Brevet FR2644901A1 — publié le 19900928

DISPOSITIF SUSCEPTIBLE DE MINIATURISATION, POUR LA FOCALISATION D'UN FAISCEAU LASER ISSU D'UNE FIBRE OPTIQUE La pressente invention concerne un dispositif de focalisation d'un faisceau laser issu d'une fibre optique. Elle s'applique notamment aux traitements par Lasers de puissance dans des endroits exigus et donc d'accès difficile, par exemple dans des tubes de faible diamètre (moins de 30 mm). Par "traitement", on entend par exemple un soudage, un découpage, un marquage, un traitement de surface ou encore un brasage. On connaSt déjà des dispositifs de focalisation d'un faisceau laser de puissance issu d'une fibre optique et destiné par exemple au soudage ou au découplage de matériaux. Une extrémité de La fibre est placée dans un corps qui contient, en regard de cette extrémité, des moyens de focalisation du faisceau Laser. Un dispositif de ce genre présente L'inconvévient d'être encombrant. En effet, Les moyens de focalisation dont il est muni comportent plusieurs lentilles (optiques à transmission) dont les diametres sont nécessairement importants pour obtenir un faisceau focalisé de bonne qualité (dont la tache focale a de faibles dimensions) et ne permettent pas de réaliser un dispositif dont le corps aurait un diamètre inférieur à environ 30 mm. La présente invention a pour but de remédier à cet inconvenient en utilisant, pour la focalisation, non pas plusieurs lentilles mais une optique catadioptrique. réflectrice du miroir 16 peut être revetue de couches anti-reflets 40 qui sont compatibles avec La longueur d'onde du faisceau laser incident. Le montage du dispositif est effectué de La façon suivante : La lentille 14 est fixée dans sa monture 20 grace å la bague filetée 19 ; La monture est fixée au support de L'embout 12 ; cet embout 12 est fixé dans son support 18 ; l'ensemble ainsi obtenu est embout dans La partie 7 du corps, qui porte Les conduits 28 et 30 ; La partie 8 du corps, dans laquelle le miroir 16 et Le joint 34 ont préalablement été mis en pLace, est embo5tée sur la monture 20 et sur les conduits 28 et 30 ; enfin, on visse L'une à L'autre les parties de corps 7 et 8 au moyen de vis telles que ta vis 41. Par ailleurs, on a représenté sur les figures 2 à 4, de façon schématique et partielle, des dispositifs conformes å L'invention qui différent du dispositif représenté. sur La figure 1 par te fait que ta lentille 14 y est remplacée par des moyens optiques qui en sntdifferents mais qui ont la même fonction, à savoir La diminution de ta divergence du faisceau issu de ta fibre optique 4.Ces moyens optiques sont : dans te dispositif représenté sur la figure 2, une micro LentiLLe 42 qui est fixée à L'extrémité de La fibre 4 en regard de La surface réflectrice du miroir 16, et dans te dispositif représenté sur La figure 3, une micro-lentille 44 qui est formée (de façon connue) en cette extrémité de ta fibre optique, ces micro lentilles étant aptes a réduire La divergence du faisceau.Pour le dispositif de la figure 4, on utilise une fibre optique dont L'extrémité qui se trouve en regard de la surface réf Lectrice du miroir 16 a, tant pour son coeur optique que sa gaine optique, une forme évasée sensiblement tronconique, de telles Un premier conduit d'arrivée de gaz 28 est logé dans le corps, à la périphérie de celui-ci. Ce conduit 28 débouche dans L'espace compris entre La surface réflectrice du miroir 16 et la lentilLe 14, en un point qui, sur ta vue en coupe LongitudinaLe de la figure 1, est situe du côté d'une extrémité de La surface réf lectrice du miroir 16 tandis que Le perçage 24 est situe du côté de t'autre extrémité de cette surface réflectrice, ce qui permet au gaz de remplir l'espace en question puis de Sortir par le perçage 24 en direction de la zone d'interaction du faisceau laser avec le matériau 2. Un second conduit d'arrivée de gaz 30 est également logé dans le corps, à ta périphérie de celui- ci,et débouche, par une buse, dans t'espace en question, sensiblement au voisinage du perçage 24, à la périphérie de ce dernier, pour former le rideau de gaz au niveau du perçage. Afin d'empêcher des fuites du gaz, qui nuiraient à la protection gazeuse recherchée, divers joints d'étanchéité sont prévus dans le dispositif, à savoir : - un joint 32 qui est placé à la périphérie du miroir 16 et qui est écrasé contre la paroi interne de la partie 8 du corps, - un joint 34 qui est placé entre la monture 20 et L'épaulement interne du corps et qui est écrasé contre ces derniers, - un joint 36 qui est placé à une extrémité de la monture 20, en regard du support 18, et écrasé contre ce dernier , et - un joint 38 qui est placé à une extrémité du support 18 et qui est écrasé par L'extrémité de grande section transversale 22 del'embout 12. Comme on le voit sur La figure 2, La surface extrémité 22 de cet embout a une section transversale supérieure au reste de L'embout. Par L'extrémité 22, cet embout est en appui contre un joint d'étanchéité dont il sera question par La suite et qui est prévu sur L'extrémité correspondante du support 18. Les deux cotés du corps sont ouverts. En outre, la partie 8 du corps, qui porte le miroir 16, est munie d'un perçage 24 en reoard du miroir 1e, ce perçage permettant l2 sortie du faisceau laser réfléchi par te miroir 16 qui est convenabLement orienté à cet effet dans la partie 8 du corps et immobilise dans ta bonne position dans cette partie 8 grâce à une vis de blocage 26. Ainsi, le faisceau laser injecté à une extrémité de la fibre 4, se propage dans celte-ci, en sort par L'extrémité qui est situé dans L'embout 12 avec une certaine divergence, traverse L'optique 14 et en ressort avec une divergence plus faible pour atteindre ensuite le miroir parabolique 16. Ce dernier réfléchit le faisceau laser et concentre ce dernier à L'extérieur du corps, sur la zone souhaitée du matériau 2. Dans l'exemple représenté, le miroir parabolique 16 est disposé dans te corps pour réfléchir Le faisceau laser perpendiculairement à L'axe 10 du corps. Afin de protéger la Lentille 14 et surtout la surface réflectrice du miroir 16 qui est directement en regard du perçage 24, un gaz est soufflé à travers ce perçage 24 en direction de La zone d'interaction entre le faisceau laser et Le matériau 2, ce gaz assurant par la meme occasion la protection de la zone ainsi traitée contre une eventuelle oxydation. En outre, le gaz est envoyé en direction de la surface réf Lectrice du miroir 16, depuis un point qui est opposé à cette surface par rapport au perçage et qui se trouve au voisinage de ce dernier, pour former une Sorte de rideau de gaz au niveau du perçage. Le dispositif qui est schématiquement représente sur la figure 1 est par exemple destiné à traiter un matériau 2 au moyen d'un faisceau laser de puissance qui, à cet effet, est focalisé, ou concentré, sur le matériau 2. Ce dispositif comprend une fibre optique 4 qui permet la propagation du faisceau laser de puissance. Ce dernier est émis par un laser 6, par exemple de type YAG, et injecté à une extrémité de la fibre optique 4. L'autre extrémité de ta fibre optique est placee dans un corps creux de forme allongée, par exemple cylindrique, dont L'axe porte ta référence 10. Dans L'exemple représenté, le corps est en deux parties qui portent respectivement tes références 7 et 8. L'extrémité de ta fibre, qui se trouve dans la partie du corps, est fixée dans un embout 12, suivant L'axe 10 du corps. Dans ce dernier, on trouve d'un côté à L'autre, L'extrémité de La fibre 4 qui est placée dans son embout 12, une optique 14, par exemple une Lentille, prévue pour diminuer La divergence du faisceau laser issu de L'extrémité de La fibre, et une optique catadioptrique 16, par exemple un miroir parabolique hors d'axe ("off axisu selon la terminologie anglo-saxonne). L'embout 12 est monté dans un support 18. La Lentille 14 se trouve dans une monture 20 et elle est maintenue en place dans cette dernière grâce à une bague filetée 19, L'axe optique de la lentille 14 coi'ncidant avec L'axe 10 du corps. Une extrémité de ta monture 20 appuie par L'intermédiaire d'un joint d'étanchéité dont il sera question par La suite, contre un épaulement interne 21 de la partie 8 du corps tandis que son autre extrémité est fixée au support 18 de L'embout 12, la LentiLLe 14 se trouvant en regard d'une extrémité de cet embout 12.L'autre De plus, mQme s'iL est muni de ces moyens optiques, le dispositif objet de l'invention nécessite, pour une même surface de tache focale, bien moins de composants optiques que les dispositifs connus, mentionnés plus haut, qui ne comportent que des optiques à transmission. La présente invention permet ainsi une diminution du nombre de composants optiques par rapport aux dispositifs connus, d'où une fiabilité accrue et un court réduit. On notera aussi que cette diminution du nombre de composants optiques favorise la miniaturisation du dispositif. Un avantage supplémentaire de L'invention réside dans le fait que le montage mécanique des optiques catadioptriques est plus simple que celui des optiques à transmission, qui nécessitent une grande précision du système de montage et aussi des montures intermédiaires compte tenu du nombre de composants plus important. La présente invention sera mieux comprise à ta Lecture de la description suivante, d'exemples de réaLisation donnés à titre purement indicatif et nulLement Limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels : - La figure 1 est une vue schématique d'un mode de réaLisation particulier du dispositif objet de L'invention, qui utilise une lentilLe pour corriger la divergence du faisceau Laser à la sortie de la fibre optique, et - Les figures 2 à 4 sont des vues schématiques et partielles d'autres modes de réaLisation particuLiers qui, au tieu d'une lentille, utilisent respectivement une micro-lentille placée en bout de fibre, une micro-lentille formée en bout de fibre, une fibre à terminaison tronconique. permettent des usinages conduisant à des taches focales de formes tres diverses (rondes, carrées, de section plus ou moins grande ...). L'optique catadioptrique peut être munie de couches anti-reflets compatibles avec La longueur d'onde du faisceau Laser. Le dispositif objet de L'invention peut comprendre en outre des moyens optiques qui sont disposés dans le corps, en regard de L'optique catadioptrique, et qui sont prévus pour diminuer ta divergence du faisceau laser qui se propage dans ta fibre, avant l'envoi de ce faisceau à L'optique catadioptrique. Ces moyens optiques peuvent comprendre au moins une lentille prévue pour diminuer cette divergence, ou une micro-lentiLle qui est fixée à L'extrémité de La fibre et qui est prévue pour diminuer La divergence du faisceau laser ou une micro-lentille qui est formée à L'extrémité de la fibre et qui est prevue pour diminuer la divergence du faisceau laser ; en variante, on peut utiliser une fibre dont L'extrémité a une terminaison tronconique prévue pour diminuer la divergence du faisceau laser et formant ainsi Les moyens optiques. On notera que l'utilisation de telles microlentilles ou d'une telle terminaison tronconique favorise la miniaturisation du dispositif. Par ailleurs on notera que L'adjonction des moyens optiques en question, même si ces derniers comportent une ou plusieurs lentilles, ne pose pas de problème d'encombrement. En effet, ces lentilles ont simplement comme fonction de diminuer la divergence du faisceau lasser issu de la fibre optique et peuvent avoir des diamètres peu importants, bien inférieurs à 30 mm. Les optiques catadioptriques supportent mieux Les chocs que les optiques à transmission et sont plus faciles à nettoyer que ces dernières, en cas de projections résultant de l'interaction faisceau laser matériau à traiter. De plus, elles tolèrent quelques "piqûres" sans détérioration notabLe de La qualité de la tache focale. Selon un mode de réaLisation particulier du dispositif objet de L'invention, le corps a une forme allongée suivant un axe, L'extrémité de La fibre s'étend dans le corps parallelement à cet axe et le corps comporte un perçage prévu pour le passage du faisceau réf Léchi par L'optique catadioptrique. L'optique catadioptrique peut comporter un miroir à réflexion totale, apte à focaliser te faisceau, un miroir de type parabolique ou etlipsoidal par exempLe, qui non seulement dévie le faisceau laser mais encore focalise ce dernier. On notera ' que l'emploi d'un miroir parabolique permet la focalisation du faisceau laser dans une aire d'amplitude limitée quelle que soit la position incidente du faisceau laser, d'où une meilleure précision d'interaction qu'avec les dispositifs connus, ce qui facilite la robotisation du dispositif. En outre, dans ce dispositif, les tolérances de positionnement de la fibre sont plus targes que dans le cas des dispositifs utilisant des optiques de transmission pour ta focalisation. Ceci facilite et rend plus rapides le montage et le démontage du dispositif. De plus, Les machines actuellement disponibles pour L'usinage d'un miroir parabolique permettent L'optimisation de la forme de ce dernier en vue d'optimiser La forme de la tache focale et donc le traitement que l'on veut réaliser : ces machines De façon précise La présente invention a pour objet un dispositif de focalisation d'un faisceau Laser, ce dispositif comprenant :: - un corps, - une fibre optique qui est destinée à la propagation du faisceau laser et dont une extrémité est placée dans Le corps, et - des moyens de focatisation du faisceau laser, ces moyens de focalisation étant placés dans te corps en regard de cette extrémité de la fibre, dispositif caractérisé en ce que tes moyens de focalisation comprennent une optique catadioptrique prévue pour réfléchir et focaliser te faisceau issu de l'extrémité de la fibre. L'utilisation d'une optique catadioptrique permet La miniaturisation du dispositif : on peut réaliser un dispositif qui, tout en ayant la même qualité de faisceau focalisé (mêmes dimensions de tache focale) que les dispositifs connus, mentionnés plus haut, pressente des dimensions transversales (diamètre du corps, pour un corps cytindrique) notablement inférieures à 30 mm. L'invention permet par exempLe de réaliser un dispositif de focalisation de faisceau laser de puissance dont le corps est cylindrique et a un diamètre de 15 mm pour une Longueur de 100 mm. Une réduction de 30X, voire de SOX, de ces dimensions est meme envisageable. L'invention a d'autres avantages par rapport aux dispositifs connus, mentionnés plus haut Les optiques catadioptriques supportent mieux les flux Lumineux de forte intensité que tes optiques à transmission car elles sont réalisées à L'aide de matériaux thermiquement conducteurs et peuvent donc être aisément refroidies par eau ou par gaz, ce qui n'est pas réalisable pour Les optiques à transmission. fibres optiques étant connues dans t'état de La technique. Bien entendu, dans les dispositifs partiellement représentés sur les figures 2, 3 et 4, La monture 20 portant le joint 36 est supprimée et te support 18 de t'embout 12 est conçu pour venir écraser le joint d'étanchéité 34 contre L'épaulement interne de la partie 8 du corps Sien entendu, dans ce cas, cette partie'8 sera emboîtée sur Le support 18 et Les conduits 28 et 30. La présente invention n'est pas limitée à un emploi avec des lasers de puissance, par exemple de type VAG, mais peut être utilisée avec tout Laser, pourvu qu'il existe des fibres optiques compatibles avec la longueur d'onde d'émission de ce Laser, c'est å-dire capables de transporter le faisceau émis par ce Laser, et qu'il existe des matériaux optiquement reflecteurs à cette longueur d'onde (afin de pouvoir réaliser L'optique catadioPtrique)* Par ailleurs, la présente invention a des applications non seulement dans te domaine du traitement des materiaux mais encore dans Le domaine médical, voire le domaine artistique. REVENDICATIONS 1. Dispositif de focalisation d'un faisceau laser, ce dispositif comprenant - un corps (7, 8), - une fibre optique (4) qui est destinée à la propagation du faisceau laser et dont une extrémiste est placée dans Le corps, et - des moyens de focalisation du faisceau Laser, ces moyens de focalisation étant placés dans le corps en regard de cette extrémité de la fibre, dispositif caractérisé en ce que les moyens de focalisation comprennent une optique catadioptrique (16) prévue pour réfléchir et focaliser le faisceau issu de L'extrémité de la fibre. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps (7, 8) a une forme allongée suivant un axe (10), en ce que l'extrémité de la fibre (4) s'étend dans le corps parallèlement à cet axe et en ce que le corps comporte un perçage (24) prévu pour le passage du faisceau réfléchi par l'optique catadioptrique (16). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'optique catadioptrique comporte un miroir à réflexion totale (16), apte à focaliser Le faisceau. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que L'optique catadioptrique (16) est munie de couches anti-reflets (40) compatibles avec la Longueur d'onde du faisceau laser. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens optique (14, 42, 44, 46) qui sont disposés dans le corps, en regard de L'optique catadioptrique (16), et qui sont prévus pour diminuer la divergence du faisceau Laser qui se propage dans La fibre, avant l'envoi de ce faisceau à optique catadioptrique. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que Les moyens optiques comprennent au moins une lentille (14) prévue pour diminuer cette divergence. 7. Dispositif seLon La revendication 5, caractérisé en ce que les moyens optiques comprennent une micro-lentille (42) qui est fixée à L'extrémité de La fibre (4) et qui est prévue pour diminuer la divergence du faisceau laser. 8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que tes moyens optiques comprennent une micro-lentille (44) qui est formée à L'extrémité de La fibre t4) et qui est prévue pour diminuer La divergence du faisceau laser. 9. Dispositif selon La revendication 5, caractérisé en ce que L'extrémité de La fibre (4) a une terminaison tronconique qui est prévue pour diminuer la divergence du faisceau laser et qui forme les moyens optiques. 10. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 5.à 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (28, 30) de protection gazeuse de L'optique catadioptrique (16) et desdits moyens optiques (14, 42, 44, 46).