Brevet FR2559590A1 — publié le 19850816

L'invention concerne un système et un procédé de transmission d'un faisceau laser et plus particulièrement la transmission d'énergie laser par une opti4ue à fibres à des niveaux de puissance suffisamment élevés pour des fins de fabrication. Llassiquement, on utilise pour transmettre un faisceau laser dans un but de travail des matériaux, un ensemble de miroirs et de prismes pour orienter le faisceau. Une augmentation de la souplesse d'orientation d'un faisceau laser est possible lorsqu'un faisceau laser traverse une optique à fibres. Cette souplesse améliore l'accès aux e ] b- placements difficiles sur une pièce pendant la fabrication. Des opérations telles que perçage, coupe, soudage, traitement thermique sélectif et surfaçage par laser sont possibles avec un laser éloigné du poste de travail. On a transféré l'énergie laser le long d'une optique à fibres dans des buts de communications et de chirurgie pour des applications médicales. Dans les deux cas, le faisceau laser est une onde continue et on n'a pas dépassé des niveaux de puissance moyenne de 100 watts. On a transmis par optique à fibres jusqu'à 20 watts de puissance d'onde continue à partir d'un laser à COZ qui a une longueur d'onde de 10,6 micromètres dans l'infrarouge éloigné. On a atteint le niveau de 10u watts de puissance d'onde continue pour un -laser qui a une longueur d'onde de 1,06 micromètre dans l'in frarouge proche. On a utilisé seulement le laser au C02 avec une optique à fibres pour le travail des matériaux avec des applications telles que la gravure et la coupe de tissus.Les puissances de crête ou moyennes ne sont pas suffisantes pour le soudage, la coupe, le perçage et le traitement thermique des métaux à des coûts intéressants. L'optique à fibres pour laser à CO2 qui est composé de bromure thaileux et d'indure thalleux est capable d'une transmittance de 55 pour cent pour une longueur d'onde de 10,6 micromètres et nécessite un refroidissement à ce niveau de transmissivité. Le laser YAG-néodyme, une source d'énergie de 1,06 micromètre de longueur d'onde, a fourni une puissance moyenne d'onde continue de 100 watts pour des applica tions chirurgicales. Ces niveaux de puissance conviennent pour des travaux de métaux limités mais n'ont pas été utilisés.Des puissances de crête supérieure à 1000 watts seraient beaucoup plus souhaitables pour le travail des métaux. L'énergie laser est reliée à une optique à fibre unique qui est utilisée comme un guide de lumière pour fournir une énergie d'impulsion suffisante à une pièce pour le travail des matériaux. Un faisceau laser engendré par un laser à semi-conducteur YAG-néodyme, ou tout autre laser qui fonctionne en mode pulsé et qui a une longueur d'onde dans le spectre infrarouge proche et le visible, est focalisé sur une extrémité du coeur de l'optique à fibres, de préférence faite en quartz. L'énergie avec une puissance de crête dans la gamme du kilowatt traverse la fibre vers l'extrémité de sortie.Le faisceau laser émergeant est focalisé sur la pièce à une densité de puissance suttisamment élevée pour des opérations de fabrication telles que le perçage, la coupe, le soudage, le traitement thermique et le traitement de surface par laser. Le système comporte une lentille qui focalise le faisceau laser vers un emplacement de petite taille dont le diamètre est inférieur au diamètre du coeur de l'optique à fiores; l'ouverture numérique est telle que l'angle inclus uu faisceau focalisé est- inférieur à environ 240. Dans un mode de réalisation spécifique, la liaison a lieu au moyen d'un dispositif de support en cuivre ou en or qui réflécnit l'énergie laser et empêche l'énergie diffuse de pénétrer l'enrobage de l'optique à fibres et de le fondre. On enlève cet enrobage à l'extrémité de la fibre et la fibre est reçue dans le dispositif de support.Un deuxième mode de réalisation pour des niveaux ae puissance moyenne allant jusqu'à 250 watts comporte un autre dispositif de liaison d'entrée. On a enlevé l'enrobage et la gaine à l'extrémité de la fibre et seulement la gaine dans la section voisine, et l'extrémité ainsi préparée est montée dans un support en verre. Un système de lentille placé à la sortie recoîlimate et refocalise le faisceau laser sur la pièce. Cette invention constitue- un système de transmission souple d'un faisceau laser avec le minimum de pertes optiques et augmente les degrés de liberté pour la manipula tison (L'un faisceau laser. Elle est particulièrement intéressante pour les travaux des métaux avec commande par robot. La description qui suit se réfère aux figures annexées qui représentent, respectivement - Figure 1, un diagramme du système de laser relié à une optique à fibres utilisé pour appliquer l'énergie laser à une pièce métallique; - Figure 2, une coupe longitudinale de l'optique à tibres qui montre le passage au faisceau laser le long du coeur; - Figure 3, un mécanisme d'entrée perfectionné pour transmettre aes 4uantités plus importantes de puissance moyenne dans l'optique à fibres. On utilise le système de transmission d'énergie laser des figures pour travailler les métaux et d'autres matériaux. On a transmis aes niveaux de puissance moyenne de l'ordre de 250 watts et des puissances de crête de plusieurs kilowatts par une optique à fibre unique. On fait fonctionner en mode pulsé un laser YAG-néodyme qui a une longueur d'onde dans l'infrarouge proche. D'autres lasers à semiconducteurs qui conviennent sont le laser à rubis avec une longueur d'onde de 680 nanomètres et le laser à alexandrite avec une longueur d'onde de 630-730 nanomètres, toutes les aeux dans le spectre visible. Toutes les longueurs d'onde visibles et de l'infrarouge proche sont transmises par une optique à fibres en quartz sans faire fondre le quartz.On recommande ce type d'optique à fibres parce que la fibre est souple, qu'on peut étirer le quartz en fibres longues et que c'est un matériau pur; les impuretés tendant à absorber de l'énergie. Le système comporte des dispositifs pour guider l'énergie laser dans la fibre et focaliser le faisceau sortant de la fibre jusqu'à une densité de puissance suffisante pour le travail des matériaux. Figure 1, un laser YAG-néodyme 10 utilisé en mode pulsé est relié à une optique à fibres 11 en quartz fondu de 1000 micromètres de diamètre par focalisation au faisceau laser 12 sur l'extrémité de la fibre par une lentille 13. Pour que l'énergie laser entre dans la fibre, deux conditions sont nécessaires. Premièrement, l'emplacement de petite taille dans le plan focal doit avoir un diamètre inférieur au diamètre au coeur en quartz 14. Deuxièmement, l'ouverture numérique de la fibre optique est telle que l'angle inclus du faisceau focalisé (analogue à un angle de cône) est inférieur à 22-24 . Pour avoir de meilleurs résultats l'extrémité du coeur 14 est meulée pour être optiquement plate et porte un revetement antiréfléchissant 15. La liaison a lieu au moyen d'un dispositif de support 16 en cuivre qui a une ouverture pour recevoir la fibre 11. On enlève l'enrobage de silicium transparent 17 sur une longueur d'environ 0,63 cm à partir de l'extrémité de la fibre. Le dispo- sitif de support en cuivre 16 contribue à protéger l'enrobage de la fibre contre toute énergie diffuse du laser qui ne pénètre pas dans l'extrémité de la fibre et empêche la fusion de ltenrobase. Le cuivre tend à réfléchir l'énergie laser de longueur onde 1,O6 micromètres à des niveaux de puissance mociérés. L'or serait un matériau plus approprié, étant plus réfléchissant. En liaison avec la vue en coupe de l'optique à fi bres 11 de la figure 2, on a représenté la propagation du faisceau laser le long du coeur en quartz 14 suivant un trajet en zig-zag et sa réflexion à l'interface avec l'enrobage en silicium 17. L'optique à fibres comporte une saine en nylon 18. Si on utilise une optique à fibres de quartz fondu avec un enrobage en verre, la souplesse de la fibre diminuera mais sa capacité de transport de puissance augmentera puis4ue le verre est transparent pour la longeur d'onde 1,06 micromètres, diminuant ainsi le risque de dégats potentiels de l'enrobage. La fibre a un diamètre intérieur à 1 milli- mètre; les fibres ae plus grandes dimensions étant moins souples. Après transmission de l'énergie laser dans l'opti- que à fibres 11, on utilise un agencement de lentilles 19, 20 pour collimater et focaliser le faisceau laser. Le faisceau émergeant à l'extrémité de sortie de l'optique à fibres a tendance à s'étaler. On recollimate le faisceau par la lentille 19 et on le refocalise par la lentille 20 sur la pièce métallique 21. La densité de puissance du faisceau focalisé au plan focal est suffisante pour différents travaux au métal. On peut faire passer le faisceau laser à travers une plaque de verre 22 pour protéger les lentilles contre toute vapeur métallique. Un revêtement anti-réfié- crissant sur les trois lentilles augmente la transmissivîté. On a transmis des niveaux de puissance moyenne allant jusqu'à 155 watts. Avec une largeur d'impulsion de 0,6 millisecondes et une fréquence de 30 impulsions par seconde, on a atteint une gamme ae puissance de crête de 4000 à o000 watts. Après focalisation de ce faisceau à la sortie de la fibre optique on a atteint des densités de puissance de 106 107 watts/cm2 > capables de perçage et de coupe. On a transmis les 155 watts d'énergie laser pulsée sans atténuation décelable avec un rayon de courbure supérieur à 200 millimètres, la transmittance pour une longueur d'onde de 1,06 micromètres est de 87 pourcent.On a focalisé le faisceau laser à la sortie de l'optique à fibres sur une pièce d'Inconel 718 épaisseur de 0,75 millimètres avec pour résultat le perçage et la coupe du matériau. Le diamètre des lentilles de sortie 19, 20 doit être beaucoup plus petit que représenté, ce qui a pour résultat d'avoir une extrémité de sortie beaucoup plus facile à déplacer. On peut meuler l'extrémité de la fibre pour qu'elle soit une lentille ou une partie de lentille ou on peut fixer un élément séparé à la fibre. Le mécanisme d'entrée de la figure 1 ne permet d'obtenir que des puissances moyennes d'énergie laser allant jusqu'à 155 watts, ce qui n'est pas suffisants pour tous les travaux; les limitations thermiques dues à la liaison d'entrée interdisent des puissances plus élevées. Le dispositif de liaison perfectionné de la figure 3 permet de transmettre jusqu'à 250 watts de puissance moyenne dans l'optique à fibres. On enlève du bout de la fibre l'enrobage de silicium 17 et la gaine 18 sur 2 cm. Dans la section voisine on enlève juste la gaine sur une distance égale. ensuite on place cette extrémité préparée dans un support en PyrexR 23 et on la met dans le plan focal du laser. L'extrémité préparée permet la liaison du faisceau dans deux zones, coeur-air et coeur-enrobage.La première zone permet au faisceau incident fortement divergent de pénétrer dans la fibre 11 avec un angle d'acceptance plus grand réalisé par l'inter-face coeur-air. La deuxième zone fournira des réflexions supplémentaires pour assurer la transmission de l'énergie lumineuse collectée. La troisième zone avec coeur, enrobage et gaine réalise une protection robuste pour le maniement de la fibre. On a transmis des puissances moyennes allant jus qu'à 250 watts dans une fibre d'environ cinq métres de long. On a atteint avec une largeur d'impulsion de 0,2 millisecondes et une fréquence de 200 impulsions par secondes, une puissance de crête de l'ordre 5000-9000 watts. Après focalisation du faisceau à la sortie de l'optique à fibres, on atteint des densités de puissance de (106 -107 watts/cm2) permettant le perçage et la coupe. On peut transmettre l'énergie d'un laser YAG-néodyme pulsé au moyen d'une optique à fibres d'l millimètre sans atténuation décelable avec un rayon de courbure de fi bre supérieur à 100 millimètres. Pour un rayon de 100 mil iimètres, la transmittance est de 90 pour cent pour une longueur d'onde de 1,6 micromètres. On a percé et coupé une pièce de titane 6A1-4V de 154 millimètres d'épaisseur. Avec la possibilité de transmettre des puissances moyennes plus élevées, le système se prête beaucoup mieux à l'industrie de travail des matériaux. L'avantage principal du système de transmission laser- optique à fibres tient à l'augrentation de la souplesse du faisceau. On augmente les degrés de liberté dans la manipulation du faisceau laser. Avec l'optique à fibres qui a fondamentalement un poids léger, on déplace rapidement le faisceau laser dans pratiquement n'importe quelle direction. La possibilité de placer le laser loin du poste de travail est un avantage supplémentaire de la transmission d'Wl faisceau laser par un guide de lumière tel qu'une optique à fiores. La souplesse inhérente au système de transmission d'un faisceau laser par optique à fibres le rend aussi très attractif pour le travail des matériaux par laser avec commande par robot. R}sVtNDICÂTIONS 1. Procédé de transmission énergie laser pour effectuer des opérations de fabrication, caractérisé en ce qutil consiste à - engendrer un faisceau laser pulsé (i2j ayant une longueur d'onde dans l'infrarouge proche ou le visible; - focaliser ce faisceau laser vers un emplacement de petite taille sur l'extrémité d'un coeur (14) d'une optique à fibre unique (11), - transmettre l'énergie avec une puissance de crête du kilowatt au moyen de optique à fibres; et - refocaliser le faisceau émergeant sur une pièce (21) avec une densité de puissance suffisante pour le travail au matériau. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau laser est focalisé vers un emplacement de petite taille dont le diamètre est inférieur au diamètre du coeur et en ce que l'ouverture numérique est telle que le faisceau focalisé a un angle inclus inférieur à environ 240. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité de l'optique à fibres est optiquement plate et comporte un revêtement antiréfléchissant (15) pour améliorer la liaison avec l'énergie. 4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les niveaux-de puissance moyenne jus4u'à environ 250 watts sont transmis par l'optique à fibres. 5. Système industriel de transmission d'énergie laser, caractérisé en ce qu'il comprend - un laser (10) fonctionnant en mode pulsé qui produit un faisceau laser (12) ayant une longueur d'onde dans l'infrarouge proche ou le visible; - une optique à fibres (11) ayant un coeur (14) en quartz et un enrobage (17); - un moyen (13) pour focaliser ce faisceau laser vers un emplacement de petite taille sur l'extrémité du coeur en quartz (14), l'optique à fibres transmettant aes puissances de crête supérieures à un kilowatt vers l'extre- riité de sortie; et - aes moyens (19, 20) pour coliir.ater et localiser le faisceau laser émergeant sur une pièce (21) pour effectuer un traitement de matériau. 6. système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le laser est choisi dans le troupe constitué par les lasers YAG-néodyme, les lasers à rubis ou les lasers à alexanarite. 7. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un dispositif de support (16) de l'extrémité de l'optique à fibres (11) réfléchit le faisceau laser et empêche le faisceau diffus de pénétrer dans l'enrobage (17). 8. Système selon la revendication S, caractérisé en ce que l'enrobage (17) à une extrémité de l'optique à fibres (il) est enlevé et que l'optique à fibres est reçue dans une ouverture d'un dispositif de support t16) fait en un métal tel que le cuivre et l'or qui réfléchit le faisceau iaser et empêche la fusion de l'enrobage (17). 9. Sytème selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'enrobage (17) et une gaine (18) se trouvant sur lui sont enlevé d'une extrémité de l'optique à fibres sur une courte longueur et que seulement la gaine (18) est enlevée åans la section voisine, et que l'extrémité de la fibre ainsi préparée est montée dans un support en verre (23). 10. Système industriel de transmission d'énergie laser, caractérisé en ce qu'il comporte - un laser YAG-néodyme fonctionnant en mode pulsé qui fournit un faisceau laser (12) de lonbueur d'onde 1,06 micromètres; - une optique à fibre unique (11) ayant un coeur en quartz fondu (14), un enrobage (17) et une gaine (18); - une lentille (13) qui focalise le faisceau laser sur une extrémité au coeur de l'optique à fibres vers un emplacement de petite taille dont le diamètre est inférieur au diamètre du coeur, l'ouverture numérique étant telle que l'angle inclus du faisceau focalisé est inférieur à 240;; - l'optique à fibres servant de guide de lumière qui transmet la puissance de crête dans la gamme au kilowatt vers l'extrémité de sortie; et - un système de lentilles (19, 20j qui collimate et focalise le faisceau laser sur une pièce (21) pour effectuer un travail de métal. 11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'enrobage (17) et la gaine (18j sont enlevés à une extrémité de l'optique à fibres (11) et que l'optique à fibres est reçue dans une ouverture d'un dispositif de support (16) en cuivre qui réfléchit le faisceau laser et empêche la lumière diffuse de fondre l'enrobage. 12. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'enrobage (17) et la gaine (18) sont enlevés sur une courte longueur d'une extrémité de l'optique à fibres et que seulement la gaine est enlevée sur une longueur à peu près égale dans la section voisine, et que l'extrémité de la fibre ainsi préparée est placée dans un support en verre (23). 13. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'enrobage (17) de l'optique à fibres (11) est du silicium transparent. 14. Système selon la revendication Ip, caractérisé en ce qu'une extrémité de l'optique à fibres à laquelle le faisceau laser est reliée est optiquement plate et a un revêtement anti-réfléchissant (15).