Brevet FR2131973A1 — publié le 19721117

L*invontion concerne une installation d'usinage automatique de pièces par rayons laser, dans laquelle un résonaxeur laser oscillant dans le mode fondamental transversal, un diviseur de rayonnement, une optique de concentration et un dispositif d'amenée des pièces sont montés en alignement les uns sur les autres sur un banc optique et le résonateur laser comporte une tOte comprenant une tige laser et une lampe-éclair destinée à l'excitation de la tige laser et recevant d'un bloc d'alimentation des impulsions électriques déclenchées par le dispositif d'amenée dos pièces et réglées par un appareil de contrôle qui reçoit du diviseur de rayonnement un rayon de nesure proportionnel au rayon utile. Selon une particularité essentielle de l'invention permettant une grande régularité des impulsions successives de rayonnement laser et donc des pièces, la distance efficace séparant les miroirs est sensiblement égale à la moitié de la distance focale f de la tige laser constituant une lentille de concentration à la température de service. Il est recommandé de monter extrêmement soigneusement un résonateur de longueur géométrique relativement grande à distance efficace entre miroirs correspondante, par exemple d'environ 3 mj sur un banc optique ne vibrant pratiquement pas ou de prévoir un résonateur géométriquement court de grande distance efficace entre miroir^ afin d'éviter que des vibrations mécaniques, qui gêneraient fortement le maintien de l'oscillation .suivant le mode fondamental, ne perturbent la régularité des impulsions laser, c'est-à-dire de l'usinage, que ces précautions permettent d'obtenir pour des raisons qui seront mentionnées plus bas. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'une installation automatique de perçage par rayon laser; la figure 2 est un graphique explicatif du mode de fonctionnement du résonateur de l'installation de la figure 1; la figure 3 est une coupe transversale de la fondation de l'installation de la figure 1; et la figure est un schéma d'une variante de- résonateur. L'installation de la figure 1 est destinée a la production d*induisions de rayonnement laser pour, le perça-ro de pièces, par exemple - étant suivi pierres d'horlogerie, le perçage /3e l'amenée automatique d'une autre pierre en position de perçage et du déclenchement d'une nouvelle impulsion. 72 06268 - 2 - 2131973 L'installation comprend un résonateur laser ô, un diviseur 7 de rayonnement, une optique 8 do concentration et un dispositif 9 d'amenée des pièces qui sont montes sur un banc optique 10. Le résonateur 6 comprend deux; miroirs 11 et 12 séparés par une distance L. Dans le cas particulier, 5 le résonateur est long et sa longueur L est d'environ 3 La longueur L est réglable, les deux miroirs 11 et 12 étant placés sur dos supports 13 et l'J- montés individuellement sur le banc optique 10. Une tSte 15 de laser, qui est montée sur le banc 10 et dont le boîtier 16 renferme une tige 1?, par exemple en grenat d'aluminium et d'yttrium dopé au 10 néodyme ("YAG") ainsi qu'une lampe-éclair 18, est montée entre les miroirs 11 et 12, mais plus près du miroir 12 de découplage dont sort le rayon utile 3. Le boîtier 16, dont la surface intérieure est métallisée, a une section elliptique par les foyers de laquelle passent la tige 17 et la lampe 1G, de sorte que les rayons lumineux de "pompage" émis par cette 15 dernière se concentrent dans la tige 17 pour produire l'inversion, néces saire à l'effet laser, de la population des électrons de niveaux instables d'énergie. Un bloc 19 d'alimentation de la lampe-éclair 13 est raccordé au réseau électrique 20 représenté par un pôle dans le schéma. La lampe-éclair 18 et la tige laser 17 sont entourées de tubes de verre 20 dans lesquels circule de l'eau de refroidissement. Le bloc 19 d'alimentation est connecté à la sortie d'un appareil 21 de contr&le de rayonnement et à un conducteur 22 de transmission des signaux provenant du dispositif 9 d'amenée des pièces. Ce bloc comprend de manière connue un condensateur principal, que des organes de réglage 25 chargent à me tension réglable et qui se déchargent à la réception d'un signal indiquant qu'une pierre de montre a été placée en 23 en position de perçage dans le dispositif d'amenée; il alimente ainsi la lampe-éclair 18 par un circuit à retard L-C constitué de bobines et de condensateurs. Toutefois, avant le début de la production, le bloc 19 peut aussi recevoir, 30 d'un générateur d'impulsions monté sur le dispositif 9 d'amence,des impulsions de déclenchement de décharge par le conducteur 22,-sans qu'une pierre à percer n'ait été placée en position 23. L'appareil 21 de contrôle du rayonnement, qui reçoit du diviseur 35 7 de rayonnement une petite fraction 3' du rayon 37comprend en particulier un oscilloscope à rayons cathodiques sur l'écran duquel apparaît la forme de l'impulsion du rayonnement laser. Lorsqu'on observe sur l'écran que ces 06268 - 3 - 2131973 impulsions déclenchées par le générateur mentionné ont la forme voulue et en particulier ont les crêtes et intervalles entre crêtes qui correspondent à ceux qui sont exigés et déterminés par l'expérience, on peut faire passer le commutateur du dispositif 9 d'amenée de la position "contrôle" à la position "amenée" et commencer le perçage automatique. L'appareil 21 de contrôle envoie également au bloc 19 d'alimentation des impulsions de réglage destinées à maintenir l'énergie des impulsions laser à une valeur constante. Lorsque la forme des crêtes, c'est-à-dire des impulsions ne correspond pas aux critères exigés, on peut utiliser les boutons 24 de réglage du bloc 19 d'alimentation pour modifier la forme des impulsions des éclairs lumineux, en particulier leur durée, leur intensité maximale et la pente de leur front pour faire varier la formation des crêtes. Les boutons 24 permettent en particulier de faire varier la tension de charge du condensateur principal ainsi que la valeur des différents composants du circuit L-C de retard . Il est nécessaire, avant le perçage, d'attendre le passage d'un certain nombre d'impulsions afin que la tige laser 17 ainsi que la lampe-éclair 18, qui sont encore à température ambiante au moment du branchement du bloc 19 d'alimentation,puisse atteindre la température régulière de service. Il est très important que le résonateur 6 n'oscille que dans le mode fondamental transversal et que le rayon utile 3 ayant été concentré par l'optique 8 ait une caustique pratiquement cylindrique de très faible diamètre, légèrement inférieure au diamètre désiré du perçage, afin que le trou soit bien rond et cylindrique. Un résonateur de quelques mètres de longueur et à miroirs plans et parallèles permet à une grande partie du volume de la tige 17 de participer à l'excitation des oscillations et à maintenir le mode fondamental transversal et à faire en sorte que l'oscillation n'ait lieu que dans ce mode transversal, comme montré dans la demande de brevet français n° 70 07019 déposée le 26 Février 1970 aux noms des Demanderesses. Cette partie du volume dite "volume actif de mode" de la tige 17 de laser est représentée sur la figure 2 pour un résonateur de longueur L = 3 m par une courbe en trait plein et pour L = 6" m, 4 m, 2 m et 9 cm, par des courbes en lignes brisées, en fonction de la distance focale f de la tige, cette distance étant de son côté fonction de la température de la tige. Il s'agit dans ce cas d'une tige de "XA.G" de 5 cm de longueur, de 0,6 cm de diamètre et de volume actif Vm indiqué en m?. 06268 - k - 2131973 En service, la tige 17 s'échauffe et le refroidissement nécessaire produit un gradient radial de température qui provoque une incurvation convexe de ses surfaces en bout ayant de son côté pour conséquence l'effet de lentille. La distance focale f de la tige est indiquée en m et l'échelle est logarithmique pour- les deux axes de coordonnées. La distance focale f de la tige est déterminée essentiellement par la puissance de la lampe-éclair qui est nécessaire à la génération des impulsions laser nécessaires au perçage et elle se trouve par exemple à f ~ 6 m. Le rendement du résonateur laser est d'autant meilleur que le volume actif du mode est grand pour la production du rayonnement dans le mode fondamental transversal. Il est cependant préférable, pour la génération d'impulsions reproductibles du type voulue, d'opérer avec une longueur de résonateur L = g— f, car la courbe passe par un minimum au point Pm pour L = 3 En effet, les fluctuations inévitables de température de la tige, qui de leur côté ont pour conséquence des fluctuations de la distance focale f, ont l'influence la plus faible à cette longueur sur l'importance et la forme du volume de mode et donc sur l'énergie et la forme des impulsions de l'émission laser. Une des rais ois/les fluctuations de température de la tige laser est que le dispositif 9 d'amenée des pièces ne prend pas toujours exactement le même temps pour mettre ces dernières en place, de sorte que les décharges de la lampe-éclair ne se succèdent pas toujours aux mêmes intervalles de temps. Même si l'énergie des différentes décharges reste exactement constante, la puissance absorbée par la tige laser n'est pas constante et donc la température ainsi que la distance focale de la tige 17 fluctuent nécessairement. On peut modifier le paramètre L de réglage du point de travail Pm par déplacement relatif des miroirs . La figure 2 montre que pour- le résonateur 6 particulier, le point de travail P le plus favorable correspond 2 3 à un volume de mode de 3 • 10 mm , c'est-à-dire qu'il est d'un facteur de 10 supérieur à celui des résonateurs courts classiques (L = 9 cm). Il est très important d'éviter les vibrations du résonateur, c'est-à-dire de ses composants, pour l'obtention d'une série d'impulsions régulières. Les vibrations modifient très fortement la séquence des impulsions, de sorte que lorsqu'on a observé qu'une impulsion convient au perçage, il n'est absolument pas certain que l'impulsion suivante 06268 -5- 2131973 convienne également. Un résonateur est d'autant plus sensible aux vibrations qu'il est long. Les vibrations peuvent provenir d'une part des courants de décharge d'alimentation de la lampe-éclair 18 ets d'autre part, du dispositif Ç d'amenée des pièces, dont les forces mécaniques de commande et d'inertie sont nécessairement irrégulières. Si le "banc optique utilisé est l'un de ceux qui sont courants au laboratoire et qui consiste essentiellement en une barre d'acier, les impulsions laser obtenues ne sont pas uniformes. Le banc optique 10 de l'installation de la figure 1 comprend une poutre massive 25 en pierre naturelle, par exemple en serpentine, telle que représentée sur la figure 3» dont la section carrée est par exemple 2 de 900 cm et dont la longueur est par exemple de 5 m. Il est important que la constante d'amortissement du matériau de la poutre soit élevée, par exemple cf>0,l. La poutre 25 repose sur un premier lit 26 de sable placé dans un premier caisson 2? de bois. Le montage dans du sable évite que des éléments perturbateurs placés contre la poutre ne génèrent des vibrations transversales dans cette dernière. Le caisson 27 de bois repose sur des tuyaux 28 contenant de l'air comprimé, dont la pression peut être modifiée pour le réglage de la fréquence d'amortissement, et ces tuyaux reposent sur une assise intermédiaire 29. Cette assise comprend un corps 30, dont la surface supérieure est recouverte d'une planche 31 de bois et qui est constituée d'une matière plastique mousse, par exemple de la matière plastique connue sous la marque "Warenerit". L'assise intermédiaire 29 repose sur un second lit 32 de sable placé dans un second caisson 33 de bois qui, de son c&té, repose sur un socle 3^ de "Wannerit". Le socle 34 repose sur le sol 35 et des revêtements 36 qui ne le touchent pas le recouvrent latéralement. Le banc optique représenté 10 évite pratiquement en totalité la transmission de vibrations quelconques au résonateur 6, de sorte que les impulsions obtenues peuvent être très régulières. Le banc 10 peut aussi comprendre une poutre 25 divisée de pierre naturelle, par exemple un élément de poutre d'environ 3 n$e longueur pour le résonateur et un autre élément d'environ 2 m de longueur pour le dispositif 7 - 9» la division pouvant aussi être bien entendu différente. La figure k- représente un résonateur laser 6^ qui peut remplacer le résonateur 6 d^L'installation de la figure 1 et dont la distance géométrique L entre miroirs 11 et 12 est notablement inférieure à 3 m, de sorte 72 06268 2131973 que sa sensibilité aux vibrations est bien inférieure à celle du résonateur 6. Un montage tcloscopiquc forrié de deux lentilles convexes 37^ et 33^ est disposé entre la tige laser 17 et le miroir 11. Un pourrait aussi utiliser une lentille divergente et une lentille convergente (c'est-à-dire 5 une lunette de Galilée au lieu d'une lunette de Kepler). On peut montrer que le résonateur 6-, a le mCmc volume actif de mode V aue le résonateur 6 1 1 m " du type de celui de la figure *7, sa longueur géométrique étant ft-, \2 ■ f-i2 par L'^cf-rM - *=»- - f-i + a. La longueur L' est designee/la suite V2/ 2 , "longueur efficace" du resonateur 6^ et elle est égale à la longueur géomé-10 trique d'un résonateur équivalent 6 entre les mirois plans et parallèles 11, 12 duquel se trouve uniquement la tige laser 17. La distance focale f^ de la lentille 37-^ peut être par exemple de 10cm, la distance focale f^ de la lentille 38-^ peut Stre par exemple de 2 cm, la distance £ de la lentille 38^ au miroir 11 peut Stre par exemple de 13,2 cm et la distance 15 a de la lentille 37 au miroir 12 peut être par exemple de 30 cm. La longueur géométrique L = c + f^ + f-^ + a du résonateur 6^ n'est donc que de 55>2 cm, mais la longueur efficace L' est de 3 m. Les relations indiquées en regard de la figure 2 sont également 20 valables pour le résonateur 6-, lorsque L' remplace L. H est en particulier 2. avantageux qu'au point de travail. L'= —f , f étant également fonction de la température de la tige laser 17, c'est-à-dire de la puissance de pompage, et il est possible de faire varier la longueur efficace L' en modifiant la distance c. Les surfaces en bout de la tige 25 laser 17 représentée sur la figure 4 sont convexes lorsqu'elles sont échauffées en service pour indiquer l'effet de lentille de concentration ou de lentille convergente à distance focale f de cette tige. Par ailleurs, la caustique du faisceau qui limite le volume actif de mode à l'intérieur de la tige 17 est indiqué, en lignes brisées. 30 II est préférable que le rayon utile 3 sorte des résonateurs 5 et 6^ par le miroir 12 à proximité duquel se trouve la tige laser 17, et non pas du miroir 11 plus éloigné de la tige 17, comme indiqué par exemple dans 1*installation de perçage décrite dans la demande de brevet français précitée . Des recherches poussées ont en effet montré qu'il est ainsi possi- 35 HLe de diminuer la divergence du faisceau du rayonnement utile et que cette divergence ainsi que le volume de mode V cessent d'être déterminantsvis--à-vis de la distance focale f de la tige laser. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux dispositifs décrits et représentés sans sortir du cadre de l'invention. 72 06268 - ? - REV2!3DICATI'JÎ:S 2131973 1. Installation d'usinage automatique de pièces par rayons laser-dans laquelle un résonateur laser oscillant dans le mode fondamental transversal, un diviseur de rayonnement, une optique de concentration et 5 un dispositif d'amenée de pièces sont montés sur un banc optique sur lequel ils sont alignés et le résonateur comprend une tête comportant une tige laser et une lampe-éclair, la lampe-éclair d'excitation de la tige laser recevant d'un bloc d'alimentation des impulsions électriques qui sont déclenchées par le dispositif d'amenée des pièces et réglées par un 10 appareil de contrôle qui reçoit du diviseur de rayonnement un rayon de mesure proportionnel au rayon utile, la dite installation étant caractérisée en ce que la distance efficace séparant les miroirs correspond approxim-tivcment à la moitié de la distance focale de la tige laser qui constitue une lentille de concentration ou lentille convergente à la température 15 de service. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif d'amenée des pièces comprend un transmetteur d'impulsions destiné à déclencher dans le bloc d'alimentation des impulsions d'alimentation de la lampe-éclair avant l'amenée des pièces et l'appareil de 20 contrôle comporte un oscilloscope sur lequel la forme des impulsions laser peut être observée pendant que ce transmetteur d'impulsions est en service. 3. Installation selon la revendication 1, caractérisée^ ce que le banc optique comporte une poutre massive de pierre naturelle sur laquelle le résonateur laser, le diviseur de rayonnement, le dispositif 25 de concentration et le dispositif d'amenée des pièces sont fixés, et cette poutre repose dans un lit de sable placé sur une combinaison de blocs de matière mousse et de tuyaux pneumatiques. 4. Installation selon la revendication 3» caractérisée en ce 2 que la poutre a une section d'au moins 500 cm et un coefficient d'amor-30 tissement interne S d'au moins 0,1. 5. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le résonateur laser a une distance efficace entre miroirs, par rapport au volume de mode de la tige, qui est au moins cinq fois plus grande que la distance géométrique entre miroirs. 35 6. Installation selon la revendication 5» caractérisée en ce que le résonateur laser comprend un montage télescoptique constitué de deux lentilles et disposé entre l'un des miroirs et la tige laser. 72 06268 - 8 - 2131973 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que la distance efficace entre les miroirs satisfait à la relation: I fi \2 %2 "-y dans laquelle f^ et f^ sont les distances focales des deux lentilles et c ainsi que a sont les distances de ces lentilles aux miroirs correspondants, f^. 8. Installation selon l'une des revendications 3 et 6, caractérisée en ce que le rayon utile sort du résonateur par le miroir qui est le plus proche de la tige laser.