I- L'obtention de l'image radiographique
II-
Les applications médicales de la radiographie
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II. La fibre optique
Dès l'Antiquité la lumière a été utilisée pour transmettre des messages ou des informations. Puis les lanternes, les signaux de fumée ou les miroirs ont disparu au profit d'un moyen moderne de communication, le téléphone. Nous assistons en cette fin de XX siècle à une véritable révolution dans les télécommunications avec un retour en force des signaux lumineux.
Les fibres optiques sont de minces cylindres de verre de silice capables de guider la lumière sur de longues distances. Elles fonctionnent sur le même principe que les fontaines lumineuses, où la lumière suit le trajet des jets d'eau. Les rayons lumineux sont véritablement emprisonnés dans la fibre et prennent le même chemin qu'elle, au lieu d'aller en ligne.
Pour comprendre le fonctionnement d'une fibre optique, il suffit de suivre un rayon lumineux qui se propage à l'intérieur de la fibre : il touche parfois le bord lorsqu'il n'est pas parallèle à la fibre ou lorsque celle-ci est courbée ; s'il arrive sur le bord avec un angle assez petit, il ne peut pas sortir de la fibre et se trouve complètement réfléchi vers l'intérieur. De la même manière, la surface de l'eau, vue de dessous, apparaît parfois comme un miroir au plongeur remontant des profondeurs. Ce phénomène, appelé réflexion totale interne, se produit chaque fois que des rayons lumineux se propageant dans un milieu transparent comme le verre ou l'eau arrivent sur la surface de séparation avec l'air sous un faible angle d'incidence. Les différents milieux transparents sont caractérisés par des indices de réfraction qui régissent la propagation de la lumière. L'air et le vide ont un indice égal à 1, l'eau a un indice de 1,3, et celui du verre, voisin de 1,5, varie avec sa composition. La réflexion totale interne peut se produire dès que la lumière, qui traverse un milieu à l'indice défini, arrive sur la surface de séparation avec un milieu dont l'indice est inférieur. Afin d'éviter les pertes de lumière liées à son absorption par des impuretés à la surface de la fibre optique, le cœur de celle-ci est revêtu d'une gaine en verre d'indice de réfraction beaucoup plus faible ; les réflexions se produisent alors à l'interface cœur gaine.
Constitution d'une fibre optique multimode.
Il existe principalement deux types de fibres optiques : les fibres
plastiques, et les fibres silice silicone. Les fibres
plastiques, en polystyrène (PS) ou en polyméthacrylate de
méthyle (PMMA), sont économiques, légères et souples, mais leur atténuation est
élevée ; on les utilise surtout pour les transmissions à courte distance.
Le coeur est constitué par de couches de verre successives ayant un indice de réfraction proche. On s’approche ainsi d’une égalisation des temps de propagation, ce qui veut dire que l’on a réduit la dispersion modale.
Constituée d’un coeur et d’une gaine optique en verre de différents indices de réfraction, cette fibre provoque de part de l’importante section du coeur, une grande dispersion des signaux la traversant, ce qui génère une déformation du signal reçu.
Son coeur est si fin que le chemin de propagation des différents modes est pratiquement direct. La dispersion modale devient quasiment nulle. La bande passante transmise est presque infini (>10 gigahertz par Km). Le petit diamètre du coeur (10 micromètres) nécessite une grande puissance d’émission, donc des diodes lasers qui sont relativement onéreuses.
Propagation de la lumière dans les trois types de fibres.
Propagation de la lumière dans une fibre à saut d'indice.
Le dessin ci-dessus indique comment se produit la réflexion des signaux lumineux en fonction de leur angle d'émission. Ce qui démontre que le chemin parcouru n'a pas la même longueur pour tous les rayons. C'est ce que l'on appelle la dispersion modale.
Assemblées par milliers, avec précision, afin de conserver leurs propriétés de propagation, les fibres optiques sont également utilisées pour la transmission des images. Chaque point de l'image projetée à l'extrémité d'un paquet de fibres est reproduite à l'autre extrémité du paquet. L'image reconstituée peut alors être observée à travers une loupe. La transmission des images via les fibres optiques trouve de nombreuses applications : en médecine (développement de l'endoscopie qui permet d'explorer les organes internes du corps humain, notamment dans le cadre de la chirurgie laser).
La transmission optique d'information : deux grands problèmes se posent aux ingénieurs qui veulent transmettre des signaux lumineux sur de grandes distances dans des fibres : au fur et à mesure qu'une impulsion avance dans la fibre, elle est d'une part atténuée et tend d'autre part à s'étaler, s'élargir. L'atténuation doit être assez faible pour que l'impulsion soit encore détectable à l'arrivée. L'élargissement des impulsions limite la quantité d'informations que l'on peut envoyer dans la fibre.
L'atténuation provient principalement de deux phénomènes : l'absorption et la diffusion de la lumière.
L'absorption du verre de silice très pur est extrêmement faible et les très fortes pertes que présentaient les premières fibres étaient dues à des impuretés. En améliorant les procédés de fabrication, on est parvenu à réduire les pertes par absorption de manière considérable.
La diffusion, elle, est due au fait que les particules de silice, dont la fibre est formée, renvoient un peu de lumière dans toutes les directions. C'est ainsi qu'une fibre dans laquelle passe un laser paraît illuminée ; sans ce phénomène, on ne verrait le laser qu'aux deux bouts. La diffusion diminue, elle aussi, avec l'élimination des impuretés et lorsque la fibre fabriquée a une structure bien régulière, sans défauts, micro cassures ou bulles.
Mais une partie de la diffusion est inhérente au verre lui-même, si parfait soit-il. Cette diffusion restante est très sensible à la longueur d'onde de la lumière : le vert est beaucoup plus diffusé que le rouge, lui-même beaucoup plus diffusé que l'infrarouge. C'est pourquoi les communications optiques utilisent maintenant de la lumière infrarouge de longueur d'onde 1,3 Ym, plutôt qu'une lumière à 0,8 ou 0,9 Ym comme dans les premiers systèmes.
La dispersion, qui provoque un étalement des impulsions préjudiciable à la transmission d'information à hauts débits, a également deux origines, l'une provenant du matériau, l'autre de la forme de la fibre.
Les impulsions découpées dans un laser de longueur d'onde 1,3 Ym contiennent en réalité une petite gamme de longueurs d'onde autour de cette valeur, et le verre ne transmet pas toutes les longueurs d'onde avec la même vitesse. Ainsi les diverses longueurs d'onde de l'impulsion, bien groupées au début, s'étalent au cours du trajet : les plus rapides devant, les plus lentes derrière, comme un peloton de coureurs dans une course. Cet étalement dépend de la longueur d'onde moyenne de l'impulsion. Il se trouve fort heureusement que la longueur d'onde 1,3 Ym, où les pertes sont très faibles, correspond aussi à une dispersion quasi nulle ; c'est une des raisons qui a fait choisir cette longueur d'onde pour les télécommunications à partir du milieu des années 80.
La fibre elle-même est responsable d'une certaine dispersion. En effet, les faisceaux lumineux étant guidés par réflexions successives sur les bords, les rayons les plus inclinés par rapport à l'axe de la fibre subissent plus de réflexions que ceux qui vont tout droit ; ils font plus de chemin et mettent plus de temps à arriver à destination. Une impulsion est en général composée de rayons plus ou moins inclinés sur l'axe et dont les temps d'arrivée s'échelonneront, d'où un élargissement de l'impulsion.
La première solution a consisté pour les ingénieurs à mettre au point des fibres dont l'indice variait doucement sur une section transversale de la fibre, du centre jusqu'au bord. Aussi la différence de trajet des rayons était-elle compensée et la dispersion réduite ; le débit de transmission peut atteindre 1 Gigabits/seconde sur 1 km.
Mais la solution adoptée plus couramment depuis le milieu des années 80 est d'utiliser des fibres très fines, dont le diamètre est d'environ 5 Ym et qui ne peuvent guider que des rayons dont l'angle est très faible. Ces fibres, dites «monomodes», échappent presque totalement à l'effet de dispersion et leur débit peut atteindre des centaines, voire des milliers de gigabits par seconde et par kilomètre.
Comparées aux fils de cuivre, les fibres sont plus légères, moins encombrantes, insensibles aux perturbations électromagnétiques, inertes et résistantes à la corrosion.
Il transforme l'information en un signal électrique. Pour une conversation téléphonique, par exemple, c'est un microphone dont le signal électrique est numérisé aux normes des télécommunications par un système adéquat. La source lumineuse est commandée par le signal électrique et le transforme en une suite d'impulsions lumineuses. Les diodes laser, sources de meilleure qualité que les diodes électroluminescentes, émettent en particulier un faisceau plus fin qui s'adapte bien aux fibres monomodes.
Malgré les progrès dans l'atténuation des fibres, un signal ne peut voyager sur de longues distances sans être renforcé. Cette opération est effectuée par des répéteurs, systèmes électroniques qui, placés tous les 50 Km environ, convertissent les impulsions lumineuses en signal électrique, amplifient ce dernier et le retransforment en signal lumineux. Enfin, le signal atteint le récepteur, une photodiode, qui le convertit en un signal électrique susceptible d'être lu par le décodeur sous une forme utilisable par un téléphone, un poste de télévision ou un ordinateur.
Prochainement doit s'opérer une nouvelle mutation avec le passage à la longueur d'onde 1,5 Ym et le remplacement des répéteurs par des amplificateurs entièrement optiques qui permettront de multiplier le débit par 100.
Les images ci-après montrent comment l’on fabrique de la fibre monomode.
La première étape consiste en l'assemblage d'un tube et d'une barre de verre cylindrique montés concentriquement. On chauffe le tout pour assurer l'homogénéité du barreau de verre. Un barreau de verre d'une longueur de 1 m et d'un diamètre de 10 cm permet d'obtenir par étirement une fibre monomode d'une longueur de 150 Km environ!
Le barreau ainsi obtenu sera installé verticalement dans une tour située au premier étage et chauffé par des rampes à gaz. Le verre va s'étirer et "couler" en direction du rez pour être enroulé sur une bobine. On mesure l'épaisseur de la fibre (~10um) pour asservir la vitesse du moteur de l'enrouleur, afin d'assurer un diamètre constant.
Chaque bobine de fibre fait l'objet d'un contrôle de qualité effectué au microscope
Puis on va enrober le verre d'un revêtement de protection (~230 um) et assembler les fibres pour obtenir le câble final à un ou plusieurs brins.
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