Brevet FR2066955A1 — publié le 19710813

La présente invention a trait à la fabrication de verre et de matériau cristallin à partir de matières premières finement divisées, à l'aide d'un appareil laser émettant un rayonnement infrarouge avec une longueur d'onde supérieure à 2,5 p. Le laser 5 à gaz COg de type connu émet par exemple un rayonnement infrarouge d'une longueur d'onde de 10,6 p. A cette longueur d'onde, tous les verres silicatés, borates, ph.osph.ates et fluorurés sont absorbants et l'absorption est extrêmement importante à 10,6 ji. Le tableau ci-après donne les constantes d'absorption k = 1 d * 10 log 1 , où d = épaisseur et t — facteur de transmission pure, et le! profondeurs de pénétration 1/k d'un rayonnement électro— ■ magnétique de longueur d'onde de 10,6 ji, pour différents verres et matières premières de verre. Par profondeur de pénétration , on entend la distance, mesurée à partir de la surface irradiée, 15 à laquelle l'intensité du rayonnement est tombée à 1/e de l'intensité du rayonnement incident. On obtient des valeurs de quelques ji, c'est-à-dire que ce rayonnement est déjà complètement absorbé dans des couches de très faible épaisseur. Du fait que le laser à gaz G0g permet de produire un rayonnement infrarouge de 20 10,6 jl de longueur d'onde sous de très fortes puissances (jusqu'à 1 kilowatt), il est possible, à l'aide de cette source de rayonnement, de chauffer des matériaux cristallins, des matières premières de verre ou du verre jusqu'à leur fusion. L'avantage principal de ce procédé de fusion consiste 25 dans le fait que l'énergie de rayonnement tout entière est absorbée directement par le matériau à fondre, sans qu^il ne soit nécessaire de chauffer également le creuset, le four et l'atmosphère. Grâce au fait qu'on chauffe exclusivement le matériau à fondre, les creusets sont inutiles. Cela exclut l'introduction 30 d'impuretés dans le matériau à partir du creuset et, en outre, la température de fusion n'est plus limitée par le matériau du creuset. Le dessin annexé représente schématiquement un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention; 35 sur ce dessin : la fig. 1 est une vue en élévation du dispositif; la fig. 2 est une vue en plan de ce même dispositif. Le rayon laser 1 émis par un appareil laser usuel dans le commerce, par exemple un laser à gaz CO^, présente nor-k0 malement une section circulaire. Au commencement du procédé, 70 39431 2 2066955 10 l'axe de ce rayon est sensiblement horizontal. Par l'utilisation de deux lentilles cylindriques, par exemple en NaCl ou en germanium, on réduit la section du rayon en direction verticale et on l'augmente en direction horizontale» On introduit une lentille cylindrique convexe 2,ayant par exemple une distance focale de 10 à 20 cm, dans le rayon laser de manière que son axe longitudinal soit orienté en direction horizontale. Cette lentille réduit la section du rayon dans le plan vertical. De plus, on introduit une lentille cylindrique concave 3 dans le rayon de manière que son axe longitudinal soit orienté en direction verticale. Cette lentille élargit la section du rayon en direction horizontale. H est ainsi possible d'obtenir un rayon qui, dans une zone déterminée, est relativement étroit en direction verticale et relativement large en direction hori-15 zontale. Par conséquent, la section transversale du rayon est déterminante pour la section transversale du corps vitreux ou cristallin à produire. Au point ainsi défini, on fait tomber en pluie fine 20 depuis le haut dans le rayon le mélange k se présentant sous la forme d'une poudre à grains fins, ce mélange fondant en 5. Immédiatement en dessous du rayon se trouve le support 6» On déplace-ce support lentement vers le bas, en accord avec la vitesse de fusion que permet d'obtenir le rayon laser. 25 En même temps, suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, on peut faire tourner le support. L'appareil laser et le système optique sont montés pivotants, de sorte que l'on peut faire varier à volonté l'angle sous lequel le rayon laser tombe sur le matériau à fondre, ce qui pennet de maintenir le rendement optimal lors de la fusion. On obtient ainsi un barreau de verre ou de matériau cristallin. En cas de fabrication d'un barreau cristallin, on peut, le cas échéant, faire passer ce barreau encore une ou plusieurs fois dans le rayon laser, en utilisant l'action du procédé connu de fusion par zone. 35 Le procédé conforme à l'invention peut également être mis en oeuvre sous vide ou sous une atmosphère de gaz protecteur, le support et le récipient de poudre étant alors disposés dans une chambre qui peut être mise sous vide ou remplie de gaz et dans laquelle le rayon laser pénètre par une fenêtre. 70 39431 3 2066955 10 15 Exemple : Pour la fabrication d'un barreau de verre de quartz, on fait tomber en pluie fine de la poudre de cristal dé quartz d'une granulométrie d'environ 60 p à partir d'un récipient à fond perforé dans le rayon d'un laser à gaz CO^, rayon dont la section est réduite en direction verticale par une première lentille cylindrique convexe et être élargie en direction horizontale par une seconde lentille cylindrique concave, ce qui fait qu'au foyer de la lentille convexe, le rayon présente une largeur d'environ 20 mm. A cet endroit, on fait tomber en pluie fine la poudre dans le rayon à proximité en dessous duquel se trouve un support ré-fractaire que l'on tire vers le bas en accord avec la vitessë de fusion. Tableau Constantes d'absorption de verres et de matières premières pour verre, pour une longueur d'onde de 10,6 p , et profondeurs de pénétration du rayonnement. 20 Matières Constante d'absorption k -1 ( cm > Profondeur de pénétration 1 /k (p) 25 Verre de silice(verre de quartz ) Verre au silicate de sodium Verre boraté Verre borosilicaté Verrô phosphaté ■■la .00., SaGO „ 4,8 . 10J 3,6 . 103 2,0 , 103 2,^ . 103 1 0 2,1 2,8 5*0 L\ *? - 3 -J •0 J ZnCO,, A12°3 env. envo "7 1,0.10^ 2 5 . 1er 10 20 MgC env. 70 î40 35 PbCO^ env. 1,5 .10* 67 70 39431 k 2066955 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de verre et de matériau cristallin à partir de matières premières finement divisées, caractérisé par le fait qu'on fait fondre ces matières premières avec 5 un rayon laser d'une longueur d'onde supérieure à 2,5 p. et qu'on refroidit de façon connue le barreau de verre ou de matériau cristallin ainsi formé» 2. Procédé suivant la revendication 1 , caractérisé par le fait qu'on utilise un laser à gaz CO^ émettant sur une lon- 10 gueur d'onde de 10,6 ji. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on modifie la section transversale du rayon laser à l'aide d'éléments optiques auxiliaires. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 15 1 à 3, caractérisé par le fait qu'on réduit la section du rayon en direction verticale à l'aide d'une lentille cylindrique convexe et qu'on l'augmente en direction horizontale à l'aide d'une lentille cylindrique concave. 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 20 1 à 4, caractérisé par le fait qu'on fait tomber en pluie fine les matières premières sous la forme d'une poudre à grains fins dans le rayon et qu'on abaisse lentement le support sur lequel croit le produit fondu, de préférence en faisant en même temps tourner ce support. 25 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'on fait passer le barreau cristallin encore une ou plusieurs fois à travers le rayon laser.