Brevet FR2641618A1 — publié le 19900713

264161S La présente invention est relative A un disposi- tif pour une tête à miroir pour laser de grande puis- sance, comprenant un miroir métallique présentant un côté avant réfléchissant et un côté arrière, une première surface d'appui pour le côté avant du bord extérieur du miroir, une deuxième surface d'appui pour le côté arrière du bord extérieur du miroir et un dispositif de conduite de fluide ménagé dans la partie de la tête du laser qui est située du côté opposé au miroir. Dans le cas des lasers de grande puissance, le mode TEM 00 est depuis toujours considéré comme souhaita- ble. La distorsion éventuelle du faisceau est due en partie aux miroirs. La déformation de la surface des miroirs résulte de leur échauffement. Ils sont évidemment soumis à un refroidissement. Cependant, ce refroidisse- ment ne peut pas être idéal. Par ailleurs, il peut arriver que, lorsqu'on utilise plusieurs miroirs, le refroidissement ne s'effectue pas pour tous de la même manière, de sorte que les miroirs non seulement se déforment, mais ne se déforment pas de la même manière. Les dispositions constructives nécessaires A la sépara- tion du liquide de refroidissement et du gaz du laser entraînent d'énormes complications. Le but de l'invention est la réalisation d'un dispositif qui permette l'optimisation du faisceau laser lorsque sa forme se modifie d'une manière défavorable. Cette rectification doit pouvoir s'effectuer même pendant le fonctionnement du laser. Ce but est atteint suivant l'invention,du fait que le miroir est un disque dont l'épaisseur est faible par rapport à son diamètre libre, en ce que la tête A miroir comporte une cavité située au niveau du côté arrière du miroir et en ce que cette cavité communique avec le dispositif de conduite de fluide. On est actuel- lement en mesure de fabriquer des miroirs convexes par surpression et des miroirs concaves par dépression. Dans ce système, les frais supplémentaires sont minimes. La réalisation suivant l'invention est que le miroir est constitué par un alliage de cuivre et que son côté avant réfléchissant est poli, ceci permet d'obtenir un miroir bon conducteur de la chaleur qui peut être incurvé relativement facilement. Lorsqu'il n'est pas recouvert, par dépôt de vapeur d'une couche d'un métal, comme l'or, par exemple, celui-ci n'est sollicité ni A la traction ni à la compression. Le rapport entre le diamètre libre et l'épaisseur du miroir est de 7,5: 2 + 30% ce qui permet d'obtenir un miroir suffisamment mince ayant une épaisseur suffisam- ment réduite pour une surface suffisamment grande, de manière que la pression qui doit produire l'incurvation puisse être techniquement contrôlée sans difficulté. Dans l'invention le côté arrière constitue directement l'une des parois délimitant la cavité et la zone du bord du miroir comporte un joint d'étanchéité ce qui évite les organes intermédiaires la pression s'exerce directement sur tout le côté arrière libre et il est également possible de prévoir physiquement comment le miroir se déformera. Le joint se trouve dans la zone d'encastrement du miroir et ne gêne pas le comportement du miroir. Par ailleurs, les frais nécessaires t la réalisation du joint sont réduits au minimum. Dans le dispositif de l'invention, on trouve A la fois au moins un conduit d'amenée de fluide et au moins un conduit d'évacuation de fluide ce qui permet d'assurer non seulement l'incurvation du miroir vers l'extérieur ou vers l'intérieur, mais également son refroidissement. On utilise déjà dans le domaine des lasers de grande puis- sance des liquides de ce type, par exemple l'eau, l'huile ou des liquides analogues. Il n'est pas nécessaire pour cela de faire intervenir un réservoir de fluide particu- lier, ni des conduits supplémentaires, des sources de pression d'autres types ou des dispositifs analogues. Le conduit d'amenée de fluide débouche dans la zone médiane du côté arrière du miroir et le conduit 264161& d'évacuation de fluide part de la zone marginale de la cavité ce qui fait que c'est la zone du miroir qui s'échauffe le plus qui est le mieux refroidie, l'idée de départ étant que 1,5 % de la puissance du laser reste dans le miroir comme perte de puissance et l'échauffe. La réalisation comporte plusieurs conduits d'évacuation de fluide et les orifices d'o partent les conduits d'évacuation de fluide occupent des positions angulaires régulièrement réparties en permettant d'ob- tenir un écoulement de fluide contrôlable et réglable dont l'effet puisse être prévu. Le fluide est de l'eau ce qui permet l'utili- sation d'un fluide particulièrement simple qui est en même temps compressible et, cependant, ne constitue pas une nuisance pour l'environnement. L'expérience a montré que pour obtenir d'excel- lents résultats les miroirs doivent présenter des valeurs d'élasticité telles que les valeurs de l'incurvation du milieu du miroir se situent dans le domaine inférieur du décamicron lorsque la pression du fluide est maximale. Le conduit d'amenée de fluide est relié a une source de pression et à un dispositif de refroidissement et l'installation comporte un dispositif de réglage de la pression ce qui permet d'effectuer dans une seule maille les opérations de production de pression, de refroidisse- ment et d'application de la pression. Un système d'affichage de la pression permet d'obtenir un affichage reproductible de l'incurvation du miroir vers l'extérieur ou vers l'intérieur. Le dispositif d'affichage est étalonné en valeurs de courbure du miroir ce qui évite les conversions. Les valeurs indiquées précédemment indiquent le bombement du miroir dans sa zone médiane ce qui fournit une mesure représentative de l'incurvation positive ou négative. Ces valeurs ainsi indiquées correspondent la distance focale du miroir donnant une mesure très avanta- geuse pour les appareils A fonctionnement optique. La source de pression produit une pression néga- tive et/ou positive ce qui permet d'utiliser aussi bien un miroir divergent qu'un miroir convergent. Dans le cas de "et" on peut obtenir d'une manière continue tous les états entre ces deux types. La pression positive est dans le domaine de bars ce qui permet d'obtenir des pressions techniquement faciles à produire de sorte que les frais nécessaires sont réduits. Dans le cas d'un laser comportant plusieurs miroirs de renvoi, tous les miroirs ne sont pas réalisés suivant l'invention ce qui permet de réaliser une partie des miroirs de renvoi suivant les vieilles méthodes. Un seul de ces miroirs est réalisé suivant l'invention ce qui permet de réduire encore les frais et, le cas échéant, d'incorporer apres coup le dispositif suivant l'invention % des lasers déjà existants sans altérer la structure du laser. L'épaisseur du miroir n'est pas constante au moins dans sa zone médiane ce qui permet d'obtenir des formes d'incurvation du miroir qui s'écartent de celles qui se produisent dans des miroirs de même épaisseur. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'inven- tion est représenté, à titre d'exemple non limitatifs, aux dessins annexés. La figure 1 est une coupe dans le sens radial, à l'échelle 1:1, d'une tête à miroir associée à un circuit représenté schématiquement. La figure 2 indique schématiquement le trajet du rayon laser, et La figure 3 est une coupe d'un miroir dont l'épaisseur n'est pas constante. La paroi 11 d'une bride 12 qui n'est représentée que partiellement comporte un alésage de passage 14 qui est coaxial à l'axe longitudinal géométrique 13 et dans lequel est montée une tête a miroir 16. Une enveloppe 17 de forme cylindrique circulaire et d'axe longitudinal 13 est engagée dans l'alésage 14 de manière A assurer l'étanchéité aux gaz. Sur un côté frontal de gauche 18, qui a le même axe et s'étend dans le sens radial, un anneau d'insertion 19 est fixé par des vis 21. Cet anneau de garniture 19 comporte une surface oblique 22 s'écar- tant vers l'extérieur. Un miroir 23 comporte un côté avant 24 et un côté arrière 26. Le côté avant est poli. Sa zone marginale 27 est recouverte, sur 5 cm dans le sens du diamètre, par l'anneau de garniture 19, de telle manière que les 1,5 cm qui dépassent dans le sens du diamètre restent disponibles pour assurer l'insertion. Le faisceau laser, qui se propage coaxialement A l'axe longitudinal géométrique 13, a un diamètre de 30 mm, de sorte que le côté avant non recouvert 24 n'est frappé que dans une proportion de 75 % par le faisceau laser et que les propriétés marginales du miroir 23 peuvent être considérées comme négligeables. Des vis 28 assurent la fixation sur la surface frontale arrière 29 de l'enveloppe 17 d'un couvercle 31 qui est monté d'une manière essentiellement coaxiale et qui, de même que l'anneau de garniture 19 et l'enveloppe 17, est très résistant A la flexion. L'enveloppe 17 contient, A droite du miroir 23 et à gauche du couvercle 31, un corps de pression métallique 32 dont la section a la forme d'un pot. Le côté extérieur 33, dans la zone o il se trouve en face du côté arrière 28, en est A une distance telle qu'il y délimite une cavité 33 d'environ 1 mm de profondeur et de 5 cm de rayon. Dans la zone o le corps de pression 32 se trouve, au niveau de son bord extérieur, en face de l'anneau de garniture 19, la surface extérieure 36 dépasse le corps de pression de 1 mm vers la gauche. Le corps de pression 32 est un solide de révolution d'axe 13 qui, comme l'indique la figure, est coaxial a l'axe longitudinal géométrique 13. La surface extérieure 36 comporte une rainure 37 qui est ouverte vers la gauche et dans laquelle est engagée un joint torique 38. Lorsque le corps de pression 32 est poussé vers la gauche pour être déplacé par rapport à l'enveloppe 17, au miroir 23 et à l'anneau de garniture 19, seul le joint torique 38 est comprimé de manière a assurer l'étanchéité aux liquides et aux gaz. Ce mouve- ment assure, entre le coin 39 formé par le passage entre la surface extérieure 34 et la surface extérieure 36, et le coin 41 formé par la surface frontale de droite de l'anneau de garniture 19 et de l'alésage de passage 42, de 1 mm de profondeur environ,.un serrage précis du miroir 23. La surface extérieure de la cavité centrale et coaxiale 43 du corps de pression 32 comporte un taraudage 43. Dans ce dernier se visse une vis 44 comportant un filetage extérieur 46. La vis 44 comporte un alésage de passage central 47 et une pièce à six pans 48 accessible de la droite par un trou central 49 du couvercle 31. Lorsqu'on dévisse la vis 44 pour l'extraire du taraudage 43, la surface frontale de droite 51 de la vis 44 pousse la surface de gauche 52 du couvercle 31, de sorte que le joint torique 38, avec la surface extérieure 36 et la zone marginale 27, est poussé contre la surface frontale de droite de l'anneau de garniture 19. Le corps de pression 32 comporte A sa base 53 un alésage central 54. Celui-ci, dans sa partie de droite, comporte un taraudage 56 dans lequel un tube central 57 est vissé au moyen de son filetage extérieur 58. Le tube central 57 traverse l'alésage de passage 47 sans en toucher les parois. L'alésage central 54 débouche par l'orifice 59 dans la cavité 33. Dans le sens radial, en avant de la surface extérieure 36, le corps de pression 32 comporte des alésages extérieurs 61 dont l'orifice 62 communique également avec la cavité 33. Les alésages extérieurs 61 comportent des taraudages 63 dans lesquels sont vissés des tubes extérieurs 64 au moyen de leurs filetages extérieurs 66. Les tubes extérieurs 64 traversent le couvercle 31 dans des alésages de passage 67, de sorte que les tubes extérieurs 64 empêchent toute rotation du corps de pression 32 lorsque la vis 44 est dévissée. Pour que l'ensemble de l'unité logé dans l'alé- sage de passage 14 puisse être déplacé et règlé, le couvercle 31 comporte, dans son bord qui dépasse exté- rieurement l'enveloppe 17, trois alésages de passage 68 qui sont répartis à des distances angulaires égales et dans lesquels sont engagées des vis 69 dont les filetages sont engagés dans des alésages filetés 71. Entre la tête 72 et le couvercle 31, le dispositif comporte des res- sorts en rondelle 73. Sous l'action des trois vis 69 qui - sont réparties à des distances angulaires égales, le couvercle 31 et, par conséquent, l'ensemble de la tête i miroir 16, sont poussés vers la gauche. La zone marginale du couvercle 31 comporte des alésages de passage filetés 74 qui sont également repartis à des distances angulaires égales et dans lesquels sont vissées des vis de réglage 76 dont la base 77 pousse des pièces 78 qui sont fixées à la paroi 11. En faisant tourner les trois vis de réglage 76 on peut modifier globalement la position de l'axe longitudinal géométrique 13 de la tête à miroir 16. Une roue 80 permet de produire, au moyen d'une source de pression 76, une pression pouvant attendre 8 bars. La pression, étalonnée en valeurs de distance focale, est indiquée dans une installation d'affichage 81. La source de pression 79 fournit, par une canalisation 82, de l'eau à un réfrigérateur 83 qui, par une conduite 84, envoie cette eau au tube central 57. Depuis l'orifice 59, l'eau arrive dans la cavité 33. Dans ce cas, o il y a surimpres- sion, le miroir 23 est, pour une pression de 8 bars, poussé de 35 Hm vers la gauche, o l'axe longitudinal géométrique 13 le traverse. L'eau s'écoule dans la cavité 33 en forme de disque vers l'extérieur jusqu'aux orifices 62 et, en passant par les tubes extérieurs 64 et les conduites 86, revient A la source de pression 79. La figure 2 correspond au cas d'un laser i trois déviations avec un miroir d'extrémité 87 à 100 % et un miroir d'extrémité 88 partiellement traversé. Le disposi- tif comprend trois têtes A miroir du type habituel et c'est la tête a miroir 16 qui est conforme A l'invention. Il suffit de corriger le faisceau laser 91. La figure 3 correspond au cas d'un miroir 92 dont le côté avant 93 est, comme auparavant, plan et poli. Son côté arrière est, dans la zone du bord d'insertion 94, parallèle, comme auparavant, au côté avant 93. Cependant, à l'intérieur des coins 39, 41, il comporte un côté arrière concave 96 dont l'épaisseur est minimale au point d'intersection de l'axe longitudinal géométrique 13. L'incurvation des miroirs 23, 92 peut être réglée à la main au moyen de la roue 78. Il est cependant possible d'utiliser également un dispositif d'accou- plement à réaction, non représenté, qui apprécie la qualité du faisceau laser 91 et, pendant le fonctionne- ment du laser, assure le réglage de la source de pression 79 de telle manière que la pression incurve le miroir 23, 92 suivant les besoins, vers l'intérieur ou vers l'exté- rieur. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour une tête à miroir pour laser de grande puissance, comprenant un miroir métallique (23) présentant un côté avant (24) réfléchissant et un côté arrière (26), une première surface d'appui pour le côté >'=4 '"A'i du bord extérieur du miroir,une deuxième surface (26) d'appui pour le côté arrière du bord exté- rieur du miroir (23) et un dispositif de conduite de fluide (82) ménagé dans la partie de la tête du laser qui est située du côté opposé au miroir (23) caractérisé en ce que le miroir (23) est un disque dont l'épaisseur est faible par rapport à son diamètre libre, en ce que la tête à miroir (16) comporte une cavité (33) située au niveau du côté arrière du miroir et en ce que cette cavité (33) communique avec le dispositif de conduite de fluide (82). 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le miroir (23) est constitué par un alliage de cuivre et que son côté avant (24) réfléchis- sant est poli. 3. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le rapport entre le diamètre libre et l'épaisseur du miroir (23) est de 7,5: 2 + 30 %. 4. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le côté arrière (26) constitue directement l'une des parois délimitant la cavité (33) et en ce que la zone du bord du miroir (23) comporte un joint d'étanchéité (38). 5. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comprend à la fois au moins un conduit d'amenée de fluide (82) et au moins un conduit d'éva- cuation de fluide (86). 6. Dispositif selon la revendication 5, caracté- risé en ce que le conduit d'amenée de fluide (82) débou- che dans la zone médiane du côté arrière (26) du miroir (23) et que le conduit d'évacuation de fluide (86) part de la zone marginale de la cavité (33). 7. Dispositif selon la revendication 5 caractéri- sé en ce qu'il comporte plusieurs conduits d'évacuation de fluide (64, 86) et en ce que les orifices (61, 62) d'o partent les conduits d'évacuation de fluide (64, 86) occupent des positions angulaires régulièrement réparties. 8. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le fluide est de l'eau. 9. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'élasticité du miroir (23) a une valeur telle que les valeurs de l'incurvation du milieu du miroir (23) se situent dans le domaine inférieur du décamicron lorsque la pression du fluide est maximale. 10. Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce que le conduit d'amenée de fluide (E2, 84, 58) est relié à une source de pression (79) et à un: disposi- tif de refroidissement (83) et que l'installation com- porte un dispositif de réglage de la pression (80). 11. Dispositif selon la revendication 10, carac- térisé en ce qu'il comporte un système d'affichage de la pression (81). 12. Dispositif selon la revendication 11, carac- térisé en ce que le dispositif d'affichage (81) est étalonné en valeurs de courbure du miroir (23). 13. Dispositif selon la revendication 12, carac- térisé en ce que ces valeurs indiquent le bombement du miroir (23) dans sa zone médiane. 14. Dispositif selon la revendication 12, carac- térisé en ce que ces valeurs correspondent à la distance focale du miroir (23). 15. Dispositif selon la revendication 10, carac- térisé en ce que la source de pression (79) produit une pression négative et/ou positive. 16. Dispositif selon la revendication 15, carac- térisé en ce que la pression positive est dans le domaine de bars. 17. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que dans le cas d'un laser comportant plu- sieurs miroirs de renvoi tous les miroirs ne sont pas réalisés suivant l'invention. 18. Dispositif selon la revendication 17, carac- térisé en ce qu'un seul de ces miroirs est réalise suivant l'invention. 19. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'épaisseur du miroir (23) n'est pas constante au moins dans sa zone médiane.