Fibre optique : Des endoscopes aux téléphones
La fibre optique est une application de la réflexion interne totale très utilisée. Dans le domaine des communications, elle est utilisée pour transmettre les signaux de téléphone, d’Internet et de télévision par câble. La fibre optique utilise la transmission de la lumière dans des fibres de plastique ou de verre. Les fibres étant fines, la lumière qui y pénètre est susceptible de frapper la surface intérieure à un angle supérieur à l’angle critique et, par conséquent, d’être totalement réfléchie ((Figure)). L’indice de réfraction à l’extérieur de la fibre doit être plus petit qu’à l’intérieur. En fait, la plupart des fibres ont un indice de réfraction variable pour permettre à plus de lumière d’être guidée le long de la fibre par réfraction interne totale. Les rayons sont réfléchis autour des coins, comme illustré, faisant des fibres de minuscules tuyaux de lumière.
Des faisceaux de fibres peuvent être utilisés pour transmettre une image sans lentille, comme l’illustre la (Figure). La sortie d’un appareil appelé endoscope est illustrée en (Figure)(b). Les endoscopes sont utilisés pour explorer l’intérieur du corps à travers ses orifices naturels ou de petites incisions. La lumière est transmise par un faisceau de fibres pour éclairer les parties internes, et la lumière réfléchie est retransmise par un autre faisceau pour être observée.
Les fibres optiques ont révolutionné les techniques chirurgicales et les observations à l’intérieur du corps, avec une foule d’utilisations médicales diagnostiques et thérapeutiques. La chirurgie peut être réalisée, comme la chirurgie arthroscopique sur une articulation du genou ou de l’épaule, en employant des outils de coupe fixés à l’endoscope et observés avec celui-ci. Des échantillons peuvent également être obtenus, par exemple en prélevant au lasso un polype intestinal pour un examen externe. La flexibilité du faisceau de fibres optiques permet aux médecins de le faire naviguer autour de petites régions du corps difficiles à atteindre, comme les intestins, le cœur, les vaisseaux sanguins et les articulations. La transmission d’un faisceau laser intense pour brûler les plaques obstruant les grandes artères, ainsi que l’envoi de lumière pour activer les médicaments de chimiothérapie, deviennent monnaie courante. Les fibres optiques ont en fait permis la microchirurgie et la chirurgie à distance où les incisions sont petites et où les doigts du chirurgien n’ont pas besoin de toucher le tissu malade.
Les fibres optiques en faisceaux sont entourées d’un matériau de gainage qui a un indice de réfraction plus faible que le cœur ((Figure)). La gaine empêche la transmission de la lumière entre les fibres d’un faisceau. Sans gaine, la lumière pourrait passer entre les fibres en contact, puisque leurs indices de réfraction sont identiques. Étant donné qu’aucune lumière ne pénètre dans la gaine (il y a une réflexion interne totale vers le cœur), aucune lumière ne peut être transmise entre les fibres du faisceau qui sont en contact les unes avec les autres. Au contraire, la lumière se propage sur toute la longueur de la fibre, ce qui minimise la perte de signal et garantit la formation d’une image de qualité à l’autre extrémité. La gaine et une couche de protection supplémentaire rendent les fibres optiques durables ainsi que flexibles.
Des lentilles minuscules spéciales qui peuvent être fixées aux extrémités des faisceaux de fibres ont été conçues et fabriquées. La lumière émergeant d’un faisceau de fibres peut être focalisée à travers une telle lentille, imagerie un point minuscule. Dans certains cas, le point peut être balayé, ce qui permet d’obtenir une image de qualité d’une région à l’intérieur du corps. De minuscules filtres optiques spéciaux insérés à l’extrémité du faisceau de fibres ont la capacité d’imager l’intérieur d’organes situés à des dizaines de microns sous la surface sans couper la surface – un domaine connu sous le nom de diagnostic non intrusif. Cela est particulièrement utile pour déterminer l’étendue des cancers de l’estomac et de l’intestin.
Dans un autre type d’application, les fibres optiques sont couramment utilisées pour transporter les signaux des conversations téléphoniques et des communications Internet. De vastes câbles de fibres optiques ont été placés au fond de l’océan et sous terre pour permettre les communications optiques. Les systèmes de communication par fibres optiques présentent plusieurs avantages par rapport aux systèmes électriques (cuivre), notamment pour les longues distances. Les fibres peuvent être rendues si transparentes que la lumière peut parcourir plusieurs kilomètres avant de devenir suffisamment faible pour nécessiter une amplification, ce qui est bien supérieur aux conducteurs en cuivre. Cette propriété des fibres optiques est appelée faible perte. Les lasers émettent une lumière dont les caractéristiques permettent un nombre de conversations bien plus important dans une fibre que ce qui est possible avec des signaux électriques sur un seul conducteur. Cette propriété des fibres optiques est appelée largeur de bande élevée. Les signaux optiques dans une fibre ne produisent pas d’effets indésirables dans les autres fibres adjacentes. Cette propriété des fibres optiques est appelée diaphonie réduite. Nous explorerons les caractéristiques uniques du rayonnement laser dans un chapitre ultérieur.