Brevet FR2574542A1 — publié le 19860613

DISPOSITIF D'ANALYSE D'UN FAISCEAU DE PARTICULES CONTINU PERMETTANT DE VISUALISER LES VARIATIONS DE LA REPARTITION ENERGETIQUE DE CE FAISCEAU EN FONCTION DU TEMPS La présente invention concerne un disposi tif d'analyse d'un faisceau de particules continu tel qu'un faisceau laser, ce dispositif permettant de vi sualiser les variations de la répartition énergétique d'un faisceau de particules en fonction du temps. L'invention s'applique en particulier aux lasers uti lisés pour l'usinage durant le déroulement d'une pro cédure d'usinage. La répartition énergétique d'un faisceau de particules et notamment d'un faisceau laser en sortie de la cavité du laser est un paramètre important du fonctionnement des lasers notamment d'usinage. Elle dépend du mode d'oscillation de la cavité qui détermi ne les paramètres et variables régissant le procédé d'usinage par Laser, (découpe, soudure ou traitement thermique). Ce mode varie pour des causes très diverses difficilement contrôlables. Par exempLe, dans le cas de laser à gaz, les variations du mode d'oscillation de la cavité laser peuvent être dues à des inhomogé néités du mélange gazeux du laser, des variations de vitesse de ce mélange ou des variations dimensionnel les de la cavité laser dues à des effets thermiques. Il est donc souhaitable de vérifier la sta bilité de ce mode en temps réel au cours d'une procé dure d'usinage pour éventuellement agir sur le fonc tionnement du laser. On connaît deux méthodes mettant en oeuvre un dispositif permettant la mesure de puissance d'un faisceau Laser. La première méthode consiste à mesurer l'échauffement d'un volume de matière sous l'effet d'un faisceau laser pendant un temps donné. La deuxie- me méthode est la mesure par un thermocouple différentiel de l'échauffement d'un liquide à débit constant contenu dans une canalisation recevant un faisceau Laser. On connaît également une méthode de mesure de la répartition énergétique d'un faisceau laser par visualisation directe des impacts du faisceau dans du plexiglass. Ces méthodes de mesure ont pour inconvénient de ne pouvoir effectuer à la fois le contrôle de la répartition énergétique et de la variation de puissance de la source Laser. De plus, ces méthodes de mesure ne peuvent pas entre effectuées pendant l'utilisation du laser. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et notamment de réaliser un analyseur de faisceau laser continu permettant de visualiser Les variations de la répartition énergétique en fonction du temps pendant son utilisation. De façon plus précise, l'invention a pour objet un dispositif d'analyse de faisceau laser permettant de visualiser les variations de la répartition énergétique d'un faisceau Laser, comprenant : - des moyens de prélèvement d'au moins une partie du faisceau incident, - des moyens optiques de focalisation du faisceau pre- -levé, - des moyens de découpage du faisceau pré levé dans ta direction de propagation dudit faisceau de façon à former plusieurs faisceaux, - des moyens de détection de chaque faisceau formé par découpage, ces moyens situes dans Le plan de focati- sation transformant les signaux Lumineux formés par découpage en signaux électriques correspondants, - des moyens de visualisation des signaux électriques délivrés par les moyens de détection. Ce dispositif permet donc par rapport aux techniques connues de l'art antérieur de contrôler à la fois la répartition énergétique et la variation de puissance d'une source Laser, pendant l'utiLisation du lasser. Selon un mode préféré de réalisation du dispositif de l'invention les moyens de préLèvement du faisceau incident sont constitués par une Lame séparatri ce inclinée d'un angle donné par rapport à la direction de propagation du faisceau incident, permettant de pré Lever une partie de ce faisceau et de Le dévier sur le dispositif d'analyse. De façon avantageuse, la lame séparatrice est constituée par une lame en NaCl traité anti-reflet. Selon une variante de réalisation du dispositif objet de l'invention, les moyens de prélèvement du faisceau incident comprennent au moins un miroir plan mis en rotation autour d'un axe et incLiné d'un angle donné par rapport à la direction de propagation du faisceau incident. Ils permettent de prélever une partie du faisceau laser incident et de le dévier vers les moyens de focalisation du dispositif d'analyse. Selon un autre mode préféré de réalisation de l'invention, les moyens optiques de focalisation comprennent au moins une lentille convergente. ILs permettent de focaliser Le faisceau laser prélevé sur les moyens de détection. Selon un autre mode préféré de réalisation du dispositif de l'invention, les moyens de découpage comprennent : - un support muni d'une fente centrée dans La direc tion du faisceau focalisé permettant de délimiter le faisceau laser pré levé selon un plan longitudinal, - un disque de Nikop, percé de trous disposés en spi rale et mû en rotation uniforme autour d'un axe pa allèle à La di-rection de propagation du faisceau focalisé. Ces trous permettent de balayeur l'ensemble de la fente et de découper en plusieurs faisceaux le faisceau laser traversant la fente. De façon avantageuse, Le support des moyens de découpage-est mû en rotation par un moteur pas à pas, permettant ainsi de scruter d'autres sections du faisceau laser. Selon un mode préféré de réaiisation du dispositif de l'invention, Les moyens de détection comportent un détecteur thermique dé livrant une tension proportionnelle à l'énergie lumineuse reçue. Selon une variante de réatisation du dispositif de L'invention, les moyens de détection comportent un détecteur photonique, Lorsque le faisceau incident est un faisceau Lumineux. SeLon un autre mode de réalisation du dispositif de l'invention, tes moyens de visualisation comprennent une table traçante reliée aux moyens de détection, permettant de visuaLiser la tension analogique délivrée par ces moyens de détection. Selon une variante de réalisation du dispositif de L'invention, Les moyens de visualisation com- prennent un ordinateur relie aux moyens de détection permettant en outre d'asservir le faisceau laser incident afin de stabiliser sa puissance énergétique et Le mode de la cavité Laser. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de La description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et non Limitatif en référence aux figures annexés dans les- queLles : - la figure 1 représente schématiquement en perspective l'ensemble du dispositif d'anaLyse d'un faisceau laser continu conformément à L'invention, - la figure 2 représente schématiquement une variante des moyens de prélévement du faisceau laser incident, du dispositif de la figure 1, - la figure 3 représente un exemple d'enregistrement graphique des variations de la répartition énergétique d'un faisceau laser obtenues avec le dispositif de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté t'ensemble du dispositif d'analyse selon l'invention, d'un faisceau laser continu tel qu'un laser à C02, à héliumnéon ou à argon. Une partie d'un faisceau laser incident 1 fourni par une source laser 2 est prélevée à l'aide de moyens de prelévement 3 tels qu'une lame séparatrice. Le faisceau prélevé 5, passe ensuite à travers une optique de focalisation 11 avant d'entre découpé par des moyens de découpage 13 qui seront décrits plus en détail ultérieurement. Le faisceau découpé, arrive ensuite sur un ensemble de détection 15, qui délivre une tension proportionnelle à L'énergie lumineuse reçue.Des moyens de visualisation 17 reliés aux moyens de détection 15, permettent alors de visualiser la répartition énergétique du faisceau laser analysé en fonction du temps. Ce dispositif permet d'anaLyser des faisceaux laser dont la puissance peut atteindre 5000 W. Les moyens de prélèvement 3 du faisceau laser incident 1 sont constitués par une lame séparatrice 3 notamment en NaCI traité anti-reflet. Cette lame est inclinée d'un angle donné par exemple de 450 par rapport au faisceau incident 1 de façon à dévier Le faisceau prélevé 5 sur les moyens de focalisation 11 du dispositif d'analyse. Cette Lame 3 en NaCI a un indice n = 1,49 ; elle est traitée de façon à ce que son indice après traitement anti-reflet n' soit égal à n, c'est-à-dire égal à 1,2. Son coefficient de réflexion R est alors donné par ta relation ce qui correspond à un préLèvement égal à environ 1X du faisceau laser incident. Ce prélèvement est suffisant pour que le dispositif d'analyse puisse fonctionner en temps réel en continu et notamment pendant l'utilisation du faisceau Laser. Les moyens optiques de focalisation sont constitués par exemple par une lentille convergente 11 en ZnS par exemple. Cette Lentille permet de conjuguer te faisceau pré levé sur Les moyens de détection 15, c'est-à-dire de focaLiser le faisceau 5 sur ces moyens. Pour faciliter Le centrage de la Lentille 11 par rapport à l'axe 00' de propagation du faisceau prélevé 5, elle est mobile en translation suivant cet axe. Les moyens de découpage 13 du faisceau Laser pre- levé 5, sont constitués d'un support mobile 19 muni d'une fente 21 jouant le rôle de diaphragme, notamment en graphite, centrée sur l'axe 00' et d'un disque de Nikop 23, bien connu de L'homme de métier, percé de trous 25 décrivant une spirale ; ces trous sont au nombre d'une centaine. Le disque de Nikop 23, monté sur le support 19, est centré sur un axe PP' parallèle à l'axe 00' du support. Le disque de Nikop 23 est mû en rotation uniforme autour de l'axe PP' au moyen d'un moteur 24 à courant continu. Les deux trous extrêmes 25a et 25b de la spirale décrite par les trous 25 de ce disque correspondent à la longueur de la fente 21 du support 19. Ainsi par rotation du disque 23, l'ensemble de la fente 21 du support 19 permet la limitation de l'exposition des moyens de détection 15 au faisceau laser 5 et la validation d'un seul trou à la fois du disque de Nikop 23. La largeur de la fente doit être telle que la durée d'exposition de chaque trou soit -constante. La fente a donc de préférence une forme légèrement trapétoidale. Le faisceau laser pré levé 5 est donc découpé suivant la surface de la fente en de fines sections. On obtient ainsi, apr-es détection, une représentation de l'énergie du faisceau en fonction de la surface de la fente. Ainsi à chaque tour du disque 23 une nouvelle représentation de la répartition énergétique peut etre obtenue. Le support 19 muni de la fente 21 peut être mis en rotation pour déplacer L'orientation de la fente par rapport au faisceau 5. Cette rotation autour de l'axe 00' d'un angle maximum de 3000 peut être assurée au moyen d'un moteur pas à pas 22. Ceci permet de scruter d'autres sections du faisceau 5 et d'obtenir aprés détection une représentation à trois dimensions de La distribution d'énergie. Les moyens de détection 15 du dispositif d'analyse sont constitués par un détecteur th-ermique par exemple du type thermo-couple chromel/alumel de 51100 de mm ou de tout autre détecteur thermique ou photonique. La tension analogique délivrée par ce detecteur 15 est proportionnelle à l'énergie reçue par celui-ci.- Elle est envoyée soit à une table traçante 17, soit à un ordinateur 18 qui permettent de visualiser la répartition énergétique du faisceau prélevé. Il est possible de réguler la puissance du laser d'après les informations délivrées par l'ordinateur 18 en jouant sur le courant de La source laser 2. On peut également stabiliser le mode d'oscillation de la cavité laser en orientant convenabLement le miroir arrière de la cavité laser par un système mécanique commandé à partir des mêmes informations.Ce dispositif d'analyse d'un faisceau présente L'avantage d'être constitué d'un appareillage simple et robuste. Sur La figure 2 on a représenté schématiquement une variante des moyens de prélèvement du faisceau laser incident 1 du dispositif décrit précédemment. Dans cette variante, le faisceau laserinci- dent 1 est prélevé par un miroir plan métallique 27 par exemple en cuivre poli ou en molybdène poli Ce miroir est constitué de deux pales trapézoidales 29 symétriques par rapport à un axe de rotation CC' incliné d'un angle donné, notamment de 450 par rapport à l'axe du faisceau incident 1. On peut ainsi prélever, en choisissant la Largeur des deux pales 29, 1Z du faisceau incident 1 qui est dévié sur le reste du dispositif 7. Sur La figure 3, on a représenté un exemple d'enregistrement graphique, obtenu avec te dispositif de L'invention, donnant la puissance P en fonction de la longueur de la fente au cours du temps. Il a été obtenu au moyen d'un disque percé de 100 trous avec un faisceau Laser à CO2. Cette figure montre- les variations de la répartition de l'énergie du faisceau laser prélevé,au cours du temps Chacune des courbes a, b ou c représente La répaîtition de l'énergie du faisceau. Cette description n'est pas limitative, tout autre mode de réaLisation du dispositif objet de l'invention ne sort pas du cadre de ladite invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'analyse d'un faisceau de particules continu incident permettant de visualiser les variations de la répartition énergétique de ce faisceau en fonction du temps, caractérisé en'ce qu'il comprend - des moyens de préLèvement (3, 27) d'au moins une partie du faisceau incident (1), - des moyens optiques (11) de focalisation du faisceau prélevé (5), - des moyens de découpage (13) du faisceau prélevé, dans la direction de propagation dudit faisceau, de façon à former plusieurs faisceaux, - des moyens de détection (15) de chaque faisceau for mé par découpage, ces moyens situés dans le plan de focalisation transformant les signaux Lumineux for més par découpage en signaux électriques correspon dants, - des moyens de visualisation (17, 18) des signaux électriques délivrés par Les moyens de détection. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de préLèvement du faisceau incident (1) comportent une lame séparatrice (3) inclinée d'un angle donné par rapport à La direction de propagation du faisceau incident (1). 3. Dispositif selon la revendication 2, caracterisé en ce que la lame séparatrice (3) est cons tituée par une lame en- NaCI traitée anti-reflet. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de préLèvement du faisceau incident (1) comprennent au moins un miroir plan (27) mis en rotation autour d'un axe (CC') et incliné d'un angle donné par rapport à la direction de propagation du faisceau incident (1). 5. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens optiques de focalisation comprennent au moins une lentille convergente (11). 6. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de découpage (13) comprennent - un support (19) muni d'une fente (21) centree dans la direction du faisceau focalise, - d'un disque de Nikop (23), percé de trous (25) dis posés en spirale et ma en rotation uniforme autour d'un axe (PP') parallèle à la direction de propaga tion du faisceau (00') focalisé. 7. Dispositif seLon la revendication 6, caractérisé en ce que Le support est mû en rotation par un moteur (22) pas à pas. 8. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que Les moyens de détection comportent un détecteur thermique (15). 9. Dispositif seLon L'une quelconque des revendications 1 à 7, caracterisé en ce que les moyens de détection comportent un détecteur photonique (15), Lorsque le faisceau incident (1) est un faisceau lumi- neux. 10. Dispositif selon t'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens de visualisation comprennent une table traçante (17) reliée aux moyens de détection (15). 11. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens de visualisation comprennent un ordinateur (18) relié aux moyens de détection (15) permettant en outre d'asservir Le faisceau laser incident (1), afin de stabi liser sa puissance énergétique et Le mode de la cavite Laser.