Brevet FR2633782A1 — publié le 19900105

I DISPOSITIF DE PRELEVEMENT D'UN FAISCEAU SECONDAIRE A PARTIR D'UN FAISCEAU LASER PRINCIPAL Description La présente invention a pour objet un dispo- sitif de prélèvement d'un faisceau secondaire à partir d'un faisceau Laser principal. Elle s'applique notam- ment aux mesures de puissance et de profil d'intensité du faisceau principal en temps réel et sans perturba- tion de ce faisceau. Ce dispositif concerne essentiel- lement les lasers infrarouges. Depuis leur création, un intérêt particulier est porté aux lasers infrarouges de grande puissance (de l'ordre du kW et plus) en régime impulsionnel ou continu. Ces Lasers trouvent des utilisations dans Le traitement de surface des matériaux, la sou- dure, le perçage, la découpe... De telles applications nécessitent la mal- trise des paramètres du faisceau laser (sa géométrie, sa puissance). Un contrôle efficace implique la mesure, en temps réel, du profil d'intensité et de la puissance du faisceau. Pour ne pas perturber la tâche à effectuer mais aussi pour ne pas détruire les détecteurs en les soumettant à de trop fortes intensités lumineuses, on prélève à partir du faisceau principal un faisceau secondaire de faible intensité (de l'ordre du mW et moins). Les principaux dispositifs connus font appel à des éLéments de séparation tels qu'une Lame séparatrice place sur Le parcours du faisceau. Cette lame réfléchit un faible pourcentage de l'intensité du faisceau principal; des mesures de profil d'inten- sité ou de puissance sont alors aisément praticables sur ce faisceau réfléchi, image du faisceau principal (connaissant le coefficient de réflexion de la lame, la puissance du faisceau principal se déduit facilement de la mesure de la puissance réfléchie). Ces dispositifs connus présentent un inconvé- nient majeur: soumis au rayonnement intense des Lasers de puissance, ils absorbent une certaine quan- tité d'énergie lumineuse. L'échauffement provoqué par ce phénomène entraîne à la longue une détérioration des dispositifs. Les coefficients de réflexion n'ont plus Leur valeur nominale, et le profil du faisceau réfléchi ne correspond plus au profiL du faisceau principal. La présente invention pallie cet inconvénient des dispositifs de séparation connus. Elle ne perturbe pratiquement pas Le faisceau principal et n'est pas détruite par son rayonnement intense. Elle préconise pour cela L'utilisation d'une interaction de type Rayleigh-BriLouin entre le faisceau laser et une onde acoustique. Cette onde acoustique est engendrée dans l'air par un transducteur, suivant une direction de propagation sensiblement perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau lumineux. De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif de prélèvement d'un faisceau secondaire à partir d'un faisceau laser principal. Ce dispositif comprend, pour soumettre ledit faisceau principal à une onde acoustique, fixé sur un support, un trans- ducteur apte à engendrer à partir d'un signal électri- que périodique de fréquence f, une onde acoustique progressive de même fréquence et un générateur d'ondes électriques relié au transducteur. Ce générateur fournit au transducteur ledit signal électrique. Le transducteur sous l'excitation électrique entre en vibration résonnante à la fréquence f du signal électrique et engendre une onde acoustique progressive dans l'air ambiant. L'indice de l'air est modulé par l'onde acoustique et forme l'équivalent d'un réseau de diffraction (réseau d'indice). Cette onde se propageant sensiblement perpendiculairement au faisceau Lumineux entralne une diffraction de ce dernier. On obtient ainsi de part et d'autre du faisceau principal un faisceau secondaire, image du faisceau principal. L'intensité de ces faisceaux secondaires est directement reliée à la profondeur de modulation de l'onde acoustique. Cette dernière dépend essentiel- lement de l'intensité du signal électrique auquel est soumis le transducteur. On peut donc faire varier l'intensité des faisceaux secondaires en faisant varier L'intensité du signal électrique. L'intensité des faisceaux secondaires est choisie très faible devant l'intensité du faisceau principal: le prélèvement ne perturbe pratiquement pas ce dernier. Le matériau, siège de L'interaction entre l'onde acoustique et le faisceau lumineux, est donc l'air ambiant. Ce matériau gazeux ne risque pas de brOler et ne présente pas d'état de surface à protéger. IL est disponible facilement et ne nécessite pas d'entretien particulier. Dans une variante de réalisation, le trans- ducteur est monté face à une surface réfléchissant les ondes acoustiques de manière à former une cavité acoustique résonnante stable. L'onde acoustique réfléchie se combine avec L'onde acoustique incidente émise par le transduc- teur pour donner lieu à une onde acoustique station- naire de fréquence f. Le faisceau lumineux diffracté est, dans ce cas, la superposition des deux faisceaux lumineux diffractés, l'un par l'onde acoustique inci- dente, L'autre par l'onde acoustique réfléchie. Le faisceau lumineux diffracté est donc composé de deux ondes Lumineuses sensiblement de mêmes amplitudes mais dont la différence de fréquence est 2f. Dans une autre variante de réalisation, un second transducteur est disposé en regard du premier transducteur. Ce second transducteur est Lui aussi relié au même générateur d'ondes électriques; iL fournit donc une onde progressive identique se propa- geant dans La même direction mais en sens opposé à celle issue du premier transducteur. Les interféren- ces entre ces deux ondes acoustiques donnent Lieu à une onde stationnaire. Cette onde stationnaire de fréquence f produit, comme précédemment, une dif- fraction du faisceau lumineux comportant deux modes se propageant dans la même direction mais avec des fréquences dont l'écart est 2f. Pour pouvoir déterminer Les paramètres du faisceau, le dispositif de prélèvement est couplé à des moyens de détection d'un faisceau lumineux. Les caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront mieux après la description qui suit donnée à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés, sur lesquels: - les figures 1A et 1B représentent schémati- quement une vue de dessus et une coupe suivant l'axe AA respectivement, d'un dispositif selon l'invention, - les figures 2A et 2B représentent schémati- quement une vue de dessus et une coupe suivant l'axe BB respectivement, d'une variante de réalisation - selon l'invention, - les figures 3A et 3B représentent schémati- quement une vue de dessus et une coupe suivant l'axe CC respectivement, d'une autre variante de réalisation selon l'invention, - la figure 4 représente schématiquement un dispositif selon L'invention muni d'un dispositif de mesure de puissance et d'une détection synchrone avec un hacheur, - la figure 5 représente schématiquement un dispositif selon l'invention muni d'un dispositif de mesure de puissance et d'une détection synchrone à la fréquence 2f, - la figure 6 représente schématiquement un dispositif selon l'invention muni d'un dispositif d'analyse de profil. La figure 1A représente schématiquement une vue de dessus d'un dispositif selon l'invention. On voit le transducteur 10 fixé sur son support 12 et relié à un générateur d'ondes électriques 14. Le transducteur peut être par exemple en niobate de lithium (LiNbO3) ou en titanate de baryum (BaTiO3) du type de ceux fabriqués et commercialisés par la Société Quartz et Silice. Le transducteur 10 entre en vibration sous l'effet du signal électrique à la fréquence f délivré par le générateur 14 et engendre dans l'air ambiant une onde acoustique progressive à la fréquence f. Cette onde acoustique module l'indice de l'air et forme L'équivalent d'un réseau de diffraction. L'interaction entre l'onde acoustique et le faisceau lumineux 16 engendre deux faisceau lumi- neux diffractés de part et d'autre du faisceau 16, d'intensité très faible devant l'intensité du faisceau lumineux 16. Pour un faisceau lumineux infrarouge de longueur d'onde égale à 10,6 micromètres (provenant d'un laser à C02 par exemple) et dont 'le diamètre est égal à 1 cm avec une divergence de 3.10-3 radian, on peut utiliser par exemple une onde acoustique à une fréquence f de 2 MHz et une largeur du faisceau acoustique de 2 cm. On obtient alors des faisceaux diffractés faisant un angle i de 7.10-2 radian avec le faisceau principal et dont la puissance est de 0,73a2 o a est la profondeur de modulation de l'onde acoustique. Si a est égaL à 10-3, chaque faisceau diffracté trans- porte une puissance de 0,7 mW. La perturbation subie par le faisceau principal 16 est donc bien négligeable (environ 6 ordres de grandeur entre les puissances incidente et diffractées). Le choix de la fréquence acoustique (de l'ordre du MHz par exemple) est conduit par deux considérations. L'angle de déviation i doit être suffisant pour permettre une séparation appréciable entre le faisceau principal 16 et les faisceaux dif- fractés. Cet angle dépend de la longueur d'onde du laser (donc fixée) et de la fréquence f de L'onde acoustique. Plus cette fréquence f est élevée et plus l'angle i de déviation est grand. Mais si l'on augmente trop la valeur de la fréquence f, l'onde acoustique est amortie dans l'air au point qu'elle est inutilisable pour la diffraction d'un faisceau lumineux. Ces deux considérations font que dans l'air, le dispositif est particulièrement bien adapté à un faisceau lumineux infrarouge ayant une longueur d'onde d'environ 10 micromètres. On peut sans. sortir du cadre de l'invention se placer dans l'atmosphère d'un autre gaz pour obtenir des coefficients élastiques et des valeurs d'indices différents ou pour réduire l'absorption des-ondes ultrasonores par ce gaz. Dans les conditions d'utilisation citées plus haut, le réseau formé par l'onde acoustique est un réseau "fin". Pour une bonne efficacité de la diffraction, il suffit que les ondes acoustique et lumineuse se propagent sensiblement perpendiculai- rement. Il est bien entendu que le changement de valeur de certains paramètres entraînerait, sans sortir du cadre de l'invention, le passage d'une diffraction sur un réseau "fin" à une diffraction sur un réseau "épais". Dans ce cas, le faisceau lumi- neux doit attaquer l'onde acoustique sous l'angle de Bragg facilement déterminé par l'homme du métier. Une onde acoustique délivrée par un transduc- teur plan présente une divergence. La diffraction d'un faisceau lumineux par une onde acoustique est la plus efficace lorsque le faisceau acoustique est parallèle. Afin d'obtenir un faisceau acoustique parallèle ayant la forme d'une nappe plane, on peut utiliser un transducteur dont la surface est cylindri- que concave de manière à compenser la divergence. On peut aussi ajouter un réflecteur (non représenté) sur l'arrière du transducteur, simple pièce réfléchis- sante prolongeant le transducteur et permettant la compensation de la divergence. La figure lB est une coupe du dispositif selon l'invention selon l'axe AA repéré sur la figure JA. Le tranducteur 10 est placé le plus près possible du faisceau 16 pour éviter une perte d'efficacité de la diffraction dûe à l'amortissement de l'onde acoustique dans l'air. L'air ambiant est le siège de l'interaction entre l'onde acoustique et le faisceau lumineux princi- pal 16. Des perturbations provoquées par des déplace- ments au voisinage du dispositif entraÂnent des varia- tions locales de l'indice de l'air et faussent les mesures. De manière avantageuse, on place donc tout le parcours du faisceau acoustique sous un capot protecteur 15 évitant les déplacements d'air intempes- tifs. On peut aussi créer l'onde acoustique dans un gaz autre que l'air ambiant, par exemple émis par une buse de géométrie convenable. Les figures 2A et 2B représentent une variante de réalisation d'un dispositif selon L'invention. Le réseau de diffraction engendré par Le dispositif est ici créé à partir d'une onde acoustique stationnaire obtenue par les interférences produites par la réflexion de l'onde acoustique progressive sur une surface 18 réfléchissante. L'ensemble composé par le transducteur 10 et la surface 18 réfléchissante en regard forme une cavité résonnante stable: le faisceau acoustique qu'elle contient n'est pas divergent. En assurant au transducteur et à la surface 18 réfléchissante une concavité convenable (dont Le rayon de courbure peut être supérieur ou égal au double de la longueur d'onde de la cavité acoustique) on obtient un faisceau pratiquement parallèle à l'intérieur de la cavité. La figure- 2A représente schématiquement une vue de dessus d'un tel dispositif et la figure 2B une vue en coupe selon l'axe BB représenté sur la figure 2A. L'écart entre le transducteur 10 et la surface 18 lui faisant face est tel que l'onde acoustique puisse faire un aller-retour dans la cavité sans que la perte en amplitude par amortissement nuise à la formation d'une onde stationnaire. Cet écart est de 2 à 5 cm par exemple pour un faisceau lumineux de 1 cm de diamètre; il est évidemment suffisant pour laisser le passage au faisceau entre le transducteur 10 et la surface 18. Les figures 3A et 3B représentent une autre variante de réalisation d'un dispositif selon l'inven- tion. Le réseau de diffraction est aussi réalisé à partir d'une onde stationnaire; mais cette dernière est engendrée par Les interférences entre deux ondes acoustiques progressives contre-propageantes issues de deux transducteurs 10, 20 disposés en regard. Les deux transducteurs 10, 20 sont reliés au générateur d'ondes électriques 14. La figure 3A représente une vue de dessus de ce dernier dispositif; la figure 3B représente une coupe selon L'axe CC présenté figure 3A. De manière analogue au dispositif représenté figure 2, l'écart entre les deux transducteurs 10, 20 est tel que les amplitudes des deux ondes acoustiques contre propagean- tes puissent interférer sans que l'amortissement vienne perturber la création du réseau. Cet écart est de 2 à 5 cm par exemple, pour un faisceau lumineux de I cm de diamètre. Pour effectuer des mesures de caractérisation d'un faisceau Lumineux, le dispositif de prélèvement est couplé à des moyens de mesure. La figure 4 représente schématiquement un dispositif selon l'invention muni d'un dispositif de mesure de puissance. Dans le cas o le réseau de diffraction est réalisé par une onde acoustique progressive, le mesureur de puissance 22 est avantageu- sement couplé à une détection synchrone comprenant un hacheur 24 (chopper en terminologie anglo-saxonne) et un amplificateur synchrone 26. L'amplificateur synchrone 26 est synchronisé sur la vitesse de rotation du hacheur 24; le faisceau lumineux détecté est ainsi modulé à une certaine fréquence fM. L'amplifica- teur synchrone 26 n'amplifie que les composantes du signal délivré par le mesureur de puissance 22 à cette fréquence fM. On améliore de cette façon Le rapport signal sur bruit. L'amplificateur synchrone 26 est reljé à des moyens 28 de traitement du signal délivré par l'amplificateur 26 et de visualisation des résultats des mesures. Le faisceau peut être focalisé sur Le mesu- reur de puissance par une optique de focalisation 30. Ce peut être un miroir convergent ou un système de Lentilles par exempte. Le dispositif de mesure de puissance 22 doit être sensible à la longueur d'onde du faisceau lumineux et présenter un rapport signal sur bruit permettant la mesure de puissances faibles (de l'ordre du mW). Dans te domaine de l'infrarouge, on peut utiliser par exemple des détecteurs pyroéLectriques en céramique fabriqués et commercialisés par la société R. T.C., en tantalate de lithium (LiTaO3) fabriqués par la Société Molectron et commercialisés par la Société Optilas, ou du type de ceux fabriqués par la Société Plessey et commercialisés par la Société Oriel. On peut aussi utiliser des détecteurs quanti- ques au tellurure de cadmium dopé au mercure (HgCdTe) qui doivent être refroidis dans un cryostat à la température de 77 K. De tels détecteurs sont produits et commercialisés par La Société Anonyme des TéLécommu- nications (S.A.T.). De grande sensibilité, Leur emploi est complexe en raison de la nécessaire tenue en froid. On peut mettre à profit le battement des deux ondes lumineuses diffractées dont l'écart de fréquence est 2f dans le cas d'une diffraction par une onde acoustique stationnaire produite par les transducteurs 10, 20 par exemple. Le signal délivré par un détecteur quadratique comporte une composante à la fréquence 2f qui peut être amplifiée sélectivement de façon à augmenter le rapport signat sur bruit. Comme on Le voit sur la figure 5, le disposi- tif de mesure de puissance 22 est alors relié à un amplificateur 32, synchrone à la fréquence 2f. Les lumières parasites modulées à d'autres fréquences sont ainsi éliminées. L'amplificateur 32 est relié à un anaLyseur de signal 28. La figure 6 représente schématiquement un dispositif selon l'invention muni d'un dispositif d'analyse de profil. Une optique de focalication permet d'adapter le diamètre d'un des faisceaux diffractés au diamètre de la surface sensible du dispositif d'analyse de profil 34. Ce dernier peut être réalisé par une matrice de détecteurs permettant l'analyse de la distribution d'intensité par exemple. De tels dispositifs sont fabriqués et commercialisés par la Société Anonyme des Télécommunications par exemple. Ce sont des matrices de détecteurs HgCdTe qu'il faut utiliser à basse température dans un cryostat (non représenté). Cette matrice de détecteurs est lue par multiplexage. Un lecteuramplificateur 36 relié au dispositif d'analyse 34 permet cette opération. Ce lecteur est relié à des moyens 28 qui permettent entre autres la visualisation de la distribution de l'intensité dans le faisceau secondaire, image du faisceau principal. On peut avantageusement placer une détection synchrone avec hacheur dans ce dispositif pour amélio- rer le rapport signal sur bruit. Le dispositif selon l'invention permet donc les mesures en temps réel des différents paramè- tres caractéristiques d'un faisceau lumineux. Ces mesures peuvent être effectuées sans, destruction des moyens de mesure grâce à L'emploi d'un gaz (préfé- rentiellement de l'air) comme milieu dispersif permet- tant d'effectuer Le prélèvement d'un faisceau secon- daire de faible intensité à partir du faisceau prin- cipat à caractériser. Le faisceau principal n'est pas perturbé par Le prélèvement, son intensité étant très supérieure à l'intensité du faisceau secondaire. Revendications 1. Dispositif de prélèvement d'un faisceau secondaire, à partir d'un faisceau laser principal, caractérisé en ce qu'il comprend, pour soumettre ledit faisceau principal à une onde acoustique: - fixé sur un support (12), un transducteur (10) apte à engendrer à partir d'un signal électrique périodique de fréquence f, une onde acoustique progres- sive de même fréquence, - un générateur d'ondes électriques (14) relié au transducteur (10) et lui fournissant ledit signal électrique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transducteur (10) présente une surface concave. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I ou 2, caractérisé en ce que le trans- ducteur (10) est monté face à une surface (18) réflé- chissant les ondes acoustiques de manière à former une cavité acoustique résonnante stable. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte un second transducteur (20) relié à l'alimentation (14) et apte à engendrer à partir du signal électrique de fréquence f, une onde acoustique progressive de même fréquence, ce second transducteur (20) étant placé en regard du premier transducteur (10). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un capot protecteur (15) de l'atmosphère siège de l'onde acoustique. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est couplé à des moyens de détection d'un faisceau lumi- neux. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de détection d'un faisceau lumineux sont constitués par une optique de focalisation (30) et un dispositif de mesure de puissance lumineuse (22). 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de détection d'un faisceau lumineux sont constitués par une optique de focalisation (30) et un analyseur de profil de faisceau lumineux (34). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les moyens de détection comprennent en outre un amplificateur synchrone (26) et un hacheur (24) de faisceau lumineux commandé par ledit amplificateur synchrone (26). 10. Dispositif selon les revendications 4 et 6, caractérisé en ce que les moyens de détection comprennent en outre un amplificateur synchrone (32) à la fréquence 2f.