Brevet FR2528585A1 — publié le 19831216

La présente invention concerne un procédé de fa- brication de miroir cylindrique, un miroir cylindrique ainsi qu'un appareil d'irradiation par un faisceau laser Dans le présent mémoire, l'expression "miroir cylindrique" ne désigne pas obligatoirement un élément optique destiné à assurer une focalisation suivant une ligne, mais se rapporte aussi à des éléments optiques destinés à modifier la répar- tition d'énergie dans un faisceau étendu ou le long d'une ligne de focalisation L'invention s'applique essentiellement aux appareils mettant en oeuvre des faisceaux lasers dans lesquels la densité d'énergie disponible varie beaucoup et peut avoir diverses configurations suivant le mode de fonc- tionnement du laser Cependant, l'invention n'est nullement limitée à cette application En particulier, elle peut être utilisée pour la formation de faisceaux ayant diverses répar- titions de densité d'énergie, à partir de sources ponc- tuelles ou rectilignes. Le problème plus précis dans le cadre duquel l'invention a été mise en oeuvre est la formation d'une ligne de focalisation le long de laquelle la densité d'éner- gie est uniforme, à partir d'un faisceau d'un laser fonction- nant en monomode ou en mélange de modes On a déjà obtenu une ligne de focalisation ayant, sur sa longueur, une densité d'énergie presque constante, à 20 ou 30 % près, par focali- sation par un simple miroir cylindrique d'un faisceau d'un laser fonctionnant en "multimode", parfois appelé "mode annu- laire", c'est-à-dire dans lequel la densité d'énergie, dans une section du faisceau laser, est maximale suivant un cer- cle On peut montrer que, pour certains mélanges de modes, l'intégration par rapport à un diamètre, c'est-à-dire par utilisation d'un miroir cylindrique, donne une répartition d'énergie relativement constante Par exemple, la demande de brevet français N O 81 21 350 déposée le 13 novembre 1981 par le Demandeur montre comment on peut obtenir, dans une application particulière, une telle densité d'énergie rela- tivement uniforme. Cependant, on constate en pratique que, lorsqu'on utilise régulièrement un générateur laser, il existe une certaine dérive des modes si bien que la répartition d'éner- gie varie dans une certaine mesure le long de la ligne de focalisation On sait qu'il est plus difficile de reproduire de manière fiable une répartition d'un mélange de modes qu'une répartition correspondant au mode fondamental ou en "monomode" On a donc cherché à obtenir une ligne de focalisation le long de laquelle la densité d'énergie est constante à partir d'un faisceau d'un générateur laser fonc- tionnant en monomode On sait qu'un tel faisceau a une répar- tition gaussienne d'énergie L'intégration du faisceau par rapport à un diamètre, c'est-à-dire à l'aide d'un miroir cylindrique, donne une ligne de focalisation le long de laquelle la densité d'énergie varie aussi suivant une gaus- sienne. En conséquence, il serait souhaitable de disposer d'une optique qui, avant le miroir formant la ligne de foca- lisation, assure une répartition d'énergie dans le faisceau laser telle que, sur la ligne de focalisation, cette densité d'énergie est constante Les opticiens savent calculer de telles optiques, sous forme de miroir cylindrique dont la génératrice est perpendiculaire à la génératrice du miroir cylindrique utilisé pour la focalisation, mais on constate que les profils que doivent avoir ces miroirs ne peuvent pas être fabriqués par les procédés classiques utilisés en optique En effet, en optique, on utilise des surfaces ré- fléchissantes polies soit à plat soit avec une forme sphé- rique et éventuellement une forme parabolique Cependant, ces opérations nécessitent, pour chaque forme, tout un jeu d'outils spéciaux En outre, il n'est pas possible de polir des surfaces autres que planes ou sphériques ou à la rigueur paraboliques, car il faut que les outils de polissage puis- sent être déplacés dans toutes les directions au-dessus de chaque point Il n'est donc pas possible de réaliser nor- malement une surface réfléchissante de forme quelconque. L'invention concerne la réalisation de miroir cylindrique ayant une surface réfléchissante dont la section a une forme quelconque. On connaît déjà quelques systèmes optiques dont la surface n'est ni plane ni sphérique Par exemple, le brevet français n 2 472 198 décrit un procédé selon lequel une ébauche de verre est moulée et une de ses faces est polie soit sous forme plane soit sous forme sphérique Ensuite, l'ébauche est soumise à une force, par exemple à l'applica- tion d'une dépression, provoquant une déformation globale de la plaque qui est convenablement retenue par ses bords. Il s'agit d'optiques sphériques, et la déformation effec- tuée est extrêmement faible et correspond au maximum à quel- ques longueurs d'onde de la lumière. La NASA a aussi mis au point un "miroir déformable" destiné à corriger les aberrations des images des planètes et satellites observés par les sondes spatiales Il s'agit d'un miroir dans lequel de nombreux organespiézoélectriques provoquent des déformations locales de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde de la lumière. Ces procédés sont donc au mieux des procédés qui provoquent une légère modification de la forme de la sur- face réfléchissante et qui ne donnent pas à celle-ci l'es- sentiel de sa courbure. On connaît aussi des miroirs déformants utilisés par exemple dans les foires et attractions Il s'agit en général de plaques métalliques planes déformées de diverses manières afin qu'elles provoquent un grossissement ou une réduction Ces miroirs ont une épaisseur constante et prennent des formes obtenues de façon assez aléatoire, bien que les déformations soient très importantes. L'invention concerne la réalisation de miroir cylindrique par mise en oeuvre d'une déformation très im- portante des surfaces, correspondant à des centaines et des milliers de longueurs d'onde, avec cependant la précision nécessaire dans les sytèmes optiques. Plus précisément, lorsque l'opticien a déterminé la configuration de la surface de miroir cylindrique qu'il veut obtenir, l'invention lui permet de calculer la varia- 2 52858 f tion d'épaisseur que doit avoir une plaque afin que celle- ci, lorsqu'elle est soumise à des forces déterminées, pren- ne la configuration voulue L'invention peut être mise en oeuvre soit par formation de la surface réfléchissante à plat ou sous forme cylindrique de section droite circulaire alors que la surface est sous contrainte, puis utilisa- tion du miroir alors que la surface n'est plus sous con- trainte, soit par réalisation de -la surface réfléchissante. sous forme plane ou cylindrique de section droite circulaire alors que la plaque n'est pas sous tension, et application de forces de déformation à la plaque lorsque celle-ci est en cours d'utilisation. L'exemple particulier décrit en détail dans la suite du présent mémoire concerne ce second cas Cependant, l'invention s'applique aussi à la réalisation de la sur- face réfléchissante alors que la plaque utilisée est défor-m mée, et son utilisation sans application de forces En géné- ral, des forces sont appliquées lors de la réalisation de la surface réfléchissante et d'autres forces sont appliquées lors de l'utilisation du miroir cylindrique. Plus précisàoent, l'invention concerne un procédé de fabrication de miroir, du type qui comprend la formation d'une plaque d'épaisseur variable déterminée, ayant des grandes faces, la formation d'une surface réfléchissante, com- prenant un polissage d'une première grande face de la pla- que, et l'application de forces de déformation à la plaque soit pendant la formation de la surface réfléchissante, soit pendant l'utilisation du miroir, soit à la fois pendant la formation de la surface réfléchissante et pendant l'utilisa- tion du miroir, mais avec des intensités différentes provo- quant des déformations différentes, ce procédé étant tel que: la formation de la plaque d'épaisseur variable comprend la formation d'une plaque rectangulaire cylindrique dont la section par un plan perpendiculaire aux génératrices: des deux grandes faces est identique à elle-même, la formation d'une surface réfléchissante com- prend lq polissage de la première face qui est alors plane ou cylindrique de section droite circulaire, et l'application de forces de déformation com- prend la coopération d'un organe de support et deux par- ties marginales de la plaque en direction sensiblement pa- rallèle aux génératrices. La formation d'une plaque d'épaisseur variable est effectuée très avantageusement par usinage mécanique de la seconde face de la plaque Cet usinage mécanique peut être réalisé avant ou après la formation de la surface ré- fléchissante sur la première face L'usinage mécanique peut être réalisé par tout procédé convenable, par exemple par fraisage, par rabotage, par usinage par électro-erosion, etc. En particulier, lors d'un fraisage, la plaque peut avoir une surface dont la variation d'épaisseur correspond à un profil à échelons, obtenu Dar exemple par commaide numerique. La formation d'une surface réfléchissante comporte le polissage de la première face, par mise en oeuvre des pro- cédés bien connus, de manière que la surface réfléchissante soit plane ou cylindrique de section droite circulaire. L'application des forces de déformation peut être de différents types Il peut s'agir d'application de forces de flexion, exercées soit par encastrement des bords de la plaque, soit par application de forces avec un couteau. Cette application de forces peut cependant être de tout type, par exemple provoquant un flambage de la plaque ou au contraire un redressement de celle-ci lorsqu'elle a déjà une forme courbe Dans un mode de réalisation avantageux, la plaque a deux côtés parallèles aux génératrices qui sont encastrés dans des organes de maintien, et des forces de rap- prochement ou d'éloignement sont exercées sur les deux sup- ports à distance de la plaque et en direction sensiblement parallèle à la plaque et perpendiculaire aux génératrices. L'invention concerne aussi des miroirs cylindriques réalisés par mise en oeuvre de ce procédé Un tel miroir comporte une plaque cylindrique rectangulaire d'épaisseur variable, dont la section par un plan perpendiculaire aux génératrices des deux grandes faces est identique à elle- même, deux organes de maintien fixés aux deux bords de la plaque qui sont parallèles aux génératrices, et un organe d'application de forces destiné à écarter ou rapprocher les deux organes de maintien à distance de la plaque Il peut aussi s'agir simplement d'une plaque serrée entre deux or- ganes analogues à des mors d'un étau. Dans un mode de réalisation particulier, la pla- que est réalisée par fraisage et a un profil à échelons. L'invention concerne aussi un appareil d'irradia- tion destiné à former une ligne de focalisation, Un tel appareil comprend une source lumineuse formant un faisceau ayant une faible divergence, par exemple un générateur laser, un miroir cylindrique correcteur, du type réalisé selon l'invention, et un miroir cylindrique de section droite cir- culaire, ayant une génératrice sensiblement perpendiculaire à la génératrice de la surface réfléchissante du miroir correcteur, ce miroir cylindrique étant destiné à former une ligne de focalisation, le miroir correcteur étant réalisé de manière que, dans le plan de focalisation du miroir cylin- drique, il assure une variation déterminée de la densité d'énergie le long de la ligne de focalisation Dans un mode de réalisation avantageux, i Le générateur laser fonctionne en mode fondamental, et le miroir correcteur est réalisé de manière que la densité d'énergie soit uniforme le long de la ligne de focalisation L'invention concerne aussi un appareil d'irradia- tion comprenant deux miroirs cylindriques correcteurs selon l'invention, disposés avec des génératrices perpendiculaires l'une à l'autre et ayant un profil tel qu'i lsdonnent à un faisceau laser ayant une densité d'énergie variant de ma- nière déterminée, par exemple au faisceau d'un laser fonc- tionnant en monomode, une répartition uniforme d'énergie dans un plan déterminé Les deux miroirs correcteurs peuvent être réalisés de la même manière, mais soumis à des forces dif- férentes de déformation car lorsque la force appliquée varie, la position du plan dans lequel la correction de répartition d'énergie est réalisée se déplace, cette cor- rection n'étant cependant pas affectée En conséquence, les deux miroirs peuvent être identiques et simplement soumis à des forces différentes de déformation. Ainsi, l'invention permet, par mise en oeuvre essentiellement de techniquesd'usinage mécaniques bien connues et très simples, la réalisation de miroirsayant des surfaces pratiquement quelconques, à un coût relati- vement faible En effet, les problèmes posés d'une part par la formation d'une surface réfléchissante et d'autre part par la réalisation d'une forme particulière sont to- talement découplés, la partie optique délicate étant réa- lisée sur une première face dans des conditions simples alors que la partie de mise en forme qui peut être de type purement mécanique, est réalisée sur l'autre face. * D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'exemplesparticuliersde mise en oeuvre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une perspective d'un miroir cylin- drique correcteur réalisé selon l'invention la figure 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1; et la figure 3 est une coupe partielle très schéma- tique d'un exemple de miroir à échelons réalisé selon l'invention. La figure 1 est une perspective d'un exemple de miroir correcteur de la répartition d'énergie suivant une ligne de focalisation formée par un miroir cylindrique de section droite circulaire, non représenté. Le miroir correcteur représenté sur la figure 1 comporte une partie fixe 10 et une partie déformable 12. La partie fixe 10 comporte essentiellement un tronçon de barre en U 14, portant à ses deux extrémités deux plaques rectangulaires 16 fixées par des vis 18 L'organe 14 et les plaques 16 forment un tout rigide qui peut être monté sur un socle de support, etc Deux trous taraudés 19 traversent les côtés d'organe 14 et sont tous deux formés suivant un même axe Des vis 20 se logent dans ces trous taraudés 19. La partie mobile 12 comporte d'abord la plaque déformable 22, d'épaisseur variable comme indiqué au mi- lieu de la figure 2, et deux supports 24 Dans le mode de réalisation considéré, la plaque 22 a, sur ses bords, des trous dans lesquels passent des vis qui serrent des bar- rettes 26 contre les barres 24, si bien que les bords de la plaque 22 sont pratiquement "encastrés" dans les organes de maintien 24, 26. L'ensemble mobile est porté par l'ensemble fixe par l'intermédiaire des deux vis 20 Des logements coniques à 900 28 sont formés dans les deux plaques 24 des organes de maintien et logent les extrémités arrondies 30 des deux vis 20 Ainsi, on note sur la figure 2 que le vissage des vis 20 dans les trous 19 provoque un écartement des parties extérieures ou hautes (sur la figure 2) des organes 24 qui- s'écartent à distance de la plaque 22 Celle-ci doit donc fléchir comne une charnière et prend alors une forme qui dépend de son épaisseur Comme cette épaisseur varie, la forme prise par la plaque 22 varie Le calcul permet facile- ment la détermination de la forme obtenue L'exemple qui suit le montre aisément. On note que la partie mobile n'est retenue que par les deux vis 20 qui permettent son pivotement autour de leur axe de rotation La partie mobile aurait-donc ten- dance à s'appuyer sur l'une des plaques 16 si elle n'était retenue par quatre vis 32 (deux seulement sont représentées sur la figure 1) placées au-dessus et au-dessous des bar- rettes 26 et permettant le réglage de la position de la partie mobile autour de son axe de rotation passant par les vis 20. On note en outre sur la figure 2 que des fentes 34 formées à proximité des bords de la plaque 22 sont des- tinées à souffler de l'air le long de cette plaque lors de l'irradiation du miroir par un faisceau laser Bien enten- du, la fente 34 communique avec une chambre formée à l'inté- rieur de chaque plaque 16 et reliée par un canal 36 à une source convenable d'air comprimé Le soufflage d'air assure le refroidissement du miroir et empêche l'accumulation de saletés sur celui-ci Un tel montage permet l'irradia- tion du miroir avec des densités d'énergie pouvant atteindre 2 500 à 3 500 W/cm La figure 3 représente un exemple très schéma- tique de plaque 22 réalisée selon l'invention On note qu'une saillie 38 est délimitée par des échelons en face de la ré- gion 40 réellement irradiée lors de l'utilisation du miroir. Comme les échelons ont une très faible hauteur et comme les points médians des marches d'escalier formées par ces échelons sont disposés sur la courbe théorique voulue de variation d'épaisseur, la partie réfléchissante utile 40 prend une forme pratiquement confondue avec la courbe théorique voulue. Lors de la fabrication de la plaque 22, une pla- que ayant une épaisseur légèrement supérieure à l'épaisseur maximale de la plaque voulue est polie à plat sur une face. Ensuite, la face polie est collée sur un support rigide et l'autre face est usinée, par exemple par fraisage avec des échelons Ensuite, la plaque est décollée et le polissage est terminé La plaque est par exemple formée de cuivre recuit. On n'a pas décrit le calcul de la variation d'épais- seur voulue pour la plaque En effet, ce calcul dépend es- sentiellement de la manière dont les forces de déformation sont appliquées à la plaque Bien qu'on ait décrit un "en- castrement", la plaque peut être simplement serrée entre deux mors ou elle peut au contraire être polie sous forme d'un cylindre de section droite circulaire puis étirée par ses bords, des parties d'épaisseur variable ayant évidemment été formées préalablement La réalisation de la plaque par usinage dépend donc du mode prévu d'application de forces. E Ue dépend aussi évidemment de la matière utilisée Bien entendu, il est préférable que celle-ci ait une homogénéité et une isotropie aussi grandesque possible Cependant, on peut utiliser des matières ayant des propriétés présentant une anisotropie, une direction préférentielle étant alors parallèle ou perpendiculaire aux génératrices de préférence. Dans un exemple d'application, on réalise un miroir cylindrique correcteur de la répartition d'énergie d'un faisceau d'un générateur laser monomode dont la réparti- tion d'énergie est gaussienne et a un diamètre de 15 mm (à 1/e 2) On veut obtenir une densité constante d'énergie sur une ligne de focalisation, formée par un miroir cylin- drique auxiliaire de section droite circulaire, sur une lon- gueur de 7 mm Ce dernier miroir ayant une distance focale de 150 mm, on calculeles rayons de courbure en divers points de la surface, à partir du centre, afin que la ligne de fo- calisation ait une densité constante d'énergie lorsque le miroir correcteur se trouve à 300 mm en amont du miroir de focalisation Le calcul montre que le rayon de courbure du miroir correcteur varie entre 1744 mm au centre et 451 mm à 13 mm du centre A 5 mm du centre, le rayon de courbure est de 650 mn et à 10 mm du centre, il est de 460 mm On cal- cule alors l'épaisseur d'une plaque 22 de laiton ayant une longueur de 60 mm entre les deux organes 24 d'encastrement. On calcule au centre une épaisseur de 2,90 mm A 5 mm du centre, elle est de 1,97 mm A 10 mm du centre, elle es L de 1,63 mm A 13 mm du centre, elle est de 1,53 mai Ces à- leurs ont été arrondies au centième près On réalise alors la plaque par fraisage avec des échelons ayant des hauteurs (mesurées dans le sens de l'épaisseur de la plaque) de 4 cen- tièmes de millimètre La largeur de chaque échelon est cal- culée de manière que le centre de chaque échelon se trouve sur la courbe théorique voulue d'épaisseur. Bien qu'on ait décrit l'application de l'inven- tion à la formation d'une ligne de focalisation ayant une densité constante d'énergie sur sa longueur, l'invention est aussi très utile pour la réalisation d'une répartition uniforme d'énergie dans un plan Plus précisément, on peut utiliser deux miroirs correcteurs ayant des plaques de même profil pour la correction, dans deux plans perpendiculaires, de la répartition d'énergie d'un faisceau provenant d'un générateur laser fonctionnant en monomode par exemple de manière que la densité d'énergie soit constante. Il faut aussi noter que les miroirs réalisés selon l'invention sont des miroirs cylindriques En consé- quence, ils peuvent renvoyer le faisceau qu'ils reçoivent dans diverses directions comprises dans le plan qui con- tient leurs génératrices centrales et qui est perpendicu- laire à la surface réfléchissante Dans un tel plan, le renvoi dans diverses directions, par exemple à 90 , n'in- troduit pas d'aberrations. Un autre avantage des miroirs cylindriques selon l'invention est que la modification de l'intensité des forces de déformation provoque une modification de profil qui déplace simplement le plan dans lequel la correction voulue est assurée Bien entendu, cette caractéristique n'est obtenue que lorsque la matière de la plaque 22 est utilisée en-deçà de sa limite élastique En effet, au-delà de cette limite élastique, il apparaît des déformations permanentes dont il est alors difficile de tenir compte par le calcul. Bien qu'on ait décrit certains modes d'applica- tion de forces de déformation, d'autres modes peuvent être utiles, par exemple l'application d'une surpression ou d'une dépression d'au moins un côté de la plaque. En outre, on n'a pas décrit en détail la réalisa- tion de la surface réfléchissante car les procédés connus conviennent de façon générale Par exemple, la surface réfléchissante peut être formée par un revêtement convenable d'un type bien connu des opticiens et qui dépend notamment de la longueur d'onde de la lumière à réfléchir. -12 REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'un miroir, du type qui comprend la formation d'une-plaque d'épaisseur variable déterminée, ayant deux grandes faces, la formation d'une surface réfléchissante, com- prenant un polissage d'une première grande face de la pla- que, et l'application de forces de déformation à la pla- que, soit pendant la formation de la surface réfléchissante, soit pendant l'utilisation du miroir, soit à la fois pendant la formation de la surface réfléchissante et pendant l'uti- lisation du miroir, mais avec des intensités différentes provoquant des déformations différentes, caractérisé en ce que: la formation de la plaque d'épaisseur variable comprend la formation d'une plaque rectangulaire cylindrique ( 22) dont la section par un plan perpendiculaire aux généra- trices des deux grandes faces est identique à elle-même, la formation d'une surface réfléchissante com- prend le polissage de la première face qui est alors plane ou cylindrique de section droite circulaire, et l'application de forces de déformation:Comprend la coopération d'un organe de support et de deux parties marginales de la plaque ( 22) en direction sensiblement pa- rallèle aux génératrices. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la formation d'une plaque d'épaisseur variable ( 22) comprend l'usinage mécanique de la seconde face de la plaque. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'usinage mécanique est réalisé par fraisage, rabo- tage ou usinage par électro-érosion. 4 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la formation de la plaque par usinage mécanique comprend la formation d'une plaque ayant, sur la seconde face, un profil à échelons. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la formation d'une sur- face réfléchissante comprend le polissage de la première surface alors qu'elle est plane. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'application de forces de déformation comprend l'encastrement des deux côtés de la plaque parallèlement aux génératrices dans deux organes de maintien ( 24, 26), et l'application de forces de rappro- chement ou d'éloignement aux deux organes de maintien, à distance de la plaque, en direction sensiblement parallèle à celle-ci et perpendiculaire aux génératrices. 7 Miroir cylindrique, caractérisé en ce qu'il est réalisé par mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quel- conque des revendications précédentes et en ce qu'il com- prend': une plaque cylindrique rectangulaire ( 22) d'épais- seur variable, de section par un plan perpendiculaire aux génératrices des deux faces qui est identique à elle-même, deux organes de maintien ( 24, 26) fixés aux deux bords de la plaque et qui sont parallèles aux génératrices, et un organe ( 14, 20) d'application de forces des- tiné à écarter ou rapprocher les deux organes de maintien ( 24, 26) à distance de la plaque. 8 Miroir selon la revendication 7, caractérisé en ce que la plaque ( 22) a, à sa seconde face, un profil à échelons. 9 Appareil d'irradiation, caractérisé en ce qu'il comprend une source lumineuse formant un faisceau d'énergie de faible divergence, et un miroir cylindrique réalisé par mise en oeuvre d'un-procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que la source d'énergie est un générateur laser, ayant un faisceau dont la répartition d'énergie dépend du mode de fonctionnement, l'appareil comporte en outre un miroir cylindrique de section droite circulaire destiné à former 252 & 585 une ligne de focalisation, et le miroir correcteur est réalisé de manière que, dans le plan de focalisation du miroir cylindrique, la variation de densité d'énergie le long de la ligne de focalisation ait une valeur déterminée. 11 Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend un second miroir cylindrique correcteur, et l'épaisseur variable des miroirs correcteurs est calculée de manière que la densité d'énergie par unité de surface soit constante dans un plan déterminé.