Brevet FR2578691A1 — publié le 19860912

GENERATEUR LASER A PUISSANCE AJUSTABLE. La présente invention a pour objet un générateur laser à puissance ajustable, comprenant au moins un bâti, un tube d'émission monté sur le bâti pour émettre un faisceau de lumière cohérente visible ou invisible et un miroir de renvoi principal pour diriger dans une direction prédéterminée le faisceau de lumière cohérente émis par le tube d'émission. Les générateurs lasers sont utilisés dans des domaines d'applications de plus en plus variés et notamment à titre d'exemples en métrologie, dans les télécommunications, dans des applications militaires et chirurgicales, pour la lecture d'informations numériques enregistrées, pour des opérations d'usinage. Les générateurs lasers peuvent eux-mêmes être répartis en diverses catégories selon le milieu actif mis en jeu, le mode de pompage utilisé et le mode de fonctionnement possible. Chaque type de laser est plus particulièrement adapté à certaines applications et les faisceaux lasers émis présentent des longueurs d'onde d'émission et des puissances qui sont très variables selon les types de générateurs lasers considérés. Un inconvénient de plusieurs types de tubes d'émission de faisceaux lasers réside dans le fait que la puissance disponible au niveau du faisceau laser est fixée une fois pour toutes par construction, et ne peut être ni augmentée, ni réduite. On connait ainsi par exemple des tubes d'émission laser du type Helium-Neon qui délivrent des puissances de l'ordre de 10mW et d'autres qui délivrent des puissances de l'ordre de 25mW ou 40mW. Lorsque des faisceaux lasers doivent hêtre utilisés pour des applications différentes nécessitant des puissances situés dans des gammes différentes, il est nécessaire de disposer d'autant d'ensembles générateurs complets qu'il existe de types d'applications. Ceci est un inconvénient important, en particulier dans le domaine médical où chaque praticien doit disposer d'un ensemble de matériels de puissances variées pour pouvoir effectuer des traitements thérapeutiques ou chirurgicaux divers. Ceci implique des dépenses importantes et pose un problème d'encombrement. De plus, la puissance maximale disponible reste relativement limitée car, du fait que les rendements énergétiques des générateurs lasers sont relativement faibles, la fourniture d'un faisceau laser de relativement forte puissance implique la mise en oeuvre de blocs d'alimentation électrique qui doivent euxmêmes être de forte puissance. La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à permettre l'émission, à partir d'un même appareil, d'un faisceau laser dont la puissance est ajustable par pas dans une gamme relativement étendue par rapport aux générateurs existants d'un type donné. L'invention a encore pour but de permettre l'émission d'un faisceau laser, continu ou impulsionnel, dont la puissance peut être élevée sans qu'il soit nécessaire de disposer d'un bloc unique d'alimentation électrique de forte puissance. Ces buts sont atteints grâce à un générateur laser à puissance ajustable qui, conformément à l'invention, comprend plusieurs tubes d'émission disposés parallèlement sur un support commun pour émettre dans une direction opposée audit miroir principal plusieurs faisceaux laser parallèles ftrmant des génératrices d'un cylindre virtuel; plusieurs miroirs primaires de renvoi, en nombre N égal à celui des tubes d'émission, disposés sur une zone annulaire située en regard des faces frontales des tubes d'émission, placés chacun perpendiculairement au plan défini par le faisceau laser émis par le tube d'émission correspondant et l'axe du cylindre virtuel, et inclinés chacun d'un angle de 450 par rapport au trajet du faisceau laser émis par le tube correspondant, de manière à renvoyer chaque faisceau laser vers une zone centrale de convergence unique située sur l'axe du cylindre virtuel au centre de ladite zone annulaire; un corps réflecteur en forme de pyramide qui présente un nombre de faces réfléchissantes égal au nombre N de tubes d'émission, dont les faces sont disposées chacune à 900 par rapport à un miroir primaire et dont le sommet est disposé au voisinage de ladite zone centrale de convergence unique, pour renvoyer chaque faisceau réfléchi selon l'axe dudit cylindre virtuel en direction du miroir de renvoi principal disposé du coté opposé au corps réflecteur pyramidal par rapport aux tubes d'émission, et des moyens pour alimenter sélectivement chacun des tubes d' émission. De préférence, le générateur laser comprend plusieurs tubes d'émission dont les axes sont répartis régulièrement sur ledit cylindre virtuel; plusieurs miroirs primaires de renvoi répartis régulièrement dans ladite zone annulaire; et un corps réflecteur en forme de pyramide régulière. Grâce à la présente invention, en combinant en un même faisceau plusieurs faisceaux lasers issus de différents tubes d'émission regroupés dans un même bâti, il est possible de moduler facilement et efficacement la puissance du faisceau résultant émis en mettant sélectivement en service un plus ou moins grand nombre de tubes d'émission au sein de l'ensemble de tubes d'émission regroupés dans le générateur. Par ailleurs, le fait même que chaque tube d'émission puisse être de relativement faible puissance permet d associer à chacun des tubes un bloc d'alimentation électrique également de relativement faible puissance. Or, la réalisation d'un ensemble de blocs d'alimentation électrique de faible puissance est de loin plus aisée que celle d'un bloc unique d'alimentation de forte puissance. I1 s'ensuit qu'un générateur selon l'invention permet, pour un type de tubes d'émission donné, d'atteindre facilement à un coût limité des puissances maximales relativement élevées. Afin d'obtenir un faisceau résultant fortement convergent, selon une caractéristique particulière de l'invention, chaque miroir primaire est monté sur une pièce hémisphérique formant o rotule reposant sur un support incliné de 45 par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe du tube d'émission correspondant, pour permettre un ajustement de l'inclinaison des miroirs primaires. Selon un mode particulier de réalisation, les tubes d'émission sont montés sur des supports formant entretoise qui maintiennent des écartements prédéterminés entre les différents tubes tout en ménageant un espace central libre au voisinage de l'axe du cylindre virtuel défini par les faisceaux lasers émis par les différents tubes, pour le passage du faisceau réfléchi par les miroirs primaires et le corps réflecteur pyramidal. Le nombre de tubes d'émission pouvant être regroupés au sein d'un même générateur est variable en fonction des besoins mais se situe de préférence entre 2 et 12. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante d'un mode particulier de réalisation de l'invention faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'ensemble d'un générateur laser à tubes multiples selon l'invention, en coupe axiale selon la ligne I-I de la figure 2, - la figure 2 est une vue en coupe transversale selon la ligne II-II de la figure 1 montrant l'ensemble des divers tubes d'émission, - la figure 3 est une vue de face du corps réflecteur pyramidal représenté sur les figures 1 et 2, - la figure 4 est une vue en élévation du corps réflecteur pyramidal selon la flèche F des figures 1 et 3, - la figure 5 est une vue de face d'une partie du support de miroirs primaires, et - les figures 6 et 7 sont des vues en élévation et de face d'un élément de support de miroir primaire prévu pour être monté sur la partie de support de la figure 5. Si l'on se reporte aux figures 1 et 2, on voit un ensemble de sept tubes laser 1 à 7 parallèles les uns aux autres et disposés horizontalement sur deux supports verticaux 8,9 reposant eux-mêmes sur une plaque de base 10. Le nombre N de tubes laser peut naturellement varier en fonction des applications envisagées mais en pratique est d'au moins deux et, pour des usages courants peut ne pas dépasser 12. Un ensemble tel que représenté au dessin avec sept tubes laser 1 à 7 identiques délivrant chacun la même puissance présente avec un encombrement limité une grande souplesse d'utilisation. La suite de la description sera donc effectuée en référence à cet exemple particulier, mais les diverses caractéristiques liées au nombre N de tubes laser 1 à 7 utilisés pourront facilement être adaptées à un nombre N différent de 7. Les tubes laser 1 à 7 sont disposés dans des logements 81 à 87 du support vertical 8 et des logements correspondants du support vertical 9 qui est identique au support 8. Les logements 81 à 87 sont répartis de telle manière que les axes des tubes 1 à 7 se trouvent régulièrement répartis sur un cylindre de révolution virtuel 500 dont la trace est représentée en pointillés dans le plan de la figure 2. Les faisceaux laser axiaux 401 à 407 émis par les différents tubes laser 1 à 7 constituent ainsi des génératrices du cylindre virtuel 500 qui se trouve en partie matérialisé à la sortie des tubes d'émission 1 à 7 lorsque ces derniers sont en fonctionnement. Chaque support vertical 8,9 présente une ouverture centrale 88, 98 pour permettre le passage d'un faisceau réfléchi 410 regroupant les faisceaux laser individuels 401 à 407, comme cela sera expliqué plus loin. Les tubes d'émission 1 à 7, qui peuvent être par exemple des générateurs laser à gaz du type Helium-Neon présentant chacun une puissance de l'ordre de 10mW, sont immobilisés dans les supports verticaux 8,9 par exemple par des vis introduites dans les filetages 101 à 107 débouchant respectivement dans les logements 81 à 87 prévus pour recevoir les tubes 1 à 7. Chaque support vertical 8,9 définit des entretoises entre les logements 81 à 87 pour maintenir les tubes 1 à 7 dans des positions relatives bien déterminées. Les supports 8,9 peuvent eux-mêmes être reliés entre eux par des tiges 89 traversant les supports 8,9. Chacun des faisceaux parallèles 401 à 407 émis par les tubes 1 à 7 vient frapper individuellement un miroir plan 11 à 17 respectivement, qui est situé dans un plan perpendiculaire au plan contenant le faisceau concerné 401 à 407 respectivement et l'axe du cylindre virtuel 500, et forme un angle de l'ordre de 450 par rapport audit faisceau concerné, de manière à réfléchir le faisceau incident concerné 401 à 407 respectivement, vers une zone commune 30 située sur l'axe 502 du cylindre virtuel 500. Les miroirs plans 11 à 17 sont ainsi répartis dans une zone annulaire 501 située autour de l'axe 502 et en regard des faces frontales des tubes laser 1 à 7. Afin de permettre un ajustement précis de la position de chaque miroir plan 11 à 17 et compenser éventuellement des défauts de parallélisme des faisceaux laser 401 à 407, chaque miroir plan 11 à 17 est monté sur une pièce hémisphérique 130 qui forme rotule et repose sur un élément de support de miroir 120 (fig 1, 5 et 6) lui-même rattaché à un support vertical 110 fixé à la plaque de base 10 par une console 210 (fig 1 et 5). Comme représenté sur la figure 5, le support vertical 110 est constitué par une pièce en forme de disque munie à sa périphérie d'encoches 111 à 117 régulièrement réparties pour recevoir chacune un élément 120 de support de miroir. Chaque élément 120 de support de miroir comprend un corps 121 en forme d'étrier prévu pour venir s'encastrer dans l'une des encoches 111 à 117, les branches 122 et 123 enserrant le disque 110 de part et d'autre de l'encoche. Des moyens de liaison par vis ou boulon peuvent être engagés d'une part dans l'orifice 125 de la pièce 120 et le filetage correspondant 135 formé dans le fond d'une encoche et d'autre part dans les orifices 126, 127 des oreilles 122, 123 de la pièce 120 et le filetage 136 formé à travers le disque 110. Chaque élément 120 peut ainsi être fixé de façon amovible sur le disque 110 et permet un remplacement aisé des miroirs 11 à 17. Chaque élément de support de miroir 120 présente en outre un prolongement 124 incliné à 450 par rapport au corps 121 de manière à se projeter en avant par rapport au disque 110 lorsque le corps 121 de l'élément de support 120 est engagé dans une encoche 111 à 117. Le prolongement 124 est percé de part en part pour former une ouverture tronconique 128 adaptée pour recevoir une rotule hémisphérique 130 portant un miroir ll à 17. La présence d'une rotule 130 pouvant pivoter sur son support 128 permet d'ajuster avec précision lors du réglage de l'appareil, lorsque les éléments 20 sont montés surle disque 11D, 1 'angle d'inclinaison du miroir plan consideré par rapport au disque 110. Cet angle d'inclinaison peut ainsi être fixé très précisément à 450 pour produire un renvoi du faisceau lumineux considéré vers la zone de convergence 30, ou au contraire hêtre tres légèrement différent de 450 pour compenser un défaut d'alignement d'un tube émetteur 1 à 7 par exemple. Le disque support de miroirs 110 est fixé sur la plaque verticale 210 par des moyens de liaison pouvant être engagés dans les orifices 119 du disque 110. Certains au moins des orifices 119 peuvent être alignés avec des orifices 89 des supports verticaux 8, 9 des tubes d'émission 1 à 7, afin de réaliser à l'aide de tiges un alignement précis des supports verticaux 8,9 et du disque 110 porteur de miroirs. Un orifice central 118 formé dans le disque 110 permet en. outre de recevoir un corps réflecteur 20 qui va être décrit maintenant en référence aux figures 2, 3 et 4 Le corps réflecteur 20 comprend une tête pyramidale comprenant sept facettes réfléchissantes 21 à 27 destinées respectivement à recevoir les faisceaux 401 à 407 réfléchis par les miroirs plans 11 à 17. La tête pyramidale est solidaire d'une base cylindrique 28 prolongée à l'arrière par un appendice axial 29 prévu pour être engagé dans l'orifice central 18 du disque 110. La tête du corps réflecteur 20 est ainsi en forme de pyramide régulière et dans 1' exemple représenté au dessin est composée de facettes réfléchissantes 21 à 27 constituées de miroirs plans triangulaires inclinés à 450 par rapport à l'axe de la pyramide et s'détendant chacun sur un secteur de 217. Lorsque le corps réflecteur 20 est monté sur le disque support 110 au centre de la zone annulaire 501 dans laquelle sont situés les miroirs primaires de renvoi 11 à 17,la pointe de la pyramide coincide avec la zone 30 de convergence des faisceaux laser 401 à 407 réfléchis par les miroirs ll à 17.Chaque facette 21 à 27 de la pyramide forme un angle de 900 avec le miroir plan primaire il a 17 respectivement qui lui fait face, de sorte que tous les faisceaux laser 401 à 407 venant frapper les extrémités des facettes 21 à 27 situées au voisinage de la pointe de la pyramide sont à nouveau réfléchis dans une meme direction pour former un faisceau unique 410 regroupant les faisceaux individuels 401 à 407 et se situant sur l'axe 502 du cylindre virtuel 5CO, Le faisceau global 410 traverse alors les ouvertures centrales 88, 98 des supports verticaux 8, 9 des tubes 1à 7 et émerge du groupe de tubes 1 à 7 du côté opposé aux faces frontales par lesquelles sont émis les faisceaux individuels 401 à 407. Le faisceau global 410 qui émerge par l'suverture 98 du support 9 vient frapper un miroir plan 301 monté sur un support 310 et incliné de 450 par rapport à l'axe 502 de manière à dévier de 900 le faisceau 410 pour le renvoyer vers un miroir plan 302 porté par un petit moteur 320 pouvant faire osciller le miroir 302 autour d'un axe perpendiculaire au faisceau 410. Le faisceau 410 dévié par le miroir oscillant 302 vient frapper un second miroir oscillant 303 commandé par un second petit moteur 330 monté sur un support 340 et pouvant faire osciller le miroir 303 autour d'un axe perpendiculaire à l'axe d'oscillation du miroir 302.Les miroirs 301, 302, 303 de déviation du faisceau global 410 ne font pas partie de la présente invention et montrent seulement que le faisceau global 410 de lumière cohérente constitué par la somme des faisceaux individuels 401 à 407 de lumière cohérente peut être soumis à des déviations ou à un balayage d'une façon tout à fait identique à un simple faisceau dans la mesure où les tubes laser 1 à 7, les miroirs 11 à 17 et les facettes 21 à 27 de la pyramide 20 sont positionnés correctement pour obtenir un faisceau global convergent 410. Le réglage des différents éléments précités peut se faire très facilement en utilisant une cible de mise au point placée au niveau du miroir principal de renvoi 301 ou au niveau de la zone d'utilisation du faisceau 410 en aval du miroir 303. Les tubes 1 à 7 étant mis en place ainsi que la pyramide réfléchissante 20, chacun des tubes 1 à 7 est mis successivement en service individuellement et chacun des différents miroirs plans 11 à 17 est positionné successivement de manière que le faisceau correspondant 401 à 407 frappe la cible après renvoi sur le miroir correspondant 11 à 17 et la facette correspondante 21 à 27 du corps pyramidal 20. Lorsque la position d'un miroir 11 à 17 est bien ajustée, la rotule hémisphérique 130 est immobilisée sur le support tronconique 128 de l'élément support 120, par exemple par collage ou à l'aide d'une petite vis.La commodité de réglage de la position des miroirs 11 à 17 est importante, car elle permet de compenser à la fois les défauts d'usinage, les imperfections de la verrerie et les défauts d'alignement des faisceaux laser. Toutefois, il est important que les facettes 21 à 27 du corps pyramidal 20 présentent un très bon état de surface. Le dispositif selon l'invention permet ainsi, au sein d'un même ensemble compact, de disposer d'un faisceau résultant de lumière cohérente 410 dont la puissance est réglable par pas, selon le nombre de tubes -d'émission 1 à 7 mis en service. L'ensemble 300 de commande et d'alimentation des tubes d'émission 1 à 7 comprend en effet un bloc d'alimentation électrique pour chaque tube d'émission 1 à 7, ce qui permet de mettre facilement en service un plus ou moins grand nombre de tubes. Avec des tubes d'émission 1 à 7 du type He-Ne de 10mW chacun, la puissance du faisceau de sortie pourra ainsi, avec un même appareil et pour un faisceau de sortie 410 renvoyé par les mêmes miroirs de déviation 301 et de balayage 302; 303 varier de lo à 70mW par pas de lOmW en fonction du nombre de tubes 1 à 7 en service. Le même appareil pourra donc être utilisé pour des traitements très différents. L'invention ne se limite cependant pas à la seule association de tubes laser de type à fonctionnement continu. I1 est ainsi possible d'associer de la manière décrite précédemment des tubes laser 1 à 7 du type à impulsion, par exemple des tubes laser YAG (Yttrium Aluminium Garnett). Dans ce cas, chaque tube laser, par exemple d'une puissance de lOmW est associé à sa propre alimentation électrique qui est standard. Grâce à une commutation électronique des diverses alimentations électriques et du fait qu'une sommation non aléatoire des énergies lumineuses cohérentes est réalisée au niveau du faisceau résultant 410 lorsque plusieurs tubes d'émission sont simultanément en service, il est possible d'oBtenir des impulsions de sortie avec une puissance crête importante sans pour cela construire une alimentation électrique unique de forte puissance qui est particulièrement délicate à réaliser. L'invention permet ainsi de disposer d'une puissance de sortie accrue pour un faisceau laser sans modifier la structure des tubes d'émission standard ou celle des blocs d'alimentation électrique. L'invention s'applique non seulement aux lasers non polarisés, mais également aux lasers polarisés. Dans ce dernier cas, il convient simplement de vérifier les polarisations lors de la combinaison des différents faisceaux individuels 401 à 407 pour s'assurer qu'il y a bien addition et non sous-traction. REVENDICATIONS 1. Générateur laser à puissance ajustable, comprenant au moins un bâti (10), un tube d'émission (1) monté sur le bâti (10) pour émettre un faisceau de lumière cohérente visible ou invisible (401) et un miroir de renvoi principal (301) pour diriger dans une direction prédéterminée le faisceau de lumière cohérente émis par le tube d'émission (1), caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs tubes d'émission (1 à 7) disposés parallèlement sur un support commun (8,9) pour émettre dans une direction opposee audit miroir principal (301) plusieurs faisceaux laser parallèles (401 à 407) formant des génératrices d'un cylindre virtuel (500);; plusieurs miroirs primaires de renvoi (11 à 17), en nombre N égal à celui des tubes d'émission {1 à 7), disposés sur une zone annulaire (501) située en regard des faces frontales des tubes d'émission (1 à 7), placés chacun perpendiculairement au plan défini par le faisceau laser (401 à 407) émis par le tube d'émission correspondant (1 à 7) et l'axe (502) du cylindre virtuel (500), et inclinés chacun d'un angle de 450 par rapport au trajet du faisceau laser (401 à 407) émis par le tube correspondant (1 à 7), de manière à renvoyer chaque faisceau laser (401 à 407) vers une zone centrale de convergence unique (30) située sur l'axe du cylindre virtuel (500) au centre de ladite zone annulaire (501);; un corps réflecteur (20) en forme de pyramide qui présente un nombre de faces réfléchissantes (21 à 27) égal au nombre N de tubes d'émission (1 à 7), dont les faces (21 à 27) sont disposées chacune à 900 par rapport à un miroir primaire (El à 17) et dont le sommet est disposé au voisinage de ladite zone centrale de convergence unique (30), pour renvoyer chaque faisceau réfléchi (401 à 407) selon l'axe (502) dudit cylindre virtuel (500) en direction du miroir de renvoi principal (301) disposé du côté opposé au corps réflecteur pyramidal (20) par rapport aux tubes d'émission (1 à 7), et des moyens (300) pour alimenter sélectivement chacun des tubes d'émission (1 à 7). 2. Genérateur laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs tubes d'émission (1 à 73 dont les axes sont répartis régulièrement sur ledit cylindre virtuel (500); plusieurs miroirs primaires de renvoi (1l à 17) répartis régulièrement dans ladite zone annulaire (SOl); et un corps réflecteur (20) en forme de pyramide régulière. 3. Générateur laser selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le nombre N de tubes d'émission (1 à 7) est compris entre 2 et 12. 4. Générateur laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque miroir primaire 11 à 17) est monté sur une pièce hémisphérique formant rotule (120) reposant sur un support (124) incliné de 450 par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe du tube d'émission correspondant (1 à 7), pour permettre un ajustement de l'inclinaison des miroirs primaires (11 à 17). 5. Générateur laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les tubes d'émission (1 à 7) sont montés sur des supports (8,9) formant entretoise qui maintiennent des écartements prédéterminés entre les différents tubes (1 à 7) tout en ménageant un espace central libre au voisinage de l'axe (502) du cylindre virtuel (500) défini par les faisceaux lasers (401 à 407) émis par les différents tubes (1 à 7), pour le passage du faisceau réfléchi par les miroirs primaires (11 à 17) et le corps réflecteur pyramidal (20). 6. Générateur laser selon 1 'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les tubes d'émission (1 à 7) sont du type à émission continue et possèdent chacun une alimentation électrique propre. 7. Générateur laser selon la revendication 6, caractérisé en ce que les tubes d'émission (1 à 7) sont des générateurs laser à gaz du type Hélium-Néon présentant chacun une puissance de l'ordre de 10mW. 8. Générateur laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les tubes d'émission (1 à 7) sont du type à émission impulsionnelle discontinue et sont associés chacun à une alimentation propre commandée par des moyens de commutation électrique. 9. Générateur laser selon la revendication 8, caractérisé en ce que les tubes d'émission (1 à 7) sont du type YAG (Yttrium Aluminium Garnett).