Brevet FR2505564A1 — publié le 19821112

La présente invention concerne un dispositif de modification et d'uniformisation de la répartition d'in- tensité d'un faisceau laser de puissance. On sait qu'une répartition non uniforme de l'in tensité d'un faisceau laser constitue un inconvénient important dans les applications industrielles possibles dans le domaine des traitements thermiques. En fait, si l'on considère par exemple un processus de trempe d'acier ou de fonte, on note qu'un critère essentiel est l'obtention d'une température superficielle du métal qui est très proche de la température de fusion; en particulier, les régions soumises à un traitement laser doivent avoir une répartition uniforme de température car même de petites variations localisées peuvent provoquer l'apparition d'une dureté indésirable ou même une fusion indésirable de la matière.Comme ces variations de température sont dues au défaut d'uniformité de la répartition spatiale d'intensité du faisceau laser appliqué à la matière, il est très important que le faisceau laser disponible ait une intensité uniforme. Comme il n'est pas possible d'agir sur la source qui émet le faisceau de puissance, on a réalisé divers dispositifs destinés à rendre uniforme la répartition de l'intensité du faisceau laser avant que celui-ci ne tombe sur la matière qui doit être soumise au traitement. Un premier dispositif dont la structure est relativement simple comporte essentiellement une lentille convergente et la pièce à traiter est placée en dehors du plan focal ou dans le plan focal de la lentille; dans ce dernier, la lentille utilisée est d'un type à grande distance focale. Un dispositif de ce type permet une manipulation peu couteuse du faisceau laser; cependant la répartition d'intensité obtenue dépend encore de la configuration et de la stabilité du faisceau laser provenant de la source et en conséquence elle est primordiale dans la mise en oeuvre pratique. Un second dispositif très largement utilisé comprend essentiellement deux miroirs oscillants qui sont montés sur le trajet du faisceau laser et qui sont répartis sur le chemin optique de focalisation. En particulier, ces miroirs sont destiné à osciller en directions perpendiculaires l'une à l'autre et à permettre l'obtention d'un faisceau de sortie dont la section à une dimension réglable. Ces dispositifs permettent l'obtention d'un profil d'intensité uniforme pour le faisceau laser de sortie, par rapport au faisceau créé par la source, mais ce profil a encore deux crêtes indésirables à ses extrémités. Un troisième dispositif connu comporte essentiellement un miroir intégrateur courbe qui répartit sensiblement le front d'onde du faisceau laser incident en plusieurs faisceaux secondaires réfléchis et ses dimensions sont telles qu'il dirige tous ces faisceaux secondaires sur une seule région superficielle de la pièce à traiter. Un tel miroir intégrateur est formé pratiquement par réalisation de plusieurs facettes sur un miroir de cuivre, par exemple réalisé à l'aide d'un outil diamanté, ou par fixation sur un substrat de cuivre de petites pièces réfléchissantes planes et carrées, par exemple formées de molybdène.Le miroir obtenu à l'aide d'un outil diamanté est nettement moins comateux, mais le profil d'intensité du faisceau laser qui est obtenu avec ce miroir a encore des maxima très nets répartis uniformément à cause des phénomènes d'interférence et de diffraction provoqués par la configuration superficielle du miroir lui-même. Le miroir formé par des petits morceaux carrés réfléchissants de molybdène non seulement est très coûteux mais présente encore des inconvénients qui apparaissent chaque fois que les morceaux carrés doivent être nettoyés car de la poussière pénètre facilement dans les fentes formées entre les petits morceaux carrés. En outre, il est très difficile de réaliser un système efficace de refroidissement de ce miroir. L'invention concerne un dispositif destiné à mo difier et en particulier uniformiser la répartition d'intensité dans un faisceau laser de puissance, sans les inconvénients des dispositifs connus précités. Plus précisément, l'invention concerne un dispo sitif de modification et d'un#iformisation de la répartition d'intensité d'un premier faisceau laser de puissance, comprenant un ensemble de manipulation ayant plusieurs miroirs rotatifs qui renvoient le premier faisceau et créent à la sortie de cet ensemble un second faisceau qui a pratiquement la même répartition spatiale d'intensité que le premier faisceau mais qui tourne autour de son axe de symétrie, dans le sens de propagation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est un schéma d'un dispositif selon l'invention; les figures 2a et 2b sont respectivement une coupe et un graphique représentant la répartition d'énergie d'un faisceau laser à l'entrée du dispositif de la figure 1; et les figures 3a et 3b sont aussi respectivement une coupe du faisceau et la répartition d'intensité de ce faisceau à la sortie du dispositif de la figure 1. On se réfère d'abord à la figure 1 sur laquelle la référence 10 désigne de façon générale un dispositif réalisé selon l'invention et destiné à manipuler, de la manière décrite dans la suite, un faisceau laser incident Lo provenant d'une source non représentée. En particulier, le dispositif 10 comporte un ensemble 11 destiné à uniformiser la répartition de l'intensité du faisceau Lo; le faisceau laser transmis à la sortie est repéré par la référence L1. Le dispositif comporte en outre un ensemble 12 dont le rôle est de modifier la dimension de la section du faisceau L1 afin qu'il forme un faisceau laser L2.Il est commode que l'ensemble 11 soit disposé à l'intérieur d'un système optique (non représenté) utilisé pour la focalisation du faisceau Lo Plus précisément, l'ensemble 11 comprend essentiellement, selon l'invention, trois miroirs 14, 15, 16 dont la position angulaire peut être réglée avec précision, d'une manière non représentée. L'angle formé par les surfaces réfléchissantes des miroirs 14 et 16 est avantageusement de 1200.De cette manière, le faisceau laser Lo est réfléchi par le miroir d'entrée 14 vers le miroir intermédiaire 15 et par ce dernier vers le miroir 16 de sortie à partir duquel il est réfléchi afin qu'il transmette le faisceau L1 qui se propage dans la même direction que le faisceau incident Lg. De préférence, chacun des miroirs 14, 15, 16 est formé de cuivre et il est refroidi par un circuit non représente de circulation d'eau.Les miroirs 14, 15, 16 sont montés sur un corps 18 de support, ayant avantageusement une forme cylindrique et qui tourne à une vitesse angulaire prédéterminée, par exemple de 3 000 tr/min, autour d'un axe correspondant à une droite idéale reliant les faisceaux Lo et Lu. en particulier, le corps 18 de support tourne sous la commande d'un moteur 19, d'un pignon 20 qui est en prise, par l'intermédiaire d'un pignon 21, avec un pignon 22 qui est couplé angulairement au corps 18. L'ensemble 12 du dispositif 10 comporte deux miroirs 24, 25 qui sont tous les deux soumis à des vibrations appliquées par un dispositif non représenté, dans des plans perpendiculaires l'un de l'autre et de manière réglable. De cette manière, le faisceau de sortie L2 qui est obtenu peut avoir une section dont les dimensions sont réglables, grâce au réglage de l'amplitude des vibrations des miroirs. La figure 2a représente à titre illustratif la section du faisceau Lo à un moment donné. Dans cette section, la référence 27 désigne les rayons, ayant une intensité lumineuse moyenne 1m et les références 28 et 29 représentent des groupes de pinceaux laser dont les intensités I et I sont supérieure ou inférieureà la valeur moyenne Im respectivement.La figure 2b indique la variation de l'intensité Io du faisceau laser Lo observée dans un plan prédéterminé de coupe représenté sur la figure 2a et dont la trace est indiquée par la droite repérée par la référence x. * Comme décrit en référence aux figures 2a et 2b, la figure 3a représente une coupe du faisceau L1 et la figure 3b représente la variation de l'intensité moyenne I1 du faisceau laser L1 pendant une rotation d'un tour du corps 18 de support des miroirs 14, 15 et 16. On décrit maintenant le fonctionnement du dispositif 10 par considération séparément du comportement des ensembles 11 et 12. Dans l'ensemble 11, la rotation du corps 18 autour de l'axe indiqué et à une vitesse angulaire prédéterminée provoque une rotation du faisceau Lg, étant donné les réflexions combinées des miroirs 14, 15 et 16, à une vitesse angulaire double autour de son propre axe de propagation. De cette manière et comme l'indique notamment la figure 3a, les rayons 27 et les groupes 28 et 29 de pinceaux laser tournent autour de l'axe du faisceau si bien qu'ils forment à la sortie le faisceau L1.En conséquence, ce.mme on peut supposer que, entre les limites correspondant à un tour et avec une bonne approximation, les diverses contributions I et I qui sont respectivement supérieure et inférieure à la valeur moyenne 1m de l'intensité du faisceau laser se compensent pratiquement,: la répartition de l'intensité moyenne du faisceau Li est uniforme. L'ensemble 12 est destiné au contraire à régler l'amplitude du faisceau. A cet effet, il suffit que l'amplitude des vibrations des miroirs 24 et 25 soit réglée afin que la section du faisceau L2 ait la configuration voulue. L'analyse des caractéristiques du dispositif selon l'invention montre que ce dispositif 10 ne présente pas les inconvénients des dispositifs connus. En fait, la structure de ce dispositif est relativement simple, elle ne nécessite aucune opération compliquée d'entretien et elle rend uniforme la répartition du faisceau laser de la manière qui convient le mieux à l'utilisation du dispositif dans les traitements thermiques du type spécifié. Il est bien entendu que l'invention n'piété décrite 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. Par exemple, le miroir intermédiaire 15 peut avoir une forme annulaire et dans ce cas il suffit que le corps 18 fasse tourner les seuls miroirs 14 et 16. De cette manière, non seulement la masse qui tourne est réduite et en conté quence le moment d'inertie aussi si bien que les contraintes mécaniques transmises au support sont réduites, mais encore le système de refroidissement du nouveau miroir 15 est simplifié. REVENDICATIONS 1. Dispositif (10) destiné à modifier et uniformiser la répartition de l'intensité d'un premier faisceau laser de puissance (Lo) caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de manipulation (11) ayant plusieurs miroirs rotatifs (14, 15, 16) qui réfléchissent le premier faisceau (Lo) et forment, à la sortie de cet ensemble (11), un second faisceau (L1) qui a pratiquement la même répartition spatiale d'intensité que le premier faisceau (Lg), mais qui tourne autour de son propre axe de symétrie dans la direction de propagation. 2. Dispositif (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les miroirs rotatifs (14, 15, 16) ont une orientation telle que la direction de propagation du second faisceau (L1) coïncide avec celle du premier faisceau (Lo) 3. Dispositif (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend trois miroirs (14, 15, 16) comprenant un miroir d'entrée (14) qui reçoit le premier faisceau (L0), un miroir de sortie (16) qui réfléchit le second faisceau (L1) vers l'extérieur, et un miroir intermédiaire (15) qui réfléchit vers le miroir de sortie (16) le faisceau déjà réfléchi par le miroir d'entrée (14). 4. Dispositif (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les surfaces réfléchissantes des miroirs d'entrée et de sortie (14, 16) sont inclinées à 1200 l'une par rapport à l'autre. 5. Dispositif (10) selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les miroirs d'entrée et de sortie au moins (14, 16) sont logés dans un support (18) qui tourne autour d'un axe coïncidant avec l'axe de symétrie du premier et du second faisceau (Lot L1). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le miroir intermédiaire (15) est aussi monté rigidement dans le support (18). 7. Dispositif (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le miroir intermédiaire (15) est fixe par rapport au premier faisceau (Lo) et a une structure annulaire. 8. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'ensemble de manipulation (11) comporte un moteur (19) qui fait tourner le support (18) autour dudit axe à une vitesse angulaire de valeur prédéterminée. 9. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble de manipulation (11) est placé à l'intérieur d'un système optique de focalisation du premier faisceau laser (Lo)* 10. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble modificateur (12) destiné à modifier les dimensions de la section du premier et du second faisceau laser (LoZ L1), cet ensemble de modification (12) comportant au moins deux miroirs (24, 25) qui vibrent dans les directions perpendiculaires l'une à l'autre et qui sont disposés dans la direction de propagation du premier et du second faisceau laser (L0, L1).