Brevet FR2542140A1 — publié le 19840907

Appareil de type laser pulsé à solide. L'invention est relative à un appareil de type laser pulsé à solide comportant un ensemble d'alimentation et une tête-laser reliée à cet ensemble. L'invention concerne plus particulièrement les lasers de type YAG (c'est à dire à grenat d'yttrium aluminium dopé au néodyme , en abréviation YAG), les lasers à Rubis , où les lasers à verre dopé au néodyme. L'invention a pour but, surtout, de fournir un appareil de type laser pulsé qui soit d'une construction peu emcombrante, économique et robuste, et dont la mise en oeuvre soit simple, un tel appareil étant destiné, en particulier, à l'enseignement et à des applications telles que microperçage et micro soudaqe. Selon l'invention, un appareil de type laser pulsé à solide notamment du type à YAG ou à Rubis ou au verre dopé au néodyme, comportant un ensemble d'alimen- tation et une te te laser reliée à cet ensemble est caractérisé par le fait qu'il comporte un système de refroidissement de la tête laser à circulation forcée d'air, combiné avec une basse fréquence des éclairs laser, cette fréquence étant notamment égale ou inférieure à 1 Hz. Le système deretroidissement à circulation forcée d'air comporte avantageusement un compresseur destiné à établir la circulation forcée d'air de refroidissement dans la tête laser, ce compresseur étant placé dans l'ensemble d'alimentation et le refoulement du compresseur étant relié par un conduit flexible à une entrée d'air de refroidissement prévue sur la tête laser. Le compresseur peut être du type à membrane. Au moins une paroi de l'ensemble d'alimentation comporte des trous de passage pour l'air aspiré par le compresseur. Selon un autre aspect de l'invention, un appareil de type laser pulsé à solide, notamment à YAG, ou à Rubis ou à verre dopé au néodyme, comportant un ensemble d'alimentation et une tête laser est caractérisé par le fait que la tête laser comporte, pour le pompage optique au moins une lampe à décharge en verre rempli de gaz rare (notamment krypton ou xénon), dont le diamètre est inférieur à 5 mm et de préférence inférieure à 4 mm. La longueur de la lampe à décharge est inferieure à 60 mm, de préférence inférieure à 50 mm. Cette lampe à décharge est avantaqeusement du type de celles utilisées dans les flashes d'dppareils photographiques. Deux lampes à décharge peuvent être prévues et disposées de manière diamétralement opposées par rapport à l'axe du barreau YAG ou analogue, les axes de ces lampes étant parallèîesà celui du barreau et à proximité de ce barreau. On prévoit, pour chaque lampe à décharge, une bobine d'amorçage propre à créer une décharge entre une électrode de cette lampe et une boucle ouverte enroulée autour de la lampe à une distance de ladite électrode inférieure à la moitié de la longueur de la lampe, cette décharge d'amorçage entraînant la décharge d'un condensateur branché aux électrodes de la lampe et l'obtention de la décharge utile.En c-ombinant les caractéristiques énumérées ci-dessus, on peut obtenir un appareil dont l'ensemble d'alimentation a des dimensions inférieures à 350 x 300 x 150 mm, tandis que la tête laser a des dimensions inférieures à 200 x 75 x 60 mu, et qui pennet cependant d'obtenir des éclairs laser dont l'énergie peut être de l'ordre de 0,25 joule L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier, mais non limitatif, donnée avec référence aux dessins annexés. La figure 1, de ces dessins, est une vue schématique avec parties en perspective et partis arrachées et coupées d'un appareil de type laser pulsé à solide selon l'invention. La figure 2, enfin, est un schéma de principe des circuits d'amorçage des lampes à décharge. En se reportant à la figure 1, on peut voir un appareil du type laser pulsé à solide, plus précisément du type laser à YAG, comportant un ensemble d'alimentation A et une tête laser B reliée à cet ensemble I1 comporte un système de refroidissement R de la tête laser B à circulation forcée d'air, combiné avec une basse fréquence des éclairs laser, cette fréquence étant notamment inférieure ou égale à 1 Hz. Ce système de refroidissement comporte un compresseur 1, placé dans le boîtier 2, de forme parallelépipédique, de l'ensemble d'alimentation A ; le refoulement 3 du compresseur est relié par un conduit flexible 4, notamment formé par un tuyau en matière plastique, à une entrée 5 d'air de refroidissement prévue dans la tête laser B. Au moins une paroi du boîtier de l'ensemble A comporte des trous de passage 6 pour l'air aspiré par le compresseur 1. L'ensemble d'alimentation A comprend un sousensemble électronique notamment monté sur des cartes 7,8 faites pour la commande de lampes à décharge destinées au pompage optique. La liaison électrique entre les cartes électroniques 7, 8 et les éléments, tels que des lampes à décharne, situés dans la tête laser B est assurée par des fils électriques 9 entourés d'un isolant de protection ; ces fils 9 et le conduit flexible 4 sont disposés dans une même gaine de protection 10 tubulaire flexible reliant l'ensemble A à la tête B. La face avant de l'ensemble A comporte divers boutons et interrupteurs de commande. L'interrupteur général de l'alimentation,élec- trique est désigné par 11 ; 12 désigne l'interrupteur pour commander la marche ou l'arrêt de la haute tension. Un commutateur 13 est prévu pour le fonctionnement automatique (production des éclairs laser automatiquement à une fréquence déterminée) ou pour le fonctionnement manuel (production de l'éclair laser par commande manuelle) de l'appareil. Lorsque le commutateur 13 est sur la position 'manuel", l'éclair laser peut être déclenché en appuyant sur un bouton poussoir 14 ; une prise 15 de télécommande est prévue pour assurer à distance le déclenchement manuel de l'éclair laser par exemple à l'aide d'une télécommande à poire.Un bouton de réglage v d'un potentiomètre permet de régler la haute tension-à la valeur souhaitée, qui peut~atteindre 800 volts ;-un voltmètre 16 dont le cadran et l'aiguille apparaissent sur la face avant de l'ensemble A permet de suivre le réglage effectué avec le bouton v. Un autre bouton f de potentiomètre permet le réglage de la fréquence des éclairs laser lors du fonctionnement automatique. La tête laser B comporte un boîtier 17 dans lequel est placé un montage cylindrique 18 à l'intérieur duquel sont placées deux lampes à décharge 19, 20 pour le pompage optique et, dans l'axe du montage 18, un cristal 21 de YAG, sous forme de barreau cylindrique, dans lequel'a lieu l'effet laser. Le montage 18 comprend un corps central 18a cylindrique par exemple en aluminium ou en alliage léger, aux extrémités duquel sont fixées, de manière démontable, deux têtes 18b, 18c, également en alliage léger. Chaque tête 18b, 18c en forme de bouchon cylindrique comporte un alésage axial m traversant la tête de part en part. Les extrémités intérieures de ces deux alésages m alignés sont destinées à servir de logement- -et de support aux-extirémités axiales du barreau 21. Deux autres alésages n et p, dont les axes sont parallèles à celui de l'alésage met diamétralement opposés, sont prévus dans les têtes 18b, 18c. Les extrémités intérieures de ces alésages n et p servent de logement et de support aux extrémités des lampes à décharge 19 et 20. La surface cylindrique intérieure du corps central 18a est tangente ou sensiblement tangente à la surface extérieure des enveloppes en verre des lampes 19 et 20. Le montage 18 est maintenu dans le boîtier 17 par des moyens de support non représentés sur le dessin. Chaque tête 18b, 18c, comporte, sur sa face tournée vers le corps 18a, un évidement e formant chambre entourant les alésages n, m, p. L'évidement e de la tête 18b est relié par un passage 22 à l'entrée d'air 5, tandis que 11 évidement e de la tête 18c est relié, par un passage semblable, à un raccord 23 de sortie d'air vers l'atmosphère. Une plaque de jonction , en matière plastique ou en matière élastomère, est prévue entre chaque tete 18b, 18c et le corps 18a et est traversée de maniere étanche par les lampes 19, 20 et le barreau 21 ; chaque plaque g a la forme d'un disque. Des joints toriques t sont prévus autour du barreau 21 et des lampes 19, 20 dans l'évidement e.Les zones de chaque plaque j comprises radialement entre le barreau 21 et les lampes 19, 20 comportent des trous v pour le passage de l'air de refroidissement. La circulation de l'air de refroidissement s'effectue donc par le passage 22 en direction de l'évidement e de la tête 18b ; l'air passe par les trous v de la plaque j située entre 18b et 18a, puis s'écoule à l'intrieur du corps central 18a parallèlement à la direction longitudinale de l'axe du barreau vers l'autre tête 18c. L'air passe par les trous v de la plaque j située entre 18a et 18c, puis est évacué de l'évidement e vers le raccord 23 à l'atmosphère. Les lampes à décharge 19, 20, sont en verre rempli de gaz rare (krypton ou xénon) et ont un diamètre extérieur inférieur à 5 mm et de préférence inférieur à 4 mm, pour une longueur inférieure à 60 mm, de préférence inférieure à 50 mm De telles lampes à décharge sont généralement utilisées dans les flashes électroniques d'appareil photo. Les lampes 19, 20 sont munies, à leurs extrémités longitudinales, d'électrodes 19a, 19b et 20a, 20b auxquelles est appliquée une haute tension électrique pour l'établissement d'une décharge ; cette décharge est amorcée à l'aide de bobines 24, 25, montées dans le boîtier 17 de la tête B et reliées à une électrode l9a, 20a et à une boucle ouverte 26, 27 formée par enroulement d'un bout de fil électrique autour de l'en- veloppe de verre des lampes l9 et 20. La boucle ouverte 26, 27 est située à une distance de l'électrode 19a, 20a, inférieure à la moitie de la longueur de la lampe 19, 20. Des explications complémentaires seront données plus loin à ce sujet avec référence à la figure 2. Les fils des branchements des lampes 19 et 20 passent par les alésages n et p. Les lampes 19 et 20 sont disposées avec leurs axes parallèles à celui du barreau 21 et sont situées à proximité de ce barreau. La cavité résonnante, pour la production de l'effet laser, est formée entre d'une Dart un miroir plan 28 à réflexion totale monté sur une platine 29 liée au boîtier 17 par des moyens de support 30 réglables permettant de placer le plan du miroir 28 perpendiculairement à l'axe du barreau 21,et d'autre part un autre miroir 31, à réflexion partielle (réflexion à 30 % par exemple) prévu sur la face transversale du barreau 21 la plus éloignée du miroir 28. Ce miroir 31, partiellement transparent, permet la sortie du rayon laser. En se reportant à la figure 2, on peut voir le schéma de principe des circuits d'amorçage des lampes à décharge 19, 20. Les deux bobines d'amorçage 24, 25, ont des enroulements primaires 24a, 25a, branchés en parallèle à deux bornes d'alimentation du sous-ensemble électronique 7,8-L'elroulement secondaire 24b de la bobine 24 est relié respectivement à l'électrode 19a de la lampe 19 et à la boucle ouverte 26 enroulée autour de ltenveloppe de verre de cette lampe 19. L'enroulement secondaire 25b est branché entre l'électrode 20a de la lampe 20 et,la boucle ouverte 27. Deux condensateurs 32, 33, sont branchés,respectivement, aux électrodes 19a, 19b de la lampe 19 et 20a, 20b, de la lampe 20. Les électrodes 19b, 20b négatives et les bornes négatives correspondantes des condensateurs 32, 33 sont reliées par un conducteur commun 34 à une borne du sous ensemble électronique 1;8.Les électrodes positives 19a, 20a, des lampes, et les bornes positives correspondantes des condensateurs 32, 33 sont reliées par des conducteurs respectifs 35, 36 à une borne appropriée du sous-ensemble électronique 7,8. Lorsqu'une impulsion est commandée, une tension d'amor çage apparaît entre les électrodes 19a, 20a, et les boucles corresponddntes 26,27; cette tension provoque une décharge d'amorçage entre l'électrode et la boucle associée ce qui permet l'établissement de la décharge utile entre les électrodes 19a, 19b et 20a, 20b par décharge des condensateurs 32, 33. Cette décharge provoque un pompage optique dans le barreau 21 conduisant à l'effet laser et à I'émission d'un rayon laser suivant la direction a de la f-igure 1. Le refroidissement par circulation forcée d'air, qui est d'une mise en-oeuvre simple, permet, en dépit des dimensions particulièrement réduites de l'ensemble d'alimentation A (dimensions inférieures ou égales à 350 x 300 x 150 mm) et de la tête laser B (dimensions inférieures ou égales à 200 x 75 x 60 mm) de produire des éclairs laser ayant une énergie de l'ordre de 0, 25 joule- à une fréquence de l'ordre de -0,5 Hz sans échauffement préjudiciable du barreau 21.Les lampes à décharge '19, 20, de dimensions particulièrement réduites é couramment disponibles dans le commerce, permettent de réaliser un tête B de faibles dimensions,à un prix de revient abordable. Dans un ex-emple de réalisation, construit con formément à l'invention, l'ensemble d'alimentation A a pour dimensions 300 x 250 x 106 mm, tandis que la tête laser Bà YAG a pour dimensions 200 x 72x 56 mm, pour une énergie moyenne de 0,25 joule par ,éclair -laser et une fré quence d'éclair de,l'ordre de 0,5 Hz. Un tel appareil peut être aisément transporté. I1 permet d dteffectuer des opérations de microperçage et de microsoudage. REVENDICATIONS 1. Appareil de type laser pulsé à solide notamment de type YAG comportant un ensemble d'alimentation et une tête laser reliée à cet ensemble, caractérisé par le fait qu'il comporte un système de refroidissement (R) de la tête laser (B) à circulation forcée d'air, combiné avec une basse fréquence des éclairs laser, cette fréquence étant notamment égale ou inférieure à 1 Hz. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le système de refroidissement à circulation forcée d'air comporte un compresseur (1) destiné à établir la circulation forcée d'air de refroidispsement dans la tête laser, ce compresseur étant placé dans l'ensemble d'alimentation (A) et le refoulement (3) du compresseur étant relié par un conduit flexible (4) à une entrée (5) d'air de refroidissement prévue sur la tête laser. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, ca caractérisé par le fait que le compresseur (1) est du type à membrane. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications précedentes, caractérisé par le fait que la circulation d'air de refroidissement s'effectue suivant la direction longitudinale de l'axe du barreau (21) de YAG ou analogue. 5. Appareil laser dû type pulsé à solide, notamment de type YAG, comportant un ensemble d'alimentation et une tête laser, caractérisé par le fait que la tete laser (B) comporte, pour le pompage optique, au moins une lampe à décharge (19, 20) en verre rempli de gaz rare (notamment krypton ou xénon), dont le diamètre est inférieur à 5 mm et en particulier inférieur à 4 mm. 6. Appareil laser de type pulsé à solide, notamment dé type YAG, comportant un ensemble d'alimentation et une tête laser reliée à cet ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la tête laser (B) comporte pour le pompage optique, au moins une lampe à décharge (19, 20) en verre rempli de gaz rare (notamment krypton ou xénon), dont le diamètre est inférieur à 5 mm et en particulier inférieur à 4 mm. 7. Appareil selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait que la longueur de la lampe à décharge (19, 20) est inférieure à 60 mm notamment inférieure à 50 mm. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que dans la tête laser (B) , deux lampes à décharge (19, 20) sont disposées de manière diamétralement opposéesDar rapport à l'axe du barreau YAG (21) ou analogue, les axes de ces lampes étant parallèles à celui du barreau et à proximité de ce barreau. 9. Appareil selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé par le fait qu'il comprend, pour chaque lampe à décharge (19, 20), une bobine d'amorçage (24, 25) propre à créer une décharge entre une électrode (19a, 20a) de cette lampe et une boucle ouverte (26, 27) enroulée autour de la lampe à une distance de ladite électrode (19a, 20a) inférieure à la moitié de la longueur de la lampe, cette décharge d'amorçage entraînant la décharge d'un condensateur (32, 33) branché aux électrodes (19a, 19b; 20a, 20b) de la lampe et l'obtention de la décharge utile. 10. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'en-' semble d'alimentation (A) a des dimensions inférieures à 350 x 300 x 150 mm , tandis que la tête laser a des dimensions inférieures à 200 x 75 x 60 mm, tout en permettant d'obtenir des éclairs laser dont l'énergie est de l'ordre de 0,25 joule par éclair.