Fibres optiques en verre : propriétés, applications, fabrication
Types de verre utilisés
Il existe plusieurs types de verre utilisés dans la fibre optique :
- Silice de haute pureté : Ce verre offre une clarté optique exceptionnelle et une faible atténuation. Il a une ouverture numérique d’environ 0,2. Par conséquent, il est particulièrement adapté aux applications telles que les télécommunications.
- Silice dopée : Par rapport à la silice de haute pureté, il améliore l’indice de réfraction pour des applications spécialisées. L’ouverture numérique est généralement comprise entre 0,37 et 0,39. Les applications typiques incluent les systèmes de mesure à fibre optique.
- Verre multicomposant tel que le verre borosilicate : Ce verre a l’ouverture numérique la plus élevée des trois. Les guides de lumière en verre multicomposant offrent un angle d’acceptation allant jusqu’à 120 degrés, tandis que les guides d’image peuvent atteindre des angles d’acceptation allant jusqu’à 180 degrés et une ouverture numérique de 1. Il est personnalisable pour des exigences spécifiques en matière de performances et de coûts et est principalement utilisé pour les applications d’éclairage et d’imagerie.
Comprendre les propriétés et les applications des fibres optiques en verre
Les fibres de verre sont très flexibles et ne sont pas affectées par une série de facteurs environnementaux, tels que l’exposition aux produits chimiques, les températures ou la pression élevées et basses. De plus, ils n’offrent aucun risque d’interférences électriques. Les caractéristiques uniques de ces fibres les rendent essentielles pour développer des systèmes fiables et efficaces dans des environnements difficiles - par exemple, pour découpler des appareils électroniques tels que des sources lumineuses, des capteurs ou des caméras du domaine d’application réel.Comment fonctionnent les fibres optiques en verre ?
Principe de fonctionnement de la fibre optique
Noyau et manteau des fibres optiques en verre
Transmission de la lumière
Les guides de lumière transportent la lumière d’un bout à l’autre. La disposition des fibres de SCHOTT peut être mélangée pour créer un éclairage très homogène.
Transmission d’images
Les guides d’images sont capables de transporter des images sur une longue distance et de les agrandir, de les réduire ou de les inverser. Chaque fibre du guide d’image peut être vue comme un seul pixel d’image, ce qui rend la disposition des fibres critique.
Fibres monomodes ou multimodes
Fibre monomode
Les fibres monomodes ont un petit noyau (< 10 µm) and a large cladding. En conséquence, un seul rayon lumineux est transmis, ce qui entraîne une faible perte et seulement une diffusion mineure. Ces fibres sont généralement préférées pour les longues distances en transmission des données.
Fibre multimode
Les fibres multimodes ont un grand noyau (> 10 μm) et un petit manteau. Le grand noyau permet à tous les rayons lumineux de tous les anges en dessous de l’angle critique de se déplacer le long de la fibre. Cela le rend idéal pour les applications d’éclairage et d’imagerie.
Principales propriétés et avantages des fibres optiques en verre
Grâce à leurs propriétés techniques, les fibres optiques en verre offrent de nombreux avantages par rapport aux autres matériaux. Cela rend les fibres optiques en verre indispensables dans les applications technologiques modernes.
Pourquoi les fibres optiques en verre sont-elles souples ?
En chauffant des baguettes en verre, il est possible d’étirer des fibres en verre à peu près aussi fines qu’un cheveu humain. La vitesse du processus d’étirage détermine l’épaisseur de la fibre, qui à son tour détermine la flexibilité de la fibre. Plus le diamètre de la fibre est petit, plus le rayon de courbure est petit. À cet égard, les fibres fabriquées avec du verre technique sont encore plus souples et flexibles que les fibres plastiques.
L’essai de boucle de rupture est utilisé pour tester la flexibilité des fibres en verre. Ceci est effectué en plaçant une fibre en verre flexible dans une boucle, qui est tirée plus fermement jusqu’à ce que la fibre se brise. Ce test a montré que, par exemple, les fibres en verre d’une épaisseur de 50 micromètres peuvent supporter un rayon de courbure d’environ cinq millimètres.
Types de guides à fibre optique
Les fibres optiques en verre peuvent être transformées en produits souples et rigides, généralement appelés guides ou câbles. Les câbles à fibres optiques flexibles sont souvent plus longs que les rigides et sont normalement utilisés lorsque la cible d’inspection se trouve dans un coin ou dans un espace étroit et difficile d’accès. Cela exige un haut niveau de flexibilité et de mouvement, requis par exemple dans les endoscopes flexibles.
Les guides de lumière ou d’image rigides sont constitués de faisceaux de fibres fusionnées. Les applications d’éclairage typiques incluent les guides de lumière pour l’équipement dentaire ou les endoscopes rigides. Pour les applications d’imagerie, ils sont utilisés pour fabriquer une large gamme de cônes et de plaques fibrées, qui peuvent transmettre des images agrandies, réduites ou inversées d’une surface d’entrée à une surface de sortie. Pour donner un exemple dans le domaine médical : les plaques fibrées sont utilisées en imagerie par rayons X. Des variantes hybrides sont également disponibles.
Câbles à fibres optiques en verre : comment sont-ils fabriqués ?
Etirage de fibres
Groupage et extrusion de précision
a) Groupement de précision
Plusieurs faisceaux primaires sont rassemblés pour former un faisceau de fibres final, la disposition des fibres au sein de faisceaux flexibles étant généralement arbitraire. Pour certaines applications, il peut être nécessaire d’agencer les fibres selon un motif aléatoire (guide de lumière) ou un motif spécifique (guide d’image).
b) Extrusion
Le faisceau de fibres final a la possibilité d’être gainé de polymère dans une ligne d’extrusion pour former un câble. Dans les processus d’assemblage ultérieurs, les faisceaux de fibres et les câbles sont coupés à longueur selon les exigences du client et équipés de manchons d’extrémité.
L’extrémité
Re-étirer et remodeler
Meulage et polissage
Inspection de la qualité
Pourquoi les fibres optiques sont-elles en verre ?
Les fibres optiques sont faites en verre en raison de ses propriétés optiques exceptionnelles, notamment une grande clarté et une faible atténuation. Les fibres en verre offrent une transmission fiable et efficace de la lumière, essentielle pour les applications critiques dans les domaines médical, industriel, aéronautique, automobile et de la défense. De plus, le verre offre des propriétés mécaniques, thermiques et chimiques exceptionnelles, ce qui le rend bien adapté à une utilisation dans des environnements difficiles.
Verre vs plastique dans les fibres optiques
Bien que les deux matériaux aient des utilisations spécifiques, les fibres optiques en verre sont supérieures pour les applications hautes performances. Ils offrent une atténuation plus faible, une bande passante plus élevée et une meilleure résistance à l’environnement par rapport aux fibres optiques en plastique.
1. Performances lumineuses supérieures
Les fibres optiques en verre, fondamentales pour les guides de lumière souples et rigides, offrent une très haute performance de transmission de la lumière. L’indice de rendu des couleurs élevé du verre assure une altération minimale de la longueur d’onde de la lumière entrant et sortant de la fibre. Les fibres en verre disposent également d’une grande ouverture numérique allant jusqu’à 1, permettant à plus de lumière de passer et éclairant de plus grandes surfaces avec des faisceaux de fibres plus petits. À l’inverse, les fibres optiques polymères sont limitées par les contraintes matérielles à une ouverture maximale de 0,5.
2. Force et souplesse
Les fibres en verre combinent une résistance et une flexibilité exceptionnelles lorsqu’elles sont réduites à des diamètres très fins. Cette combinaison unique permet de fabriquer des fibres enverre aussi minces que 30 microns, ce qui permet des rayons de courbure serrés. En revanche, les fibres polymères ont généralement des diamètres commençant à 500 microns, dépassant souvent 1 mm. Pour les applications d’imagerie, les fibres en verre individuelles peuvent avoir un diamètre aussi petit que 4 microns, offrant une résolution de pixels élevée et des images détaillées et claires.
3. Stabilité thermique
Le verre maintient sa stabilité à des températures allant jusqu’à 350 °C, ce qui rend les faisceaux de fibres en verre ou les guides de lumière rigides adaptés aux applications à haute température comme la stérilisation en autoclave dans des applications médicales ou des environnements industriels hostiles. Les fibres polymères, cependant, ne résistent généralement qu’à des températures allant jusqu’à 80 °C, ce qui les rend inadaptées à ces processus à haute température.
4. Flexibilité de conception
Les diamètres extrêmement petits des fibres en verre permettent à un grand nombre de fibres individuelles de s’intégrer dans un faisceau compact, ce qui facilite les géométries complexes dans les petits espaces. Les faisceaux de fibres en verre peuvent également distribuer efficacement la lumière d’une seule source à plusieurs endroits, en mélangeant la lumière LED rouge, verte et bleue pour produire une lumière blanche homogène. Le nombre plus élevé de fibres en verre dans un faisceau se traduit par un rendement lumineux plus uniforme par rapport aux fibres polymères plus épaisses.
5. Résistance chimique
La haute résistance chimique du verre garantit qu’il reste inerte lorsqu’il est exposé à des agents de nettoyage, des détergents, des acides, des bases, des solvants ou des colles, ce qui rend les composants en verre durables et faciles à nettoyer. En revanche, les polymères peuvent réagir avec divers produits chimiques.Applications des fibres optiques en verre
Pourquoi SCHOTT?
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