Brevet FR2479994A1 — publié le 19811009

La présente invention concerne un appareil de combinaison de faisceaux laser de plusieurs sources et plus précisément un appareil à miroir tournant, destiné à réflé- chir plusieurs faisceaux suivant un axe commun. Etant donné qu'il existe des limites pratiques à l'énergie des impulsions des lasers ainsi que des limites aux fréquences d'impulsions qui peuvent être obtenues, il est souhaitable que les faisceaux de plusieurs sources la- ser séparées puissent être combinés en un seul faisceau pulsé. On a déjà utilisé, comme répartiteur de faisceau ou plaque semi-transparente, des dispositifs de combinai- son de faisceaux d'un certain nombre de sources ou de séparation du faisceau d'une source unique. Dans le cas des systèmes de combinaison, une telle plaque est utilisée pour la réflexion d'un faisceau suivant un trajet alors qu'un autre faisceau d'une seconde source est transmis par la plaque suivant le même trajet. Cependant, ces disposi- tifs sont peu efficaces étant donné que le répartiteur de faisceau ne permet pas la réflexion de la totalité de l'énergie d'une source mais transmet toute l'énergie de l'autre source lorsqu'il combine ces deux faisceaux. L'invention concerne un dispositif perfectionné mettant en oeuvre des miroirs de pouvoir réfléchissant élevé pour la projection de faisceaux laser provenantpar. exemple de plusieurs sources avec formation d'un seul faisceau, suivant un axe commun. Les faisceaux des diver- ses sources sont pulsés successivement. Un ensemble à mi- roirs rotatifs, synchronisé sur les impulsions des sour- ces, place un seul miroir sur le trajet de chaque faisceau lorsque celui-ci est pulsé si bien que le fais- ceau est dirigé suivant l'axe commun. L'ensemble à miroirs rotatifsne permet la disposition que d'un seul miroir sur le trajet de la lumière incidente au moment de l'impulsion d'une source correspondante. Les miroirs ne sont mobiles que dans le plan de leur surface réfléchissante. Plus précisément, l'invention concerne un appa- reil collecteur et distributeur de faisceaux comprenant un ensemble formant rotor, supportant plusieurs miroirs placés dans plusieurs plans distants axialement et per- pendiculaires à l'axe de rotation du rotor. Les miroirs placés dans chaque plan sont décalés angulairement et radialement par rapport aux miroirs des autres plans. Plusieurs sources projettent des faisceaux parallèles avec une même inclinaison par rapport à l'axe de rotation d'une manière telle que chaque faisceau est réfléchi par un mi- roir d'un plan différent. Les faisceaux réfléchis par 1o les différents plans sont dirigés suivant un axe commun. Comme les miroirs des plans sont décalés angulairement, seul un miroir est en position de réflexion du faisceau associé à un moment quelconque. La synchronisation de la rotation des miroirs et du déclenchement des impulsions des faisceaux des sources permet la mise en position des miroirs dans les différents plans, successivement, lors du déclenchement successif des impulsions des sources de faisceaux. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue de bout d'un mode de réalisation d'appareil selon l'invention; - la figure 2 est une élévation latérale en demi- coupe, comme indiqué par la ligne 2-2 de la figure 1; - la figure 3 est un schéma représentant les trajets des faisceaux; - la figure 4 est un diagramme des temps repré- sentant la synchronisation des impulsions des sources mul- tiples - la figure 5 représente schématiquement un autre mode de réalisation de l'invention; et - la figure 6 est un schéma agrandi d'une partie de l'appareil de la figure 3. Comme indiqué plus précisément sur les figures 1 et 2, le système optique d'un appareil selon l'invention comporte un rotor 10. Celui-ci a un moyeu 12 de montage de miroir, lui-même monté sur un arbre 14. Ce dernier tour- ne dans un palier à air portant la référence générale 18. Ce palier 18 est monté sur une structure 20 de support ayant une bride convenable 22 de montage. Un moteur élec- trique 24 est couplé à l'arbre 14 de l'autre côté du palier 18, par un accouplement convenable, par exemple à cannelures, comme indiqué par la référence 26. Le palier 18 est de type classique et il permet la rotation du rotor 10 à grande vitesse avec des vibrations minimales. Par exemple, la vi- tesse de rotation du rotor est de l'autre de 15000 tr/min. La surface externe du rotor 12 a de préférence une série de gradins cylindriques de diamètre croissant, portant les références 28, 30, 32, 34 et 36. Un nombre correspondant de flasque. 38, 40, 42, 44 et 46 de support de miroir dépassent de ces surfaces cylindriques. Chaque flasque forme des surfaces de miroir très réfléchissantes, disposées dans des plans transversaux parallèles équidis- tants les uns des autres, comme indiqué par les références 48, 50, 52, 54 et 56. Les flasques ont un diamètre crois- sant si bien que les circonférences externes des surfaces des miroirs se trouvent sur un cône unique comme indiqué par le trait mixte 58, l'axe de révolution du cône étant confon- du avec l'axe de rotation du rotor. On note sur la figure 3 qu'un-faisceau lumineux d'une première source A, parvenant sur la surface réfléchis- sante 46 avec un angle d'incidence Oi, est dirigé suivant un axe correspondant à un angle de réflexion r', recoupant l'axe de rotation suivant un angle égal au demi-angle au sommet du cône 58. Le faisceau est réfléchi suivant un trajet parallèle à la surface conique 58. De manière ana- logue, les faisceaux parallèles des sources B à E, par- venant sur les surfaces réfléchissantes 54, 52, 50 et 48, sont tous réfléchis suivant un même trajet commun parallèle à la surface 58 du cône. Le faisceau de la source A est dirigé vers la surface 56. De manière analogue, le fais- ceau de la source B est dirigé vers la surface réfléchis- sante 54, le faisceau de la source C est dirigé vers la surface du miroir 52, le faisceau de la source D est dirigé vers la surface du miroir 50, et celui de la source E est dirigé vers le miroir 48. Comme les surfaces des miroirs sont régulièrement espacées en direction axiale et sont à des distances radiales décroissantes de l'axe de révolution, l'angle d'incidence e. des faisceaux peut être choisi de manière que-tous les faisceauK soient réfléchis sui- vant un axe commun 60. Les faisceaux des diverses sources,après réfle- xion, peuvent être renvoyés suivant un axe commun 60 sans perturbation par les miroirs intermédiaires parce que les flasques ont des encoches, et les sources sont déclenchées successivement en synchronisme avec la rotation du rotor, de manière que les encoches des flasques intermédiaires soient alignées au moment o un faisceau est transmis. La disposition des encoches apparaît clairement sur la fi- gure 1. Comme aucun faisceau ne doit passer au-delà de la surface des miroirs 56, le flasque 46 n'a pas d'encoche. Le flasque adjacent 44 a des encoches régulièrement. ré- parties autour de la circonférence comme indiqué par la référence 62. La largeur angulaire des encoches 62 du flasque 44 correspond à peu près au cinquième de l'espace- ment angulaire des encoches adjacentes. Huit encoches ré- gulièrement réparties sont représentées à titre illustra- tif si bien que la largeur angulaire des encoches 62 est d'environ 90. De manière analogue, le flasque 42 a des enco- ches 64 dont la largeur est égale au double de celle des encoches 62, soit 180 environ. Le flasque 40 a des enco- ches comme indiqué par la référence 66, ayant une largeur d'environ 27 , et le flasque 38 a une encoche 66 égale à quatre fois la largeur de l'encoche 62, soit 36 . Un générateur 70 d'impulsions commande succes- sivement le déclenchement des cinq sources lumineuses, suivant un diagramme de synchronisation tel que repré- senté sur la figure 4. On note que le temps compris entre les impulsions successives correspond au temps nécessaire à la rotation du rotor de 9 (1/40 tr). Ainsi, le faisceau pulsé de la source A, après réflexion sur le miroir 56, passe par les quatre encoches 62, 64, 66 et 68. Lorsque le faisceau de la source B est transmis, il est réfléchi par la surface 64 qui est alors venue dans le plan des faisceaux, le faisceau réfléchi passant par les encoches 64, 66 et 68. Lorsque le rotor continue à tourner, chaque surface réfléchissante vient successivement en position de réflexion du faisceau pulsé correspondant, par l'intermé- diaire des encoches des flasques qui se trouvent en avant de la surface réfléchissante, le cas échéant. En consé- quence, le faisceau créé est un faisceau unique formé de l'ensemble des cinq faisceaux pulsés successivement pro- venant des cinq sources. La fréquence d'impulsion du fais- ceau est donc égale à cinq fois celle de l'un quelconque des faisceaux reçus. Ainsi, le système optique selon l'in- vention permet la formation d'un faisceau unique à partir de cinq sources laser par exemple, le faisceau obtenu ayant une puissance cinq fois plus grande et une fréquence d'im- pulsiors cinq fois plus grande que celle d'un faisceau d'une seule source laser. La figure 5 représente une variante d'appareil selon l'invention. Sur cette figure, les miroirs sont montés dans une cavité de forme conique formée à l'extrémité d'un rotor 80 en forme de coupelle. Le rotor est monté sur un arbre 82 qui tourillonne dans un ensemble convenable 84 formant à la fois palier et entraînement à moteur. Les surfaces réfléchissantes qui sont encore au nombre de cinq comme indiqué par les références 86, 88, 90, 92 et 94, sont disposées dans des plans parallèles équidistants, perpen- diculaires à l'axe de rotation du rotor. Les surfaces ré- fléchissantes ont des encoches comme décrit en référence à la figure 1 si bien que la lumière réfléchie par la sur- face 86 par exemple, provenant de la source A, passe par des encoches alignées formées dans chacune des autres sur- faces réfléchissantes. L'appareil de la figure 5 a par ail- leurs un fonctionnement identique à celui qu'on a décrit en référence au rotor des figures 1 et 2. L'appareil de la figure 5 présente l'avantage de permettre la réalisation d'un rotor moins encombrant, ayant de plus petites dimen- sions radiales, pour une surface réfléchissante donnée si bien que la vitesse de rotation peut être plus grande. En outre, la disposition de la figure 5 permet la formation de passages de circulation d'un fluide de refroidissement empêchant l'échauffement par l'énergie lumineuse absorbée au niveau des surfaces réfléchissantes. Un passage 186d'en- trée par exemple est relié à des passages internes qui dé- bouchent dans des cavités de fluide de refroidissement tel- les que repérées par la référence 188,formées derrière cha- cune des surfaces réfléchissantes. Des passages 190 de sortie formés dans l'arbre 82 permettent le retour du fluide. La description qui précède montre que l'invention concerne un système optique qui peut être utilisé pour la combinaison des faisceaux de plusieurs sources en un seul faisceau. Cependant, étant donné les caractéristiques ré- ciproques de l'appareil, celui-ci peut aussi être utilisé comme répartiteur de faisceau dans lequel un faisceau pulsé unique dirigé suivant un axe commun est découpé et réparti en plusieurs faisceaux de sortie. Dans le cas de l'utilisa- tion d'un faisceau continu d'entrée, les faisceaux de sor- tie sont pulsés avec une durée d'impulsion et une fréquence de répétition déterminées par la vitesse de rotation du ro- tor et par le nombre de surfaces réfléchissantes distantes axialement. On peut utiliser par exemple deux ensembles pour le codage et le décodage d'un faisceau lumineux par modulation par impulsions codées. Il faut en outre noter qu'on a décrit l'utilisa- tion d'un seul groupe de sources placées dans un plan com- mun contenant l'axe de rotation, mais des groupes supplé- mentaires de sources peuvent occuper des positions angu- laires différentes correspondant au nombre d'encoches au- tour de la circonférence du rotor. Ainsi, dans l'exemple des figures 1 et 2, huit groupes de cinq sources au total peuvent être utilisés, chaque groupe formant un faisceau séparé de sortie. Les groupes de sources, lorsqu'ils sont utilisés avec l'appareil des figures 1 et 2, forment plu- sieurs faisceaux de sortie qui convergent en un point com- mun placé sur l'axe de rotation. Selon un autre avantage du système optique ro- tatif de l'invention, un seul axe central commun de rotation correspond à tous les éléments réfléchissants si bien que la construction mécanique est simplifiée. Comme les angles d'incidence et de rotation restent constants lors de la rotation des miroirs, les faisceaux ne sont pas déformés par la synchronisation des impulsions et le front d'ondes n'est pas non plus déformé entre la source et la cible. Il est bien entendu que l'invention n'a été dé- crite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Appareil collecteur et distributeur de faisceaux lumineux, caractérisé en ce qu'il comprend un rotor (10), un dispositif d'entraînement du rotor en rotation avec une vitesse angulaire prédéterminée, plusieurs miroirs (48, , 52, 54, 56) et un dispositif de montage des miroirs sur le rotor de manière que les surfaces réfléchissantes des miroirs se trouvent dans plusieurs plans parallèles, perpendiculaires à l'axe de rotation du rotor, une surface de miroir au moins état disposée dans chacun desdits plans, les miroirs des plans successifs étant placés à des dis- tances radiales de plus en plus grandes de l'axe du rotor. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les miroirs ont des surfaces réfléchissantes planes et parallèles. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les centres des miroirs se terminent dans chaque plan à des bords radiaux qui sont décalés angulairement par rapport auxmiroirs des autres plans. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif (A, B, C, D, E) dirigeant plusieurs faisceaux lumineux parallèles dont les axes recoupent les miroirs des différents plans, les faisceaux étant réfléchis par les miroirs des plans respec- tifs suivant un axe commun. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le rotor (80) qui porte les miroirs est disposé radialement vers l'extérieur des miroirs. 6. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le rotor (10) qui supporte les miroirs est placé radialement vers l'intérieur des miroirs. 7. Appareil de combinaison de faisceaux provenant de plusieurs sources lumineuses en un faisceau commun, ca- ractérisé en ce qu'il comprend un rotor (10), un dispositif de support du rotor afin qu'il tourne autour d'un axe, et un dispositif d'entraînement du rotor à une vitesse angu- laire constante, le rotor ayant plusieurs surfaces réflé- chissantes individuelles (48, 50, 52, 54, 56) disposées dans des plans parallèles distants axialement par rapport au rotor, les surfaces réfléchissantes des positions axiales successives étant disposées à des distances ra- diales de plus en plus grandes de l'axe de rotation du rotor. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que les surfaces réfléchissantes, placées dans chaque plan, ont des espaces (62, 64, 66, 68), les espaces des différents plans se recouvrant de manière que la lumière incidente réfléchie par l'une quelconque des surfaces réfléchissantes suivant un axe commun dans un plan conte- nant l'axe de rotation passe par les espaces des plans in- termédiaires. 9. Dispositif de multiplexage de lumière, caractérisé en ce qu'il comprend un rotor (10), un dispositif de support du rotor afin qu'il puisse tourner, un dispositif d'entrat- nement du rotor, le rotor ayant un moyeu (12) et plusieurs miroirs (48, 50, 52, 54, 56) fixés au moyeu (12) et ayant des surfaces réfléchissantes placées dans plusieurs plans parallèles distants qui sont perpendiculaires à l'axe de rotation du rotor, une partie de la surface réfléchissante de chaque plan étant décalée radialement par rapport aux surfaces réfléchissantes de chacun des autres plans, les miroirs ayant des espaces (62, 64, 66, 68) qui exposent une partie des surfaces réfléchissantes des autres miroirs à lalumière dirigée vers les surfaces réfléchissahtes dans un plan contenant l'axe de révolution du rotor. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que les miroirs dépassent radialement vers l'extéà rieur du moyeu (12). 11. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que le moyeu (80) a une forme de coupelle et les mi- roirs dépassent radialement vers l'intérieur du moyeu. 12. Appareilselon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits espaces (62, 64, 66, 68) formés dans les miroirs divisent les surfaces réfléchissantes en plu- sieurs tronçons courbes, les tronçons d'un plan quelconque recouvrant une même distance angulaire et étant séparés par une même distance angulaire. 13. Appareil selon la revendication 12, caractérisé enceque la distance angulaire desdits tronçons augmente à chaque plan successif.