TP fibres optiques. Laser, Matériaux, Milieux Biologiques. Sécurité laser. Précautions à prendre

Transcription

1 TP fibres optiques Laser, Matériaux, Milieux Biologiques Sécurité laser ATTENTION : la diode laser à 810 nm est puissante (50 mw). Pour des raisons de sécurité et de sauvegarde de la santé des yeux, vous devrez porter des lunettes de protection lorsque ces lasers sont allumés. D autre part, éviter d approcher votre œil du faisceau et éliminer toute cause de réflexion parasite. Précautions à prendre La fibre optique monomode est fragiles et doit être manipulée avec précaution. Vous ferez en particulier attention au bout de la fibre lorsque vous le rapprocherez de la photodiode. 1 Objectifs et matériels 1.1 Objectifs Le but de ce TP est de vous familiariser avec les diverses propriétés des fibres optiques. Le compte-rendu doit être rédigé au cours de la séance et rendu à la fin de la séance. 1.2 Matériels Des fibres optiques en plastique de différentes longueurs (2 m, 3 m, 6 m, 10 m, 15 m). Un rouleau de 17 m de fibre dopée erbium. Un coupleur de fibre constitué d une lentille et d un maintien de mandrin pour supporter la fibre monomode. Sur ces montures, la fibre peut être translatée dans les trois directions. Des montures pour tenir les bouts de fibre (différents pour les fibres plastiques et la fibre monomode). Un banc optique, articulé et disposant d un goniomètre (mesure d angle). Une diode laser émettant jusqu à 50 mw à 810 nm, son unité de contrôle LDC01 et son optique de collimation. Une photodiodes au silicium qui s adapte sur une monture avec diaphragme. Une lentille de focalisation pour injecter les fibres optique plastique. Un oscilloscope 4 voies 100 MHz. Un cube polariseur. 1

2 Une carte de visualistion IR. Des outils de coupe et de préparation de fibres. 2 Quelques rappels 2.1 Caractéristiques typiques des fibres optiques Atténuation et pertes dans les fibres optiques Lorsqu une lumière monochromatique se propage le long d une fibre dans le sens des z croissants, la puissance lumineuse P(z) dans la fibre suit une loi exponentielle P(z) = P(0) exp( αz) (1) où α est le coefficient d atténuation de la fibre (exprimé en m 1 ). Il est d usage, dans la pratique des fibres optiques, d écrire plutôt : ( ) P(0) 10 log = A z (2) P(z) A étant le coefficient d atténuation linéique exprimé en db/m qui dépend de la longueur d onde λ de la lumière guidée le long de la fibre optique. Donner la relation entre A et α Angle d acceptance L angle d acceptance d une fibre optique est l angle maximal que peut faire un rayon incident extérieur avec l axe de la fibre, de façon que le rayon réfracté soit guidé à l intérieur de la fibre ; c est aussi l angle que fait la lumière en sortie de fibre, lorsque tous les rayons susceptibles d être guidés sont bien présents à l intérieur de la fibre. Cet angle d acceptance θ a est donné par la relation sin θ a = n 2 1 n 2 2 où n 1 est l indice de réfraction du cœur et n 2 celui de la gaine (n 1 > n 2 ). Cet angle est aussi appelé angle d ouverture de la fibre («numerical aperture»). 2.2 Fonctionnement de l unité de contrôle LDC-01 Le module LDC-01 permet de gérer l alimentation de la diode laser ainsi que la sortie de la photodiode. L alimentation de la diode laser peut se faire en mode courant constant, en modulation externe ou en modulation interne. On travaillera dans ce TP soit en mode courant constant (interrupteur Modulator sur OFF), soit en modulation interne (interrupteur Modulator sur INT). En mode modulation interne, le courant est modulé entre zéro et une valeur maximale I max, sachant que le module affiche I max /2 en mode modulation. La fréquence du signal de modulation interne peut être réglée à l aide d un bouton. On se placera également en mode Unstab. TP fibres optiques Partie expérimentale 2

3 La sortie de la photodiode se branche sur l entrée OUTPUTS Photo Diode derrière l unité de contrôle LDC-01. Le signal se visualise ensuite à l aide de l oscilloscope branchée sur la sortie INPUTS Photo Diode. Un bouton derrière le module LDC-01 permet d ajuster le gain sur les valeurs 1, 5, 10, 50 ou 100. La saturation est de 7 V, il conviendra donc d ajuster le gain pour éviter de dépasser 5 V et ainsi rester dans le domaine de réponse linéaire. 3 Étude de la diode laser à 810 nm 3.1 Distribution angulaire de l intensité émise Positionner la diode laser, avec sa cale en dural, sur l axe de rotation du bras articulé. On utilisera pour cela la clé allen. Fixer la température de travail autour de 20 C et fixer le courant d alimentation à une valeur donnée. Mesurez la distribution angulaire d intensité dans le plan horizontal. En déduire une dimension caractéristique de la zone lasante de la diode laser. 3.2 Caractéristique de la diode laser Repositionner la diode laser en bout de banc et régler la lentille de collimation de façon à réaliser un faisceau quasi-parallèle. Tracer la caractéristique puissance d émission en fonction du courant d alimentation et repérer le seuil du laser. Pour repérer le seuil avec précision, vous pourrez utiliser le papier Log-Log. 3.3 Taux de polarisation Positionner le cube polariseur devant la photodiode et mesurer le taux de polarisation linéaire du laser, définit comme étant T = U max U min U max + U min Commenter la direction de polarisation par rapport aux dimensions transverses de la diode laser. 4 Étude des fibres optiques 4.1 Fibre optique plastique Fixez la température et modulez le courant d alimentation à l aide du module de contrôle LDC01. TP fibres optiques Partie expérimentale 3

4 4.1.1 Détermination de l ouverture numérique Prendre la fibre de 2 m de longueur et injecter la lumière dedans à l aide d une lentille de focalisation. Positionner l extrémité de sortie de la fibre au niveau de l axe de rotation du bras et mesurer l intensité sortant de la fibre en fonction de l angle. En déduire l ouverture numérique de la fibre Mesure de dépolarisation Mesurer le taux de polarisation en sortie des fibres plastiques pour les différentes longueurs de fibre disponibles. Que peut-on conclure? Mesure d atténuation dans la fibre Mesurez le signal de sortie U s de la fibre à l aide de la photodiode pour toutes les longueurs de fibre disponibles. Assurez vous que les couplages d entrée et de sortie soient bien optimisés. Tracez la courbe U s en fonction de la longueur L, en plaçant les barres d erreur. La courbe expérimentale est-elle compatible avec une loi exponentielle telle que l équation (1)? Si oui, déterminer l atténuation de la fibre en db/m. 4.2 Fibre optique monomode Avant de coupler la lumière issue de la diode laser sur la fibre monomode envoyez directement cette lumière sur la photodiode. On mettra une résistance de charge de 50 Ω à l entrée de l oscilloscope sur le canal qui reçoit le signal de la photodiode pour minimiser le temps de montée. Visualisez sur l oscilloscope la montée du signal de modulation et du signal issu de la photodiode. Mesurez le temps T 1, «temps de transit» du dispositif sans fibre Couplage dans la fibre monomode Coupler le maximum de lumière dans la fibre monomode Mesure de l indice de réfraction du cœur Placez à nouveau la résistance de charge de 50 Ω à l entrée de l oscilloscope sur le canal qui reçoit le signal de la photodiode. Mesurez le temps T 2 correspondant au temps de transit en présence de la fibre. En déduire l indice de réfraction n du cœur de la fibre. Quelle est l incertitude de votre mesure? TP fibres optiques Partie expérimentale 4

5 rouleau de fibre optique mandrin lentille photodiode aimants lentille diode laser coupleur de fibre oscilloscope controleur LDC01 Fig. 1: Montage pour le couplage de la fibre monomode. TP fibres optiques Partie expérimentale 5