Brevet FR2606518A1 — publié le 19880513

La présente invention se rapporte à un guide d'onde creux flexible pour l'amenée et le positionnement d'un faisceau laser jusqu'à une zone de travail. Le guide d'onde conforme au principe inventif est capable de véhiculer le faisceau laser sans pertes notables jusqu'à des puissances photoniques continues de plusieurs kilowatts à une longueur d'onde de 10,6 microns. On utilise fréquemment dans le domaine industriel des lasers dits solides, de longueur d'onde de l'ordre du micron. Pour ces lasers, la puissance émise, en général jusqu'à quelques centaines de watts, peut être véhiculée par des fibres optiques monomodes de structure spécifique et difficiles à fabriquer. Si les systèmes comportant cette liaison marchent correctement en milieu industriel, il subsiste plusieurs difficultés apportées par le niveau de puissance. En effet, cette puissance doit être injectée dans la fibre et les défauts du plan d'injection ou les imperfections de la liaison ou de l'interface se traduisent notamment par une érosion de la fibre dans son plan d'entrée et, par conséquent, une perte de rendement. II faut alors repolir le plan d'entrée. Il existe par ailleurs les lasers à gaz carbonique de longueur d'onde égale à 10,6 microns, qui permettent des niveaux de puissance utile plus importants en raison de leur meilleur rendement en exploitation. Les lasers à gaz carbonique se révèlent être des outils performants aussi bien dans le domaine industriel en raison de la rapidité d'exécution qu'ils apportent que dans le domaine biologique pour le couplage total assuré avec les matériaux organiques et les tissus. Malheureusement, l'amenée du faisceau laser à partir d'une source fixe, jusqu a un endroit précis, en assurant une liberté maximale d'évolution est encore mal résolue. Actuellement, le faisceau laser est amené vers l'endroit de l'intervention ou la zone de travail, à l'aide d'ensembles constitués d'un jeu de miroirs articulés à conservation dynamique de parallélisme sous la forme de bras articulés. Pour obtenir une transmission correcte, les miroirs doivent impérativement rester rigoureusement parallèles au cours des différents mouvements du bras, quelle que soit la position de ses divers constituants. Or, malgré le plus grand soin et la précision extrême observée dans la construction de ces ensembles, il est impossible d'assurer un taux de fiabilité au maintien de ce parallélisme en utilisation industriel le. On assiste ainsi, depuis la source laser jusqu'à la zone de travail, à une altération sensible du faisceau par destructuration modale et à une perte substantielle d'énergie utile après une période plus ou moins longue de fonctionnement. En effet, le moindre jeu mécanique résultant de l'usure, les vibrations et autres parasites mécaniques sont amplifiés par la chaîne de miroirs et provoquent une détérioration suffisante du faisceau pour ne plus obtenir la qualité du travail souhaitée. Ainsi par exemple, une soudure effectuée dans ces conditions ne présentera pas-toutes les garanties de solidité en raison de la densité d'énergie trop faible disponible dans la zone de travail. Le travail en séquence automatique peut en être compromis. En raison de la précision mécanique de fabrication nécessaire à ce type de guide à miroirs, son utilisation actuelle est réservée à des domaines de haute technologie, de recherche où le coût n'est pas le facteur décisionnel essentiel. Or, précisément, dans la majorité des cas, le facteur coût reste prépondérant et, devant la baisse du prix des lasers, il s'avère pour le moins démesuré de devoir l'utiliser en association avec ce type de guide à miroirs de valeur notablement plus élevée. De plus, si l'on arrive actuellement à produire un faisceau laser monomode, il s'avère dommage de ne pouvoir raccorder à cette source qu'un ensemble directionnel d'amenée peu performant dans la pratique et fort cher à la fabrication. Par ailleurs, ces ensembles présentent quelques inconvénients et limitations. Tout d'abord, en raison de leur complexité et de la précision mécanique, ils s'avèrent fragiles, peu fiables et de maintenance délicate. De plus, la limitation pratique en débattement de chaque articulation portant un miroir ne permet pas au bras articulé d'évoluer dans un volume utile avec une liberté suffisante en raison des trajectoires interdites trop nombreuses provoquant la détérioration du bras. Ainsi, certains mouvements vers la zone de travail ne peuvent être exécutés. Pour être complet, il faut signaler que certaines publications font mention de nouvelles fibres optiques permettant le transport d'un faisceau laser à gaz carbonique. Ces nouvelles fibres optiques obtenues par étirement avec des matériaux, par exemple celui connu sous le sigle Zn Se, s'avèrent inutilisables en milieu industriel car trop fragiles pour résister à des manipulations répétées. L'invention a pour but de remédier aux divers inconvénients précités en proposant un guide d'onde utilisable en milieu industriel et capable de véhiculer une puissance photonique continue jusqu'à quelques kilowatts sans pertes notables. A cet effet, le guide d'onde selon l'invention est caractérisé en ce qu'il présente un corps creux de forme générale parallélépipèdique, constitué par deux parois polies en bandes d'un matériau flexible et élastique formant les parois supérieure et inférieure d'une cavité, parois maintenues à intervalle constant par des entretoises latérales afin de former une cavité de propagation, le guide étant susceptible de torsions et de courbures sans déformations notables de la section de la cavité sur toute la longueur du guide. On décrira ci-après de façon non limitative les nombreux avantages du guide d'onde selon l'invention . permet de transporter un faisceau laser de puissance émis à 10,6 microns de longueur d'onde les pertes sont optimisées dans une conformation donnée . les matières employées n'engendrent pas un coût élevé . facilité de manoeuvre et de prise en main par un robot ou un opérateur manuel . grand volume d'évolution . le rayon de courbure limite par rapport à l'axe parallèle aux plus grandes faces est faible procédé simple de fabrication . mise en oeuvre facile et rapide l'effet de ressort du métal employé améliore le confort de la prise en main en utilisation manuel le . son prix de revient permettra de généraliser l'utilisation de la chirurgie utilisant le laser à gaz carbonique ainsi que de nombreuses applications. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description qui suit, effectuée à titre d'exemple non imitatif sur un mode d'exécution en référence aux dessins accompagnants dans lesquels . la figure 1 est une vue schématique en perspective du guide d'onde selon l'invention avec les ensembles optiques d'extrémités vus en éclaté . la figure 2 est une vue schématique en perspective avec coupe transversale sur section courante du guide représentant un premier mode de réalisation des entretoises . la figure 3 est une vue schématique en perspective avec coupe transversale sur section courante du guide représentant un deuxième mode de réalisation des entretoises la figure 4 est une vue schématique en perspective du guide représentant des entretoises parallélépi pèdiques légèrement décalées . la figure 5 est une vue schématique en perspective et demi-coupe transversale représentant les entretoises parallélépipèdiques de la figure 4 dans une configuration non décalée. . la figure 6 est une vue en coupe longitudinale sur une courbe prononcée, illustrant la propagation au niveau des courbes. Le guide d'onde 1 selon l'invention est appelé à être utilisé entre une source laser 2 polarisée linéairement, plus particulièrement un laser à gaz carbonique de longueur d'onde égale à 10,6 microns, et une zone de travail 3 telle, par exemple, une pièce à découper ou à traiter, ou plusieurs éléments à solidariser par soudage, un organe ou un tissu à inciser dans une intervention chirurgicale ou autre opération possible, d'usinage ou autre, avec un faisceau laser. Le faisceau laser émis par la source 1 est expansé par un ensemble optique 4 puis injecté dans le guide d'onde 1 selon l'invention par une lentille cylindrique 5 comprenant un ensemble d'entrée 6. On prévoit d'injecter le gaz neutre de protection ou d'activation directement dans le corps de l'ensemble d'entrée 6 de transfert entre la source 2 et le guide 1. Cette injection est représentée symbolique ment par.une flèche droite renforcée référencée 7. Le guide 1 est fixé à son extrémité d'entrée sur le corps de l'ensemble d'entrée 6 par un support ajustable permettant d'effectuer le centrage sur l'axe optique 8. Le faisceau émergent 9 est dirigé sur la zone de travail 3 à partir de la face de sortie du guide d'onde 1 à travers un ensemble optique de focalisation 10 pouvant comporter, comme représenté, plusieurs lentilles dont une lentille cylindrique 11 et un objectif 12 dans le cas d'une concentration ponctuelle. Afin de permettre la saisie et le déplacement de l'extrémité du guide manuellement ou par la pince 13 d'un robot en vue de l'exécution d'un travail sur une surface, ladite extrémité comporte un manchon de préhension, par exemple tel que 14, recouvrant l'ensemble optique de sortie ou toute autre pièce analogue de préhension enfilée ou montée à l'extrémité du guide d'onde. Le manchon 14 ou la pièce de préhension comporte à son extrémité une buse 15, par exemple conformée en cône d'éjection ou un diffuseur pour la sortie du gaz de protection ou d'activation. Une gaine flexible 16 relie le manchon de protection 14 à l'ensemble d'entrée 6. Dans sa constitution générale, le guide d'onde 1 selon l'invention est formé de deux bandes, supérieure 17 et inférieure 18, d'un matériau flexible procurant une élasticité convenable, ctest-à-dire avec effet de ressort, matériau synthétique, polymère ou métallique, par exemple de la tôle d'acier silicié et, plus particulièrement, de l'acier connu sous le terme de clinquant. Ces bandes sont maintenues à intervalle constant par des entretoises latérales 19 et 20 en matériau diélectrique OU en métal obturant les chants longitudinaux de volume ainsi créé. Le choix de la section rectangulaire de la cavité résulte d'études détaillées qui ont démontré l'intérêt de ce type de forme géométrique limitant les pertes par polarisation et permettant l'optimisation de chacune des faces pour sa fonction. De plus, cette forme de section facilite la fabrication du guide. On décrira ci-après les différents types de conformation de section du guide en référence aux figures de 2 à 5. Tout d'abord, les entretoises latérales 19 et 20 pourront présenter des épaulements longitudinaux respectivement hauts 21 et bas 22, sur lesquels viennent porter les bords longitudinaux des bandes constituant les faces supérieure et inférieure du guide d'onde (figure-2). Ces entretoises sont solidarisées de façon continue aux bords longitudinaux des bandes 17 et 18 par collage, soudage laser ou toute autre technique connue. Conformément à la variante représentée sur la figure 3, les bandes 17 et 18 comportent des feuillures 23 et 24 respectivement droite et gauche, délimitant avec leur homologue un volume d'encastrement droit 25 et gauche 26 dans lesquels viennent s'enficher les entretoises 19 et 20. La solidarisation sera également continue et effectuée par le moyen le plus approprié. Un dernier type de variante est représenté sur les figures 4 et 5. Selon ce mode de réalisation, les entretoises sont constituées par de simples cales parallélépipèdiques 27 et 28 disposées entièrement ou partiellement sous les bords longitudinaux des bandes 17 et 18. Conformément à la variante représentée sur la figure 4, les cales ne sont que partiellement en retrait sous les bords longitudinaux des bandes 17 et 18 de manière à former avec lesdites bandes des épaulements respectivement haut 29 et bas 30, permettant de pratiquer aisément un cordon de soudure haut 31 et bas 32. Conformément à la variante représentée sur la figure 5, les cales sont disposées en retrait sous les bords longitudinaux des bandes de manière à présenter des chants droits à faces terminales dans le plan longitudinal de réunion de deux bords longitudinaux homologues de deux bandes opposées. Dans ce cas, la sol idarisation s'effectuera par contact bord à bord avec interposition d'une colle ou par soudage le long des interstices 33 et 34. Ses caractéristiques mécaniques d'aptitude à la torsion et aux courbures confèrent au guide d'onde selon l'invention des possibilités de déformation importantes pour procurer une liberté quasi totale dans un volume de manoeuvre sensiblement étendu. Les chants obturés longitudinalement par les entretoises 19 et 20 immobilisées latéralement et longitudinalement par solidarisation par soudage ou collage constituent les parois longitudinales de la cavité intérieure formée avec les bandes haute 17 et basse 18. Les faces en regard des bandes parallèles et éventuellement celles des entretoises constituant les parois de la cavité sont d'abord polies et lustrées et ensuite recouvertes d'une couche d'un matériau réfléchissant, par exemple métallique et notamment d'or soit par feuillage, soit par dépôt électrolytique, soit par dépôt chimique par immersion, soit par vaporisation sous vide. Les surfaces sont lustrées avant dépôt de la couche métallique pour présenter une uniformité optique parfaite sans aucun dépôt granulaire. La qualité du poli de surface reste de l'ordre du micron donc facile à obtenir par des moyens courants. On donnera ci-après à titre d'exemple les dimensions du guide d'onde d'essai . Matière utilisée pour les bandes et les entretoises acier silicié dit clinquant . Epaisseur des bandes des faces supérieure et inférieure : 0,3 mm . Intervalles : de 0,5 mm à 0,8 mm . Largeur : de 5 à 30 mm selon la puissance . Longueur : 30 - 50 cm . Rayon de courbure minimal : 15 cm. Les résultats obtenus laissent espérer des longueurs possibles supérieures au mètre. La figure 6 illustre la propagation du faisceau en courbe. On note une propagation par réflexions multiples sur une seule des faces pour un rayon de courbure inférieur à un seuil fonction des caractéristiques du faisceau et celles du guide. Ainsi les pertes théoriques en courbure en sont-elles réduites. Les calculs montrent que les pertes en déformation de torsion s'avèrent faibles. Ainsi, les pertes théoriques globales cumulant les effets dus à la torsion et à la flexion et les défauts moyens de polissage ne dépassent pas 4 %. REVENDICATIONS 1. Guide d'onde creux flexible pour l'amenée d'un faisceau laser jusqu'à une zone de travail, caractérisé en ce qutil présente un corps creux de forme générale parallélépipèdique, constitué par deux parois, supérieure et inférieure (17) et (lus), sous la forme de bandes d'un matériau flexible et élastique, maintenues à écartement constant par des entretoises latérales (19) et (20) solidarisées aux bords longitudinaux des parois, afin de former une cavité de propagation, le guide étant susceptible de torsions et de -courbures sans déformations notables de la section de la cavité sur toute sa longueur. 2. Guide selon la revendication 1 caractérisé en ce que les parois (17) et (18) sont des bandes en tôle d'acier silicié. 3. Guide selon la revendication 1 caractérisé en ce que les parois (17) et (18) sont polies et recouvertes sur leurs faces intérieures en regard d'une couche d'un matériau réfléchissant. 4. Guide selon la revendication 3 caractérisé en ce que la couche réfléchissante est métallique. 5. Guide selon la revendication 4 caractérisé en ce que la couche réfléchissante est un dépôt d'or. 6. Guide d'onde selon la revendication 1 caractérisé en ce que les entretoises (19) et (20) présentent des épaulements longitudinaux (21) et -(22) sur lesquels viennent porter les bords longitudinaux des bandes (17) et (18) constituant les parois w . . r o supérieure et inférieure. 7. Guide d'onde selon la revendication 1 caractérisé en ce que les bords longitudinaux des bandes (17) et (18) comportent des feuillures (23) et (24) délimitant avec leur homologue un volume d'encastrement droit (25) et gauche (26) dans lesquels viennent s'enficher les entretoises (19) et (20). 8. Guide d'onde selon la revendication 1 caractérisé en ce que les entretoises sont constituées par de simples cales parallélépipèdiques (27) et (28) disposées entièrement ou partiellement sous les bords longitudinaux des bandes (17) et (18).