étirer en une fibre qui est recueillie sur bobinoir. La seconde technique, qui évite de fabriquer au préalable une baguette et un tube, a recours à deux creusets concentriques, généralement en platine, que l’on peut chauffer de diverse façons. Ces creusets ont chacun à leur base un téton de forme appropriée. Ces deux tétons sont centrés sur le même axe vertical. Le verre d’indice élevé est placé dans un creuset central et le verre à faible indice se trouve dans l’espace annulaire existant entre le creuset central et le creuset extérieur. Les verres fondus s’échappent par les tétons; en jouant sur leurs positions respectives et sur les diamètres de perçage, le débit de chaque verre est déterminé, rendant l’opérateur maître de l’épaisseur de la gaine par rapport au coeur. Comme dans la première technique, la fibre est également recueillie sur un bobinoir tournant à grande vitesse. Les échevaux de fibre ainsi recueillis sur le bobinoir peuvent être sectionnés sans précaution spéciales, permettant de préparer des conducteurs souples de lumière. Par contre, si les échevaux ont été formés sur le bobinoir avec un soin extrême pour atteindre un rangement parfait de fibres, il sera possible, en bloquant les fibres sur une courte partie de l’écheveau au moyen d’une résine polymérisable et en sectionnant l’écheveau dans cette partie, d’obtenir un conducteur souple d’image. Ces conducteurs souples, dont les extrémités sont optiquement polies, sont habituellements protégés par des gaines plastiques ou métalliques souples. Pour certaines applications, il est indispensable d’avoir des faisceaux de fibres rigides. Comme il n’est pas possible techniquement d’utiliser les écheveaux dont il vient d’être question, en raison du trop faible diamètre initial des fibres, c’est par un détour de fabrication qu’il est possible des réaliser. Avec l’une ou l’autre des technique d’étirage précédemment évoquée, en modifiant considérablement la vitesse d’étirage et en ajustant la température des verres, l’obtention de petites baguettes gainées d’environ un millimètre de diamètre est assez aisée. Ces baguettes en morceaux d’environ une vingtaine de centimètres de long, sont soigneusement rangés côte à côte en quinconce dans un moule résistant à haute température. L’ensemble moules et fibres est chauffé jusqu’au ramolissement des verres. Après un refroidissement lent, il est possible de sortir du moule une grosse baguette formée de milliers de fibres soudées entre elles. Cette baguette est soumise à son tour à un étirage qui permet d’obtenir une fine baguette d’environ un millimètre de diamètre, comme précédemment, mais constituée enfait de milliers de fibres gainées, autosoudées et ayant chacune quelques microns de diamètre. Ces fines baguettes composites servent de matière première en vue de l’obtention de divers dispositifs optiques dont il sera question plus tard. |
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Fibres monomodes :
Elles ont une bande passante (taux de transmission de l’information) élevée
(plusieurs GHz par km), un coeur de diamètre de l’ordre de micromètre et pas de
revêtement. Son coeur est si fin que le chemin de propagation des différents modes est
pratiquement directe. La dispersion nodale devient quasiment nulle. La bande passante
transmise est presqu’infinie. Cette fibre est essentiellement utilisée pour les
sites à distance. Le petit diamètre de son coeur nécessite une grande puissance
d’émission, donc des diodes au laser qui sont relativement onéreuses.
Fibres multimodes : À gradient d’indice : Le diamètre du coeur est de 50 micromètres, revêtement 120 micromètres. Le coeur est constitué de couches de verre successives ayant un indice de réfraction proche. On approche ainsi d’une égalisation des temps de propagation, ce qui veut dire que l’on a réduit la dispersion nodale. Leur faible atténuation accoustique 3dB.km et leur bande passante de l’ordre de 400 Mhz par km permettent leur utilisation dans la télédistribution et les liaisons informatiques à haut débit. À saut d’indice : La dimensions du coeur et du revêtement est de l’ordre du millimètre. Elle est constituée d’un coeur et d’une gaine optique en verre d’indices de réfraction différents. Elle est surtout utilisée pour des liaisons industrielles et militaires. Bande passante de quelques dizaines de MHz par km. |
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Optiques : Un
certain nombre délimité de longueurs lumineuses peuvent transmettre la lumière et sous
un certain angle.
Thermiques : Utilisation entre –40 et +80 °C. Électriques : Ne conduisent pas l’électricité. Acoustiques : Le transport des ondes lumineuses entraîne une perte accoustique de quelques dB par km due à la réflexion du rayon lumineux. Mécanique : Faible diamètre, fragile et flexible. |
| Caractéristiques des fibres optiques. Faible atténuation : Le signal optique peut se transporter sur une grande distance. Avec une fibre de bonne qualité, on utilise des répéteurs ou des amplificateurs de signaux à tous les 25 kilomètres seulement, tandis qu’un fil de cuivre nécessite un répéteur à tous les deux kilomètres.Large bande passante : Celle-ci est définie par le nombre d’impulsions que peut acheminer une fibre à chaque seconde. Ces impulsions se présentent sous forme de bits d’information et un hertz (fréquence) égale 1 bit d’information. La capacité de transmission de la fibre optique peut être 10 000 fois celle du fil de cuivre. Réduction des poids et volume : Le diamètre d’une fibre optique est de l’ordre de millimètre et son poids de quelques grammes au kilomètre. Un gros avion commercial contient environ 5 tonnes de filage de cuivre qui peuvent être remplacé par seulement quelques centaines de grammes de fibres optiques. La charge utile de l’avion peut être ainsi réduite. Les fibres optiques sont si peu encombrantes et si grande est leur capacité qu’on les utilise à l’intérieur des sous-sols engorgés des grandes villes, dans les édifices publiques et bientôt dans les transports en commun. Insensibilité aux parasites : Puisqu’elle est incapable de conduire l’électricité, la fibre optique est insensible aux interférences radioélectriques responsables des pertubations désagréables sur les lignes de communication. La fibre est totalement insensible aux effets de décharges électriques et de champs magnétiques. Transmission inviolable : Comme la fibre est parcourue par de la lumière et non des signaux électriques, elle n’induit aucun champ magnétique ni signaux électriques, aucune radiation n’est émise par la fibre. Ce fait assure le secret des communications. C’est un avantage très apprécié des policiers et des militaires. Qualité mécanique : Un câble de fibres optiques peut supporter des efforts en traction et en flexion aussi bien que les câbles conventionnels. |
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Transmission et
transport de lumière d’un espace limité vers un espace non limité : Par
exemple les lampes décoratives constituées de fibres optiques diffusant de la lumière
d’une ampoule située à l’extrémité inférieur des fibres.
Transmission et transport de lumière d’un espace non limité vers un espace limité : Utilisés seuls , ils peuvent permettre d’éclairer un objet, un appareil, etc…, alors qu’il n’est pas possible de placer la source lumineuse sur le lieu de l’emploi pour des raisons d’exéguité ou de sécurité. Pour examiner de petits objets d’habitude inaccessibles. Microscopes et projecteurs de profil. Endoscopes souples : la lumière envoyée est renvoyée avec son image réelle. Pour la recherche sur le cerveau et le coeur on utilise des filaments de fibre sans revêtement et l’image est visualisé sur un écran de télévision. De courtes fibres optiques sont assemblées en un disque que l’on peut employer comme renforçateur d’images devant une caméra de télévision. Transmettre de la lumière invisible d’un espace non limité vers un autre espace non limité : Dans les télécommunications on code les ondes acoustiques de la parole sous forme d’impulsions lumineuses et on les envoie dans des fibres optiques. Multiplier une source unique : On peut en ramifiant un faisceau à l’une de ses extrémités, éclairer à l’aide d’une seule source plusieurs appareils, comme pour un tableau de bord. Concentrer ou transformer une source lumineuse : Avec un système optique approprié, le flux lumineux d’une source de grande surface pourra être condensé sur l’entrée d’un conducteur permettant ainsi de disposer à la sortie d’une source intense en un lieu éloigné de la source d’origine. De tels conducteurs permettent de capter des signaux lumineux à distance et aussi de transformer la forme du signal capté : c’est ainsi qu’un signal provenant d’une fente lumineuse pourra être recueilli à l’autre extrémité du conducteur sous forme circulaire et inversement; d’autres anamorphes sont naturellement possibles. Codage et décodage d’image : Il suffit de prendre un conducteur d’images dont les deux extrémités se correspondent point par point, d’en mêler les fibres dans la partie médiane du faisceau, de les bloquer et de faire une section dans cette zone. Les deux nouvelles surfaces se correspondront point par point mais sans aucune correspondance avec les extrémités d’origine du conducteur, l’un étant le codeur, l’autre le décodeur. Si l’on forme à l’entrée côté ordonné du codeur une image, elle sera à la sortie totalement désordonnée. Pour la rendre en clair, il faudra la décrypter grâce au décodeur convenablement orienté. Autres applications : Un autre amploi intéressant de ces baguettes composites est celui d’agrandisseur ou réducteur d’images en partant d’un bloc de section convenable réduit par étirage vers l’une de ses extrémité. Des amplifications ou des réductions d’images dans un rapport de plusieurs unités seront possibles avec très peu de distorsion. |
| L’optique est la découverte la plus importante depuis les transistors. L’utilisation des signaux électriques principalement dans la transmission de l’information a donné naissance à une science bien connue : l’électronique. Maintenant la transmission d’impulsion lumineuse dans la fibre optique a donné naissance à une nouvelle science la phonotique. De l’avis de plusieurs spécialistes, l’emploi de ces fibres de verre constitue la découverte la plus importante depuis l’invention des transistors. Grâce à ce nouveau conducteur qu’est la fibre optique, tout un matériel électronique et même optoélectronique a été développé pour émettre, coder, traiter et décoder des signaux lumineux. L’innovation fondamentale de cette nouvelle technologie réside dans le fait que la lumière remplace l’électricité. |
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Anamorphose :
Image déformée d’un objet donnée par certains systèmes optiques.
Atténuation : Action d’atténuer; diminution, adoucissement. Bits : Unité élémentaire d’information ne pouvant prendre que deux valeurs distinctes 0 ou 1. Bobinoir : Machine à bobiner. Creuset : Récipient enterre réfractaire, en métal, en alliage, utilisépour fondre ou calciner. Diffraction : Déviation de direction de propagation des ondes lorsque celles-ci rencontrent un obstacle ou une ouverture de dimension du même ordre de grandeur que leur longueur d’onde. Distorsion : Aberration des miroirs ou des lentilles caractérisée par une déformation de l’image. Écheveau : Assemblage de fibres réunies entre elles par une fibre de liage. Électronique : Partie de la physique et de la technique qui étudie et utiliseles variations de grandeur électriques pour capter, trans mettre et exploiter de l’information. Endoscopie : Examen d’une cavité interne du corps humain au moyen d’un endoscope. Faisceau : Ensemble d’ondes, de particules qui se propagent dans une même direction. Flexion : Déformation d’un solide soumis à des forces transversales. Gaine : Étui qui recouvre, protège quelque chose. Hertz : Unité de mesure de fréquence d’un phénomène périodique dont la période est d’une seconde. Interférence : Phénomène résultant de la superpositioncillations ou d’ondes de même nature et de fréquence égales ou voisine. Micron : Unité de mesure, très petite, de longueur égale à un millionième de mètre. Optique : Partie de la physique qui traite des propriétés de la lumière et des phénomènes de la vision. Photon : Quantum spécifique de la lumière, véhicule des ineractions électromagnétiques. Polarisation : Propriété des ondes électromagnétiques de présenter une répartition prévilégiée de l’orientation des vibrations qui les composent. Polymérisation : Réaction qui, à partir de molécules de faible masse moléculaires (monomères), forme, par des liaisons de celle-ci des composés de masse moléculaire élevée (macromolécule) Quinconce : Selon une disposition par cinq. Réfraction : Changement de direction d’une onde passant d’un milieu à un autre. Spectre : Ensemble des radiation monochromatiques résultant de la décomposition d’une lumière complexe et , plus généralement, répartition de l’intensité d’une onde, d’un faisceau de particule en fonction de la fréquence, de l’énergie. Spectroscopie : Étude des spectres lumineux. Téton : Petite pièce en saillie maintenant une autre pièce. Traction : Mode de travail d’un corps soumis à l’action d’une force qui tend à l’allonger. |
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Optique Et Physique Moderne 2ième édition, Les Éditions HRW Ltée Physique, Phénomènes Lumineux Les editions Lidec Inc. Ondes Optiques Et Physique Moderne Physique 3 , Les Éditions Renouveau Pédagogique. Quid 1996 Robert Lafont Le Petit Larousse Illustré 1995 Dictionnaire Encyclopédique Des Éditions Larousse Encyclopédie internationale des sciences et des techniques Larousse, Maison D’Édition Les presses de la Cité. NB. Nous avons également eu recours a des références informatisées : Québec Science, Toute l’actualité scientifique sur cédérom. Internet. |