Brevet FR2619475A1 — publié le 19890217

Dispositif d'analyse en mode continu et en mode impulsionnel de la répartition d'énergie au sein d'un faisceau laser de puissance La présente invention concerne le domaine des lasers de puissance, en particulier utilisés dans l'industrie à des fins de soudage, de découpe et de traitement thermique, et a pour objet un dispositif d'analyse en mode continu et en mode impulsionnel de la répartition d'énergie au sein d'un faisceau laser de puissance. Un faisceau laser est constitué par une onde lumineuse très énergétique qui prend naissance dans une cavité comportant plusieurs miroirs entre lesquels elle effectue de nombreux allers et retours avant d'être extraite pour être dirigée vers un poste de travail. La répartition énergétique d'un faisceau laser coupé dans un plan perpendiculaire à son axe dépend de la géométrie de la cavité dans laquelle il a été généré. Pour des raisons de simplification,le faisceau gaussien, qui est actuellemert le plus répandu, servira seul d'exemple, l'invention étant toutefois applicable à d'autres formes de faisceau sans limitation de ses performances. Dans un faisceau gaussien, une bonne part de l'énergie est concentrée au centre de la tache, et cette énergie décroît en correspondance avec l'éloignement de l'axe du faisceau à la manière d'une courbe de Gauss. Dans la pratique, cependant, le faisceau n'est jamais parfaitement gaussien et comporte toujours quelques pics dus à des problèmes d'aberrations optiques,d'encrassage, "d'usure" et de réglage des miroirs, etc... Ces pics peuvent souvent être minimisés par un réglage fin de l'alignement des miroirs. La qualité du faisceau dépend généralement de la répartition d'énergie, qui conditionne les performances réalisées lors des opérations d'usinage, telles que la découpe, le soudage, les traitements thermiques, ou autres, et qui doit être parfaitement contrôlée. Ce contrôle de la distribution de l'énergie au sein du faisceau est actuellement très difficile à réaliser par des moyens simples et peu coûteux, contrairement au réglage des différents miroirs de la cavité. Actuellement, un tel contrôle est réalisé,soit par un tir dans du polyméthylacrylate de méthyle, soit au moyen d'analyseurs de faisceau. Le tir dans le polyméthylacrylate de méthyle donne une empreinte du faisceau qui est, cependant, sujette à caution du fait du lissage de l'empreinte par les vapeurs de polyméthylacrylate de méthyle, ne permettant ainsi que des indications grossièrement qualitatives. Les analyseurs de faisceau connus, qui font appel à la technologie des détecteurs au silicium, permettent de visualiser sur l'écran d'un oscilloscope la répartition d'énergie au sein d'un faisceau laser, en prélevant une partie de l'énergie incidente. Mais ces appareils fournissent des résultats peu reproductibles du fait des difficultés de réglage, des pièces en mouvement, des intermédiaires entre faisceau et détecteurs et de la faible partie utile du faisceau pour la mesure. En outre, certains de ces appareils ne dressent le profil de la répartition énergétique dans le faisceau que sur deux axes, sans donner accès au relief global de cette répartition. I1 existe, par ailleurs, encore d'autres dispositifs d'analyse, utilisés comme montages de laboratoire, qui permettent l'obtention de bons résultats, mais sont, cependant, inexploitables industriellement du fait de leur trop grande complexité. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients. Elle a, en effet, pour objet un dispositif d'analyse de la répartition d'énergie au sein d'un faisceau laser de puissance, caractérisé en ce qu'il fonctionne en mode continu et en mode impulsionnel, et en ce qu'il est essentiellement constitué par un capteur thermo-électrique directement exposé au faisceau laser et délivrant des signaux électriques à un dispositif intermédiaire de démultiplexage et d'amplification, et par un ordinateur ou un micro-ordinateur de traitement des mesures et de visualisation en temps réel de la distrg- bution de l'énergie dans le faisceau relié au dispositif intermédiaire et pilotant ce dernier. L'invention sera mieux comprise grâce à la description ci-après, qui se rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels la figure 1 est un schéma par bloc du dispositif conforme à l'invention ; la figure 2 est une vue en coupe d'un capteur, et la figure 3 représente une variante de montage du capteur. Conformément à l'invention, et comme le montre, plus particulièrement, à titre d'exemple, la figure 1 des dessins annexés, le dispositif d'analyse de la répartition d'énergie au sein d'un faisceau laser de puissance est caractérisé en ce qu'il fonctionne en mode continu et en mode impulsionnel, et en ce qu'il est essentiellement constitué par un capteur thermo-électrique 1, qui est directement exposé au faisceau laser 2 et qui délivre des signaux électriques à un dispositif intermédiaire 3 de démultiplexage et d'amplification, et par un ordinateur ou un micro-ordinateur 4 de traitement des mesures et de visualisation en temps réel de la distribution de l'énergie dans le faisceau 2, qui est relié au dispositif intermédiaire 3 et pilote ce dernier. Le capteur thermo-électrique 1 est constitué par un corps étanche 5, dont la face 6, tournée vers la source du faisceau laser 2, est métallique et constitue, en coopération avec des fils métalliques 7, le support des thermocouples disposés sur des cercles coaxiaux ou suivant une matrice carrée ou rectangulaire, ou encore suivant une croix ou une étoile, les fils 7 traversant, de manière étanche,la face 8 du corps 5 opposée à la face 6 tournée vers la source du faisceau laser 2, et le corps 5 étant pourvu, en outre, de deux orifices 9 de circulation d'un fluide de refroidissement (figure 2). Les thermocouples sont avantageusement réalisés à partir de couples fer-constantan, la face 6 du corps 5 du capteur 1 étant réalisée en une tôle de fer pur, dont l'état de surface est uniforme, et les fils métalliques 7 étant en constantan ; la soudure entre chaque fil 7 du thermocouple et la tôle formant la face 6 est réalisée, soit à l'arc par décharge capacitive d'une rampe de condensateurs, soit à l'aide d'un laser pulsé, par soudure par transparence. Bien entendu, les métaux constituant les thermocouples peuvent être différents de ceux indiqués ci-dessus, et sélectionnés dans les tables standards, le couple précité étant choisi pour des raisons de faible prix de revient et de facilité de réalisation. La disposition des thermocouples est fonction de la finesse d'analyse, ou résolution requise, du diamètre du faisceau au niveau du plan d'analyse, et du nombre de voies du dispositif intermédiaire 3 de démultiplexage auquel lesdits thermocouples sont reliés, et l'écartement entre chacun des thermocouples dépend du diamètre des fils 7 et du procédé de soudage qui est adopté. A titre d'exemple, on peut concevoir une matrice carrée de 16 X 16 thermocouples constitués par des fils de 0,5 mm de diamètre qui sont espacés entre-eux de 2 1 mm, déterminant une surface d'analyse de 256 mm . La face 6 du corps étanche 5 tournée vers la source du faisceau laser 2 est refroidie par une circulation forcée d'un liquide de refroidissement, généralement de l'eau, dont le débit est régulé de manière à permettre l'établissement du régime thermique. Avantageusement, le liquide de refroidissement est de l'eau déminéralisée, afin d'éviter un dépôt de tartre dans le corps 5, et peut être le même que celui utilisé pour le refroidissement de la cavité laser. Le dispositif d'analyse, conforme à l'invention, est avantageusement monté de manière pivotable sur un axe parallèle à l'axe du faisceau laser 2, soit extérieurement devant le hublot de sortie de la cavité laser, soit intérieurement devant ledit hublot dans la cavité laser. Ainsi, pour la réalisation d'une mesure il suffit d'interrompre le faisceau laser par interposition du dispositif, ce dernier étant pivoté hors du faisceau après la mesure. La figure 3 représente une variante de réalisation de l'invention, dans laquelle le capteur 1 est monté perpendiculairement à l'axe du faisceau laser 2 et coopère, pour la mesure, avec un obturateur escamotable 10 constitué par un miroir 11 incliné à 45" par rapport aux axes du faisceau laser 2 et du capteur 1, et pouvant être placé dans le parcours du faisceau laser 2 au moyen d'un vérin ou d'une came au moment de la mesure. Ainsi, le dispositif permet de contrôler le faisceau qui est réfléchi par le miroir li sur le capteur 1 avant utilisation sur le poste de travail. Le contrôle du faisceau est avantageusement effectué pendant les temps morts, en utilisant le capteur 1 comme piège à lumière. Selon une autre variante de réalisation de l'invention, non représentée aux dessins annexés, le capteur 1 est monté obliquement par rapport au faisceau laser 2, coopère avec un obturateur escamotable incliné de manière correspondante, ou remplace ce dernier, et réfléchit l'énergie non absorbée sur un piège à lumière. Dans le cas d'un contrôle du faisceau à l'extérieur de la cavité laser, le dispositif selon l'invention peut permettre d'effectuer des diagnostics sur l'état des optiques par réalisation de contrôles du faisceau laser avant et après chacune des optiques. Le dispositif est également utilisable pour la vérification des stabilités directionnelles de mode et de dimension du faisceau. L'ordinateur ou le micro-ordinateur 4 de traitement des mesures et de visualisation en temps réel de la distribution de l'énergie dans le faisceau 2 est relié au dispositif intermédiaire 3 par un convertisseur analogique-digital 12, et commande ledit dispositif 3 au moyen d'une interface parallèle 13. Cet ordinateur ou micro-ordinateur 4, qu comporte de manière connue une unité centrale 14, une mémoire de masse 15 et un écran graphique 16, est relié en outre à une imprimante 17. Le dispositif conforme à l'invention fonctionne de la manière suivante Lorsque le capteur 1 est placé dans le parcours du faisceau laser 2, chacun des thermocouples du capteur délivre une tension qui est proportionnelle à l'échauffement de la soudure de celui-ci , cet échauffement étant fonction, quant à lui, de la quantité d'énergie absorbée. Si l'énergie du faisceau n'est pas uniformément répartie sur la face 6 du corps étanche 5 du capteur 1, les différents thermocouples enregistreront des températures différentes et délivreront donc des tensions différentes. Ces tensions, qui sont de l'ordre de quelques mV pour un courant de quelques tA seulement, attaquent le dispositif de démultiplexage et d'amplifi- cation 3, formé par un démultiplexeur 3' et par un amplificateur 3", et dont le démultiplexeur 3' comporte autant d'entrées que de thermocouples, et dont la sortie met en liaison alternativement chacune des voies de mesure reliées aux entrées avec l'amplificateur 3". L'amplificateur 3", qui permet d'obtenir un signal compatible avec le niveau du signal d'attaque du convertisseur analogique-digital, nécessaire pour l'obtention de mesures correctes, est relié par sa sortie au convertisseur analogique-digital 12 qui traduit les signaux analogiques en nombres directement utilisables par l'ordinateur 4. Après mesure de la tension sur une voie, l'ordinateur 4 effectue la mesure de la tension sur la voie suivante (thermocouple suivant) en envoyant une impulsion de commande au démultiplexeur 3' par l'intermédiaire de l'interface parallèle 13. Après réalisation d'une série de mesures sur l'ensemble des voies, l'ordinateur 4 affiche le résultat sur l'écran 16, puis passe à la série de mesures suivante.La vitesse du traitement des données dépend de la puissance de l'ordinateur 4 et de la qualité du dispositif intermédiaire 3 de démultiplexage et d'amplification. Par exemple, avec une matrice de 256 thermocouples, et une interface d'acquisition d'un faible coût, dont le temps de conversion de chaque mesure est inférieur à 100 Ms sur 12 bits, il faut environ 25 ms pour réaliser une série de mesures sur l'ensemble des thermocouples. En comptant un temps de traitement des données (calcul, affichage) de l'ordre de 75ms, cela revient à avoir de l'ordre de 10 images/seconde de la répartition d'énergie sur l'écran. I1 est possible d'améliorer les performances de ce système avec une carte d'acquisition rapide à accès direct en mémoire et un logiciel adapté et optimisé. L'imprimante 17 peut permettre d'extraire immédiatement des graphes de la répartition d'énergie, et la mémoire de masse 15 permet l'archivage des résultats et l'évaluation de la tenue dans le temps de la qualité du faisceau. Les variations d'intensité au sein du faisceau se traduiront sur l'écran -ou sur les graphes restitués par l'imprimante sous forme de courbes plus ou moins régulières. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif peut être complété par une interface (non représentée) adaptée pour asservir en position les miroirs de la cavité laser à partir d'une interprétation rapide des mesures enregistrées. Ainsi, il est possible de réaliser un pilotage quasiment en temps réel desdits miroirs de la cavité laser. Grâce à l'invention, il est possible d'analyser la répartition d'intensité au sein d'un faisceau laser lors d'un tir pulsé ou continu, par l'utilisation d'une matrice de thermocouples reliée à un ordinateur, le capteur comportant ladite matrice étant directement exposé au faisceau et permettant de visualiser en temps réel la distribution dans le faisceau. En outre, le dispositif conforme à l'invention permet de réaliser, à partir du contrôle du faisceau, un réglage optimal des miroirs de la cavité laser, par intervention manuelle ou à l'aide d'un asservissement. Ce dispositif est simple de mise en oeuvre et de réglage et d'un faible prix de revient, et permet un contrôle en continu fiable, à savoir sans intermédiaire entre le faisceau et le capteur, et facilement exploitable par traitement informatique. De plus, ce dispositif est peu encombrant et ne comporte pas de pièces en mouvement. Le dispositif conforme à l'invention présente des possibilités d'utilisation particulièrement intéressantes en ambiance industrielle, par exemple, pour déceler une anomalie de fonctionnement et/ou pour faire un suivi de l'état d'une machine, notamment par archivage informatique. Dans le cas d'une utilisation en laboratoire, le dispositif permet d'assurer utilement la bonne reproductibilité des essais effectués. Enfin, ce dispositif est utilisable pour des faisceaux laser de toutes natures et de toutes géométries. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'analyse de la répartition d'énergie au sein d'un faisceau laser de puissance, caractérisé en ce qu'il fonctionne en mode continu et en mode impulsionnel, et en ce qu'il est essentiellement constitué par un capteur thermo-électrique (1) directement exposé au faisceau laser (2) et délivrant des signaux électriques à un dispositif intermédiaire (3) de démultiplexage et d'amplification, et par un ordinateur ou un micro-ordinateur (4) de traitement des mesures et de visualisation en temps réel de la distribution de l'énergie dans le faisceau (2), relié au dispositif intermédiaire (3) et pilotant ce dernier. 2. Dispositif, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur thermo-électrique (1) est constitué par un corps étanche (5), dont la face (6), tournée vers la source du faisceau laser (2), est métallique et constitue, en coopération avec des fils métalliques (7), le support des thermocouples disposés sur des cercles coaxiaux ou suivant une matrice carrée ou rectangulaire, ou encore suivant une croix ou une étoile, les fils (7) traversant, de manière étanche, la face (8) du corps (5) opposée à la face (6) tournée vers la source du faisceau laser (2), et le corps (5) étant pourvu, en outre, de deux orifices (9) de circulation d'un fluide de refroidissement. 3. Dispositif, suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les thermocouples sont avantageusement réalisés à partir de couples fer-constantan, la face (6) du corps (5) du capteur (1) étant réalisée en une tôle de fer pur, dont l'état de surface est uniforme, et les fils métalliques (7) étant en constantan, la soudure entre chaque fil (7) du thermocouple et la tôle formant la face (6) étant réalisée, soit à l'arc par décharge capacitive d'une rampe de condensateurs, soit à l'aide d'un laser pulsé, par soudure par transparence. 4. Dispositif, suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est avantageusement monté de ma nière pivotable sur un axe parallèle à l'axe du faisceau laser (2), soit extérieurement devant le hublot de sortie de la cavité laser, soit intérieurement devant ledit hublot dans la cavité laser. 5. Dispositif, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur (1) est monté perpendiculairement à l'axe du faisceau laser (2) et coopère, pour la mesure, avec un obturateur escamotable (10) constitué par un miroir (11) incliné à 45" par rapport aux axes du faisceau laser (2) et du capteur (1), et pouvant être placé dans le parcours du faisceau laser (2) au moyen d'un vérin ou d'une came au moment de la mesure. 6. Dispositif, suivant l'une quelconque des revendications 1 et 5, caractérisé en ce que le capteur (1) est monté obliquement par rapport au faisceau laser (2), coopère avec un obturateur escamotable incliné de manière correspondante, ou remplace ce dernier, et réfléchit l'énergie non absorbée sur un piège à lumière 7. Dispositif, suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est complété par une interface adaptée pour asservir en position les miroirs de la cavité laser à partir d'une interprétation rapide des mesures enregistrées.