Brevet FR2562729A1 — publié le 19851011

Appareil pour échantillonner un faisceau lumineux pulsé de grande énergie, notamment un laser pulsé et application de cet appareil au réglage du faisceau lumineux. L'invention est relative à un appareil pour échantillonner un faisceau lumineux pulsé de grande énergie, notamment un laser pulsé, comportant un capteur avec un détecteur optique,notamment formé par une photodiode. L'invention a pour but, surtout, de fournir un appareil relativement simple et robuste qui permette d'effectuer un contrôle en temps réel du faisceau lumineux pulsé, notamment en vue d'un réglage efficace de ce faisceau. Selon l'invention, l'appareil du genre défini précédemment est caractérisé par le fait que le capteur comprend un boitier muni d'une ouverture destinée à être traversée, suivant son axe, par le faisceau lumineux, le détecteur optique étant monté dans une paroi latérale limitant l'ouverture et étant écarté radialement de l'axe de cette ouverture tout en étant orienté vers ledit axe de manière à capter une fraction de l'énergie lumineuse du faisceau diffusée latéralement, le boîtier pouvant être équipé d'une prise extérieure, notamment pour câble coaxial, branchée sur le détecteur optique. Un oscilloscope échantillonneur peut être branché sur le détecteur optique, notamment par l'intermédiaire de la prise extérieure, et permet de visualiser sur un écran les impulsions lumineuses. Avantageusement, les dimensions du boîtier, formant capteur, sont telles qu'il peut être placé entre les deux miroirs de la cavité résonnante d'un laser. Le boîtier peut également être placé à l'exté- rieur de la cavité résonnante. Une application de cet appareil consiste dans un système d'asservissement du parallélisme des miroirs d'un laser, ou de la puissance du faisceau lumineux, à partir des signaux fournis par le détecteur optique. L'invention consiste, mises à part les dispo sitions exposées ci-dessus, en certaines autres dispositions dont il sera plus explicitement question ciaprès à propos d'un mode de réalisation particulier décrit avec référence au dessin ci-annexé , mais qui n'est nullement limitatif. La figure 1, de ce dessin , est un schéma d'un appareil conforme à l'invention. La figure 2 est une vue schématique en perspective du boîtier du capteur. La figure 3 est un schéma du circuit électronique du boîtier. La figure 4, enfin, représente schématiquement une application de l'appareil conforme à l'invention à un asservissement. En se reportant aux dessins, et plus particulièrement à la figure 1, on peut voir un appareil A pour échantillonner un faisceau lumineux pulsé f de grande énergie constitué par un faisceau laser pulsé. Cet appareil comporte un capteur C comprenant un boîtier 1 muni d'une ouverture 2, destinée à être traversée, suivant son axe, par le faisceau lumineux f ; l'ouverture 2 est circulaire et est limitée par une paroi latérale 3 cylindrique, par exemple métallique, faisant saillie vers l'extérieur par une partie 4 filetée extérieurement. Le capteur comprend un détecteur optique formé par une photo-diode 5 montée dans la paroi latérale 3, écartée radialement de l'axe de l'ouverture 2 tout en étant orientée vers ledit axe. La photo-diode 5 peut ainsi capter une fraction de l'énergie lumineuse du faisceau f diffusée latéralement, sans causer d'altération ou sans arrêter une partie de ce faisceau. Le boîtier 1 comporte une prise extérieure 6, pour câble coaxial, branchée sur la photo-diode 5. Un oscilloscope échantillonneur 7 est branché, par un tel câble coaxial 8, sur cette prise 6 et permet de visualiser sur un écran 9 les impulsions lumineuses. La source d'alimentation électrique de la photodiode 5, constituée par une batterie 10 (fig. 3) est disposée à l'intérieur du boîtier 1 de telle sorte que toutes les connexions à l'exception du câble coaxial 8, sont éliminées. Le boîtier 1 peut avoir la forme d'un parallélépipède rectangle, comme visible sur la figure 2; la batterie 10 peut être une batterie de 22,5 volts. Les dimensions du boîtier 1 sont telles qu'il peut être placé entre les deux miroirs 11, 12 (fig. 1-) dans la cavité résonnante d'un laser. I1 est à noter que le boîtier 1 formant capteur C peut être placé en dehors de la cavité résonnante, l'axe de l'ouverture 2 étant toujours confondu avec celui du faisceau f, mais l'amplitude du signal recueilli sur la prise 6 ne sera plus la même pour une impulsion de la même puissance. Les réglage et étalonnage effectués intracavité ne sont donc plus valables, et doivent être recommencés, lorsque le boîtier est placé en dehors de la cavité résonnante. I1 est à noter également que le boîtier 1 peut rester en permanence dans la cavité résonnante, sans entraver le bon fonctionnement du laser et permettre ainsi de détecter toutes les variations de puissance du faisceau telles que changement d'alignement, variation de l'alimentation, et toutes les variations de fréquence et de longueur temporelle. A titre d'exemple numérique, non limitatif, on peut indiquer que les dimensions du boîtier 1 sont de l'ordre de 70 x 70 x 32 mm ; le domaine spectral de la photo-diode 5 est de 300 à 1100 nanomètres, tandis que la vitesse de résolution est de l'ordre de la nanoseconde. Pour le cas où l'on obtiendrait un signal de sortie de la photo-diode 5 sur la prise 6 d'amplitude insuffisante, on pourrait, dans un premier temps, faire passer le faisceau lumineux f plus près de la diode 5 en déportant radialement l'axe de l'ouverture 2 par rapport à l'axe du faisceau f, tout en maintenant parallèles ces deux axes. En prévoyant un orifice 13 (fig. 2) ménagé dans le boîtier suivant l'axe d'orientation de la photo-diode 5 et débouchant sur une face latérale de ce boîtier, on pourrait également éclairer la photo-diode 5 directement perpendiculairement à sa zone active en faisant passer le faisceau lumineux f,dans un premier temps, par l'orifice 13, l'axe du faisceau f et celui de louver- ture 2 étant alors perpendiculaires.Il convient, bien entendu, avant d'effectuer une telle manoeuvre de s'assurer de la tenue de la photo-diode au flux lumineux du faisceau f. Une telle opération permet d'effectuer un premier réglage de la puissance du faisceau lumineux f pour ensuite replacer le boîter 1 avec son axe confondu avec celui du faisceau f, la photo-diode 5 ne recueillant alors que l'énergie diffusée latéralement (effet Raman). La figure 3 illustre schématiquement le montage électronique de la photo-diode 5 qui est alimentée. par l'intermédiaire d'une résistance en série 14, par la batterie 10. La cathode de la diode 5 est reliée à une borne de la prise 6, tandis que l'autre borne de cette prise est reliée au pôle négatif de la batterie 10. Un condensateur 15 est branché en dérivation entre l'anode de la diode 5 et la borne négative de la batterie 10. Tout ce circuit est logé dans le boîtier 1. L'utilisation et le fonctionnement de appareil résultent immédiatement des explications précédentes. L'oscilloscope 7 est branché par le câble 8 sur la prise 6 du boitier 1. Ce boîtier formant capteur, est placé de manière que son ouverture 2 ait son axe confondu avec celui du faisceau f, de préférence à l'intérieur de la cavité résonnante du laser. L'oscilloscope 7 étant mis en marche, et en position normale, on règle le niveau de déclenchement de telle sorte que la hauteur d'image du signal apparaissant sur l'écran 9 soit supérieure à 1 cm; avec une fréquence d'impulsions suffisamment grande on peut rester en position auto matique I1 est à noter, cependant, que le travail devient difficile si la fréquence des impulsions est inférieure à 4 Hz, l'appareil étant destiné, d'une manière générale,à des fréquences supérieures à 4 Hz. On peut alors régler la cavité résonnante de manière à obtenir l'amplitude lumineuse maximale. On peut ensuite faire varier cette amplitude en modifiant la puissance de l'alimentation électrique du laser. I1 est à noter que l'appareil de l'invention ne donne pas une valeur absolue de la puissance lumineuse fournie mais permet d'obtenir une indication ou d'établir des comparaisons de puissance lumineuse. L'appareil permet également de contrôler et de régler la longueur temporelle d'impulsions. I1 est possible, grâce à cet appareil, de tenir des fiches de réglage correspondant à des travaux de nature différente en offrant à l'utilisateur la possibilité de visualiser sur l'écran de l'oscilloscope une échelle de réglage de l'alimentation du laser. Une application intéressante de l'appareil de l'invention consiste à réaliser un système d'asservisse ment (voir fig. 4) permettant de régler automatiquement les paramètres de fonctionnement du laser à partir des signaux recueillis sur la prise 6 du boîtier 1. Ce système d'asservissement, schématiquement représenté, comprend des moyens d'amplification et de comparaison 16 propres à élaborer, à partir du signal fourni par le boîtier 1, et d'un signal de référence qui peut être mémorisé, un signal d'erreur pour la commande de servo-moteur 17 destiné au réglage du paramètre considéré. Par exemple, le servo-moteur 17 pourrait commander l'orientation du miroir ll de manière à régler le parallélisme des miroirs 11 et 12 jusqu'à l'obtention du faisceau d'énergie maximal. On pourrait également, à l'aide d'autres servomoteurs, agir sur la puissance de l'alimentation électrique du laser pour obtenir, au niveau du faisceau lumineux, la puissance souhaitée. Un tel asservissement de la puissance lumineuse du faisceau est particulièrement intéressant pour les opérations d'usinage par laser, notamment les opérations de soudage. REVENDICATIONS 1.- Appareil pour échantillonner un faisceau lumineux pulsé de grande énergie, notamment un laser pulsé, comportant un capteur ayant un détecteur optique, notamment formé par une photo-diode, caractérisé par le fait que le capteur comprend un boîtier muni d'une ouverture destinée à être traversée, suivant son axe, par le faisceau lumineux, le détecteur optique étant monté dans une paroi latérale limitant l'ouverture et étant écarté radialement de l'axe de cette ouverture tout en étant orienté vers ledit axe de manière à capter une fraction de l'énergie lumineuse du faisceau diffusée latéralement. 2.- Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le boîtier comprend une prise extérieure, notamment pour câble coaxial, branchée sur le détecteur optique. 3.- Appareil selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le détecteur optique est une photodiode alimentée par une source éleotrique d'aiimentation, notamment une batterie, caractérisé par le fait que la source d'alimentation électrique de la photo-diode est logée dans le boîtier. 4.- Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un oscilloscope échantillonneur branché sur le détecteur optique et permettant de visualiser sur un écran les impulsions lumineuses. 5.- Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le boitier du capteur a des dimensions telles qu'il peut être placé entre les deux miroirs de la cavité résonnante d'un laser. 6.- Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le boîtier du capteur est placé à l'extérieur de la cavité résonnante du laser. 7.- Application d'un appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes au reglage du parallélisme des miroirs de la cavité résonnante du laser pour obtenir la puissance lumineuse maximale, ou au réglage de la puissance d'alimentation électrique du laser, pour obtenir l'énergie lumineuse souhaitée 8.- Application selon la revendication 7, caractérisée par le fait que l'appareil est combiné avec un système d'asservissement, sensible aux signaux fournis sur la prise du boîtier, et propre à régler le parallélisme du miroir du laser par l'intermédiaire d'un servomoteur ou à régler la puissance de la source d'alimentation électrique du laser. 9.- Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes pour faisceaux lumineux pulsés à une fréquence supérieure ou égale à 4 Hz. 10.- Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes. pour laser pulsé dont l'énergie estau moins égale à 1,5 joule.