Brevet FR2530878A1 — publié le 19840127

La présente invention est relative à un procédé pour moduler un faisceau laser On connaút actuellement différents types de lasers à grande puissance Toutefois, parmi les divers types existants, seuls les lasers moléculaires à CO 2 présentent une robustesse et un rendement suffisants pour permettre leur application industrielles Ces lasers, dont la puissance peut atteindre Plusieurs dizaines de kilowatts, sont cependant conçus o 10 pour fonctionner en continu; ils ne sont pas utilisables lorsque l'on a besoin d'un faisceau de grande puissance modulé, comme par exemple pour le traitement superficiel de pièces métalliques ou le découpage par impulsions En outres la modulation de faisceaux de puissance élevée présente de sérieux inconvénients thermiques et mecaniques. On connaút bien entendu différents moyens permettai de moduler un faisceau laser. Un premier moyen consiste à faire varier électri- quement le courant électrique d'excitation du tube émetteur; le temps de réponse est cependant trop long, et il n'est pas possibles par ce moyen, de moduler le faisceau au-delà de 1 000 variations par secondes 1 existe également des modulateurs optiques, tels que des miroirs vibrants, ainsi que des modulateurs électro-optiques ou opto-acoustiques Ils ne sont cependant pas toujours utilisables, en raison de sérieux problèmes de dissipation de chaleur dès que la puissance du faisceau est supérieure à environ 100 W Les miroirs vibrants, par exemple, doivent être refroidis par eau, ce qui implique une masse élevée et limite la fréquence de vibration du miroir et par conséquent, la fréquence de modulation des faisceaux lasers. Un autre moyen connu consiste à utiliser un disque tournant dans le faisceau et percé d'orifices ou pourvu de créneaux à sa périphérie, qui laissent passer partiellement ou complètement le faisceau laser, lequel est ainsi haché avec une fréquence dépendant de la vitesse de rotation du disque. Avec ce type connu de disque perforé, une partie importante de l'énergie du faisceau laser est cependant inutilisable, éar elle est soit réfléchie, soit absorbée par la partie opaque du disque séparant les perforations successives. Ce système présente également un autre inconvénient grave dans le cas o il est nécessaire de moduler à très haute fréquence des faisceaux de grande puissance. A titre d'exemple, pour un faisceau de 20 mm de diamètre correspondant à une puissance de 2 k W, que l'on désire moduler à raison de 10 000 impulsions par seconde au moyen d'un disque pourvu de créneaux de 20 mm de largeur séparés par des espaces opaques de 20 mm, la vitesse périphé- rique du disque doit àtre largement supérieure à la vitesse du son dans l'air. * Le demandeur a à présent trouvé un moyen permettant d'une part d'utiliser au moins une partie de cette énergie qui, antérieurement, était perdue et d'améliorer ainsi de façon sensible le bilan énergétique de l'opération, et d'autre part, de moduler à des fréquences pouvant etre très élevées, un faisceau laser de grande puissance, au moyen d'un disque hacheur, sans que ce dernier soit soumis à des vitesses périphériques excessiveso Le procédé de modulation d'un faisceau laser, dans lequel un organe rotatif a Jouré, de préference un disque pourvu d'orifices ou de créneaux, tourne dans ledit faisceau en laissant passer par intermittence la totalité ou une partie dudit faisceau, est essentiellement caractérisé en ce que l'on utilise un organe rotatif a Jouré dans lequel les parois latérales des orifices ou des créneaux de passege du faisceau laser sont inclinées par rapport à l'axe dudit faisceau, de façon à dévier au moins une partie dudit faisceau, pendant la phase d'interception de ce dernier, vers une autre zone de la cible. De façon particulièrement avantageuse, les parois latérales des dits orifices ou créneaux sont sensiblement parallèles entre elles, de façon à déporter la zone d'impact du faisceau dévié sur la cible soit en avant, soit en arrière de la zone traitée par le faisceau non dévié, de façon à assurer, selon le sens du déplacement relatif de l'organe rotatif ajouré et de la cible, soit un préchauffage, soit un revenu de cette zone traitée par le faisceau non déviêe Selon une variante de mise en oeuvre particuliè- rement avantageuse dans le cas de la modulation à fréquence élevée d'un faisceau laser de grande puissance, on dispose ledit organe rotatif ajouré dans une zone o la section du faisceau est inférieure à sa section initiale, de préférence dans un cone de focalisation du faisceau. Selon une modalité de mise-en oeuvre, si le faisceau présente normalement un cone de focalisation, Par exemple en vue de concentrer l'énergie du faisceau sur une faible zone de la surface d'une pièce, l'organe rotatif a Jouré sera avantageusement disposé entre la lentille de focalisation et la pièce à traiter. Selon une autre modalité de mise en oeuvre applicable lorsque le faisceau ne présente pas de cône de focalisation, on utilisera avantageusement un système afocal, c'est-à-dire un système optique dont le point focal est rejeté à l'infini, qui focalise le faisceau puis lui rend son parallélisme initial, et on disposera alors l'organe rotatif a Jouré dans un cône de focalisation ainsi formé. La disposition de l'organe rotatif a Jouré dans une zone o le faisceau présente une section réduite permet de diminuer la dimension des perforations, orifices ou créneaux, et par conséquent, d'augmenter leur nombre et de diminuer la vitesse de rotation de l'organe rotatif a Jouré pour obtenir une même fréquence de modulation. Dans cette disposition, l'organe rotatif a Jouré est soumis h une plus grande densité d'énergie, en raison de la réduction de la section du faisceau laser. I 1 est dès lors avantageux de prévoir des moyens de protection pour éviter sa dégradation par le faisceau d'énergie. Selon un premier mode de réalisation, l'organe rotatif a Jouré peut être fabriqué en un matériau réfléchissant le faisceau, en particulier en un matériau bon conducteur de l'électricité, comme le cuivre, l'aluminium, l'acier inoxydable ou l'acier au carbone. Avantageusement, l'organe rotatif a Jouré en matériau réfléchissant peut être pourvu, au moins sur la partie de sa surface exposée au faisceau laser, d'un revêtement métallique, par exemple d'or, afin d'augmenter son pouvoir réfléchissant et/ou d'empêcher son oxydation. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'organe rotatif ajouré peut etre constitué d'un matériau absorbant; préférentiellement, seule la partie de sa surface exposée au faisceau laser et située entre les orifices ou créneaux successifs sera constituée ou revêtue d'un matériau absorbant, par exemple d'lun oxyde métallique. A cet effet, on choisira avantageusement un matériau absorbant bon conducteur de la chaleur, de façon à éviter un échauffement trop localisé de l'organe rotatif ajouré. Selon l'invention, spécialement lorsque l'organe rotatif a Jouré est disposé dans une zone o le faisceau présente une section réduite, par exemple dans un cône de focalisation, il est particulièrement avantageux de donner aux parois latérales inclinées des orifices ou créneaux un profilage tel que le plan de focalisation du faisceau réfléchi coincide avec le plan de la surface de la cible au point d'impact dudit faisceau réfléchie Selon un autre mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention, il a été trouvé avantageux d'utiliser un organe rotatif a Jouré dans lequel au moins une dimension, de préférence la largeur, des orifices ou créneaux successifs de passage du faisceau laser et/ou des parties opaques situées entre les dits orifices ou créneaux, varie de 14 U,9 'îA 4 E) ?, UOT,14 'e JOJ Il Dd Ul a P 49 -1 Si Dau-îToui ú;- o 1-ed SGT jud PT Aqp q 59 il dose-l nicavs-j- ej a-l 11-4 uewow av 49 saqoalj sel aud -4 Ua MGAI-40 adsai lanb Tpul sues el suup gavuldap 1 1 1 1 quos es al q-iv ul qe enbslp al q? ain-Tj -el -9 qu Tod nu allé ul aadduij 4 Ual A 49 uo T-4 uaojied -el SJOA Uaq 1 enbslp el OSJGA'ea 4 fi ae SUI ne GOSTUJ 01 eua ain O Tj ul suua -j enbs Tp el suup, sagnblquid a suo Tkujojjad sep salviqqul sjoid sep UOSTUUTTOUTIT 4 u-ea 4 snili e V V au 2 TI ul uoles adnoz aun aaquoui 2 ean 2 lj uq 03 -enbs Tp np ainaliadns aoujans ul -q qaoddvi aed sagu Tjoul i 4 uos esolulpa eajp-,-qso&v saluaequl sloa-ed sel quop SU 014 viojaed op e Taqs aunp n Ainod enbslp unp uvld ua an A eun a 4 uespidea 1 ain 2 lj leq -UOTI Ua AUJIT op uo T 4 us Tlupa op apom un ej 14 uldmexe ai 414 -q 94 ueu-lenb 14 umgqvs quea 4 sn IIT saaxauuu saarJ Tj sali -aasuj nuevsluj np uo 14 - vs Tluz O j op ouov el suvp 95 ods Tp 4 se panoru j Tiu 4 oa auu 2 jol euo Ti 4 ue Aull uoles eanbsiol elusaa Asuaq -,Tep 4 uuanov un aldmaxa aud laalvquemglddns 4 uemags Ip Toajea op ue Pow un 01 JIO Ag Jd op xna 2 uque A-e 9 a 4 a qned Il isioja 4 nol suup, amam-in-E au-ejaol: op qu E) ui E)Arlow al jud nell aalmaid ue panssu Ise josel nuaosjuj un u s Tmnos anofu j Tq-e 4 oa aue 2 ao 1 op JUGUISSIP Toijoi O l olqlo ul op Gvjjns ul aslwnos 4 sa lanbne 4 ueuiaiTuj 4 np a 4 îsue 4 ull equ Tod ua 4 ulod op quawanbî 4-eid eje Ti UA aalui op qemaed uolq Tsodsîp ell Gq aun - xnueueiv no savjjjao sqlp sel aud 04 TJDPP azueagjuoza To ul op ' È-uol GT ailoi 4 epî: e uoz,)-ar frapper la cible en un point 6 ', Ce point 6 ' subit donc un préchauffage ayant d'arriver à la position 6 de la figure 2 a. Il est également possible-de modifier le sens du mouvement relatif de la cible et du disque pour pratiquer au point 6 ' un revenu après le traitement en 6 o REVENDICATIONS 1 Procédé de modulation d'un faisceau laser ( 4), dans lequel un organe rotatif ajouré, de préférence un disque ( 2) pourvu d'orifices ou de créneaux ( 2), tourne dans ledit faisceau en laissant passer par intermittence la totalité ou une partie dudit faisceau ( 4) c a r a c t d r i S é en ce que l'on utilise un organe rotatif ( 2) ajouré dans lequel les parois latérales ( 1) des orifices ou des créneaux ( 2) de passage du faisceau laser ( 4) sont inclinées Par rapport à l'axe dudit faisceau, de façon à dévier au moins une partie dudit faisceau, pendant la phase d'interception de ce dernier, vers une autre zone de la cible ( 5), 2 Procédé selon la revendication 1, c a r a c t é r i S é en ce que les parois latérales ( 1, 1) desdits orifices ou créneaux ( 2) sont sensiblement parallèles entre elles. 3 Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, c a r a c t é r i S 4 en ce que l'on dispose ledit organe rotatif a Jouré ( 3) dans une zone o la section du faisceau ( 4) est inférieure à sa section initiale. 4 Procédé selon l'une ou l'autre des revendications i à 3, c a r a c t é r i S 4 en ce que l'on dispose ledit organe rotatif a Jouré ( 3) dans un cone de focalisation dudit faisceau ( 4). 5 Procédé suivant l'une ou l'autre des revendi- cations 1 à 3, c a r a c t é r i S é en ce que, si le faisceau ne présente pas de cone de focalisation, on dispose sur sa trajectoire, un système afocal qui focalise le faisceau Puis lui rend son parallélisme initial, -et en ce que l'on dispose ledit organe rotatif ajouré dans le cône de focalisation ainsi formé. 6 Procédé selon l'une ou l'autre des revendicatirns i à 5, c a r a c t é r i S é en ce que l'on utilise un organe rotatif a Jouré ( 3)constitué, au moins en partie, d'un matériau réfléchissant, au moins partiellement, ledit faisceau laser ( 4). 7 Procédé selon leune ou l'autre des revendications I h 6, c a r a c t é r i S é en ce que l'on utilise un organe rotatif a Jouré ( 3 Y aui au moins sur la partie de sa surface exposée audit faisceau laser, est pourvu d'un revetement réfléchissant, de préférence métallique. 8 Procédé suivant l'une ou l'autre des revendicatio 1 i à 5, c a r a c t ê r i S é en ce que l'on utilise un organe rotatif a Jouré ( 3) constitué, au moins partiellement, d'un matériau absorbant, au moins en partie, ledit faisceau laser ( 4). 9 o Procédé selon l'une ou leautre des revendications i à 5, c a r a c t é r i S é en ce que l'on utilise un organe rotatif a Jouré ( 3) qui, au moins sur la partie de sa surface exposée au dit faisceau laser et située entre les orifices ou créneaux successifs ( 2), est pourvu d'un revetement en matériau absorbant ledit faisceau laser. l O Procédé suivant l'une ou l Vautre des revend Ica- tions 3 et 4 et 6 à 9, c a r a c t ê r i S é en ce que l'on donne aux parois latérales inclinées ( 1, l') desdits orifices-ou créneaux ( 2), un profilage tel que le plan de focalisation du faisceau laser réfléchi coincide avec le plan de la surface de la cible au point d'impact du w faisceau réfléchi. il Procédé suivant l'une ou l'autre des revendi- cations 1 10 O, c a r a c t é r i S é en ce que l'on utilise un organe rotatif a Jouré ( 3) dans lequel au moins une dimension de préférence la largeur, des orifices ou créneaux successifs ( 2) de passage du faisceau laser, et/ou des parties opaques situées entre les dits orifices ou créneaux varie de façon aléatoire le long de la circonférence décrite par les dits orifices ou créneaux ( 2). 12 Procédé suivant l'une ou ltautre des revendi- cations i à 11, c a r a ô t d r i S é en ce que l'on renforce le refroidissement de l'organe rotatif a Jouré en le soumettant à un courant de fluide réfrigérant.