Brevet FR2658007A1 — publié le 19910809

ENSEMBLE RADIOMETRIQUE POUR CONTROLE DE SECURITE DES LASERS La présente invention concerne un ensemble radiométrique pour contrôle de sécurité des lasers, ainsi qu'un dispositif de contrôle utilisant cet ensemble. Le laser est une source de lumière cohérente, c'est-àdire de lumière monochromatique, qui est collimatée et dont les ondes se trouvent en accord de phase les unes avec les autres. Suivant leur technologie les lasers vont émettre un (ou des) rayonnement(s) monochromatique(s) dont la longueur d'onde sera située soit dans l'ultra-violet, soit dans le visible, soit dans l'infra rouge. Les lasers peuvent être classés en différentes catégories en fonction de la nature du rayonnement qu'ils émettent, à savoir - les lasers à émission continue, c'est-à-dire de durée supérieure à environ 0,25 seconde - dont la puissance est généralement comprise entre 0,1 milliwatt à plusieurs kilowatts - les lasers à impulsions relaxées - d'une durée de quelques microsecondes à quelques dizaines de millisecondes - à cadence de répétition comprise entre 1 et 600 par minute, l'énergie de ce type de laser étant généralement comprise entre 0,1 et 1 000 joules par impulsion (de durée quelques millisecondes) - les lasers à impulsions déclenchées - d'une durée comprise entre quelques picosecondes et quelques centaines de nanosecondes - se succédant à cadence très variable ; l'énergie de ce type de laser est comprise entre quelques millijoules et quelques dizaines de joules, en quelques nanosecondes, ce qui peut conduire à des puissances de crête considérables (du mégawatt au gigawatt). Les lasers, de différents types1 sont de plus en plus utilisés dans diverses applications liées à la recherche, à l'industrie et à la médecine. Or, comme cela est bien connu, un rayonnement laser génère pour le personnel utilisateur travaillant au voisinage de la source de rayonnement des risques de danger, notamment pour la peau et pour l'oeil. C'est pourquoi il a été élaboré des normes permettant - de classer les appareils à laser en fonction de leur niveau de rayonnement, et corrélativement à améliorer la sécurité du personnel utilisateur en codifiant la signalisation des matériels et en réglant les conditions de leur utilisation, - de fixer des limites d'exposition maximale permise pour le personnel utilisateur, (conformément à la norme française NF C 43.801). Il se pose toutefois un problème important lorsqu'il s'agit de mesurer effectivement, in situ, le niveau de rayonnement des appareils à laser, en particulier pour déterminer les fuites éventuelles susceptibles d'engendrer en certains endroits du site des rayonnements dangereux et, de manière générale, pour contrôler la conformité de ces appareils aux normes ; en effet, il n'existe pas de matériel réellement adapté à ce genre de contrôle, si bien que pour effectuer des détections ou des mesures en un lieu déterminé à proximité d'une source laser, il est nécessaire d'installer en ce lieu un banc d'essai spécifique, correspondant à la catégorie et aux différentes caractéristiques de l'appareil auquel on a affaire ; ceci rend naturellement l'opération coûteuse, longue et fastidieuse, ce qui fait qu'en pratique il n'est procédé qu'à un nombre limité de mesures, en quelques points seulement de l'espace. C'est pourquoi l'invention vise à combler cette lacune en proposant un ensemble radiométrique qui constitue un appareil de mesure universel - ou pratiquement universel - qui puisse être utilisé facilement et en toute sécurité en vue du contrôle de divers types d'appareils laser, et dans des conditions d'utilisation variées. Ce résultat est atteint, conformément à l'invention grâce au fait que cet ensemble comporte a) un support tubulaire de forme cylindrique, rigide et maniable b) une lentille biconvexe de forme circulaire fixée à l'une des extrémités - dite extrémité amont - du support tubulaire de telle manière que son axe optique coincide avec l'axe dudit support tandis que son plan focal est situé au voisinage de l'autre extrémité - dite extrémité aval - du support c) une cellule de détection et de mesure d'un rayonnement laser, qui est fixée de manière amovible et interchangeable à l'extrémité aval du support, dans une position telle que sa zone sensible se trouve exposée au faisceau d'un rayonnement laser traversant la lentille, ladite cellule étant adaptée pour fournir un signal électrique qui est fonction de la puissance ou de l'énergie de ce rayonnement. L'appareil a donc la structure d'un ensemble unitaire et autonome, qu'il est possible de manier facilement en saisissant le support tubulaire, et que la personne chargée du contrôle peut positionner à sa convenance, selon des directions variées, à proximité de l'appareil à laser qui fait l'objet de la mesure. Le tube support joue en outre le rôle d'un fourreau qui, d'une part, assure la sécurité de l'opérateur lors des mesures du fait que le faisceau s'y trouve encagé et, d'autre part, arrête les rayonnements parasites. Enfin, le support tubulaire assure l'alignement des composants optiques avec le détecteur ainsi que le respect de la distance focale de la lentille par rapport à la cellule de détection. Par ailleurs, selon un certain nombre de caractéristiques avantageuses, mais non limitatives - cet ensemble est pourvu d'un diaphragme à ouverture circulaire - dit diaphragme d'entrée - qui est monté de façon amovible à l'extrémité amont, à proximité immédiate de ladite lentille - il est pourvu d'un diaphragme à ouverture circulaire - dit diaphragme détecteur - qui est monté de façon amovible et interchangeable à l'extrémité aval, à proximité immédiate (en amont) de ladite cellule - il comprend une pièce de montage emboîtée et fixée à l'extrémité aval du support, cette pièce recevant d'un côté ledit diaphragme détecteur, et de l'autre ladite cellule - ladite cellule est fixée par vissage sur une collerette filetée dont est pourvue la pièce de montage - il comprend au moins une cellule de détection et de mesure du type calorimétrique, apte à mesurer la puissance d'une émission continue - il comprend au moins une cellule de détection et de mesure du type calorimétrique, apte à mesurer l'énergie d'une émission pulsée - il comprend au moins une cellule de détection et de mesure du type photovoltaique. Le dispositif de contrôle selon l'invention est caractérisé en ce qu'il est constitué d'un ensemble qui possède les caractéristiques qui viennent d'être énoncées, cet ensemble étant associé à un microprocesseur servant au traitement et à l'affichage des signaux électriques générés par les cellules de détection et de mesure. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront de la description et des dessins annexés qui en présentent un mode de réalisation préférentiel. Sur ces dessins - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale de l'ensemble ; - la figure 2 est une vue générale schématique du dispositif qui est destinée à en faire comprendre le fonctionnement. La figure 1 représente en coupe longitudinale le tubesupport 1 et ses différents accessoires ; il s'agit d'un tube cylindrique réalisé par exemple en aluminium anodisé, de longueur L de l'ordre de 0,5 m et de diamètre supérieur ou égal à 50 mm. A l'extrémité la du tube 1, appelée par la suite "extrémité amont" car elle correspond à l'extrémité d'entrée du rayonnement laser que l'on souhaite contrôler, est montée une lentille 2. Il s'agit d'une lentille biconvexe dont le diamètre est de 50 mm ou plus. La lentille, référencée 2, est retenue entre une pièce de montage 7 encastrée dans l'extrémité la et un manchon 20 vissé sur cette pièce 7. La pièce 7 possède un épaulement 70 qui se trouve en appui contre le chant d'extrémité du tube ; la fixation de la pièce 7 est assurée par un couvercle 10 vissé sur l'extrémité du tube. Cette même pièce 7 sert au montage d'une plaque de diaphragme - dit diaphragme d'entrée - 3 disposée à proximité immédiate de la lentille 2 ; l'ouverture de diaphragme, référencée 30, est circulaire. La plaque de diaphragme 3 est maintenue en place contre la pièce 7 du côté intérieur au tube par un anneau fileté 31 qui est vissé dans la pièce 7. De ce qui précède on comprend immédiatement que la plaque diaphragme 3 et la lentille 2 sont facilement amovibles, leur retrait étant effectué après enlèvement de la pièce 7 et dévissage des pièces 31 et 20. On a représenté schématiquement en traits interrompus un filtre atténuateur 9 qui peut éventuellement être vissé sur la pièce 20 lorsqu'une atténuation du rayonnement laser à mesurer est nécessaire. L'espace intérieur du tube 1 est référencé 100. A l'autre extrémité lb, dite aval, du tube est disposée une pièce de montage 8 qui est emboîtée dans le tube par une partie annulaire 81. Un couvercle 11 vissé sur le tube s'applique contre un épaulement 80 de la pièce 8 et assure sa fixation à l'extrémité lb. La pièce 8 présente une ouverture centrale ; sur son côté tourné vers l'espace intérieur 100 la pièce 8 présente un renfoncement annulaire recevant une plaque de diaphragme 4 - dit diaphragme détecteur - dont l'ouverture de diaphragme circulaire est référencée 40. La plaque 4 est retenue par un manchon fileté 41 qui est vissé dans une partie annulaire taraudée 82 dont est pourvue la pièce 8. De l'autre côté, la pièce 8 présente une douille ou collerette 83 filetée.Sur cette collerette est fixée de manière amovible, par vissage une cellule 5 de détection et de mesure d'un rayonnement laser, de type connu en soi, représentée en traits mixtes. La zone sensible (surface active d'absorption du rayonnement) de la cellule 5 se trouve positionnée sensiblement dans le plan focal P de la lentille 2. Comme c'est le cas pour la lentille 2 et le diaphragme d'entrée 3, le diaphragme détecteur 4 et la cellule 5 sont facilement amovibles et il est possible de leur substituer des éléments ayant des caractéristiques différentes pour s'accorder aux diverses conditions de mesure imposées par les normes. L'ouverture 30 du diaphragme 3 possède de préférence un diamètre de 7 mm qui correspond au diamètre d'ouverture de la pupille d'un oeil humain. Pour certains contrôles, destinés à simuler la réception du rayonnement par un oeil humain, le diaphragme 3 est donc mis en place dans l'appareil. Pour d'autres mesures pour lesquelles le diamètre du rayonnement entrant dans l'appareil est fixé à 50 mm (correspondant au diamètre de la lentille 2) le diaphragme d'entrée 3 est retiré. Il est également possible de prévoir d'autres diaphragmes d'entrée 3 de diamètres d'ouverture différents pour certains essais. De même, il est prévu différents diaphragmes détecteurs 4 présentant des ouvertures de diaphragme 40 de diamètres diffé rents. L'ouverture du diaphragme détecteur détermine la valeur de l'angle solide d'acceptance du rayonnement, lequel est défini dans la norme précitée. A la figure 2, on a désigné par S la source du rayonnement que l'on souhaite mesurer et on a figuré le rayonnement pénétrant dans l'appareil jusqu'à la cellule 5. L'angle solide d'acceptance y est référencé u. Pour s'adapter aux différents tests correspondants aux normes, il sera associé à l'appareil une série de diaphragmes 4 ayant de préférence les diamètres d'ouverture suivants - 1 ; 7 et i1 mm (utilisation du détecteur sans optique collectrice) - 1,78 mm et 12,6 mm (pour une focale de 50 cm avec respectivement un angle d'acceptance de 10 5 stéradian et stéradian). A l'appareil sont associés de préférence trois types de cellules 5 de différents types, connus en soi, à savoir - une cellule 5 du type calorimétrique, apte à mesurer l'énergie d'une émission pulsée - une cellule, référencée 5' à la figure 2, également du type calorimétrique, apte à mesurer la puissance d'une émission continue - une cellule, référencée 5" à la figure 2, du type photovoltaïque destinée à mesurer des émissions brèves et de faibles niveaux. Dans le cas d'une cellule calorimétrique, l'élément sensible est un corps absorbant en graphite se trouvant en contact thermique avec des thermocouples. La cellule délivre un signal correspondant à la différence de potentiel qui découle de la différence de température entre une première masse (feuille de cuivre d'épaisseur de l'ordre de 100 micromètres) qui absorbe la puis sance lumineuse et une seconde masse, ou masse de référence (source froide en aluminium). Dans le cas d'une cellule du type photovoltaique, le phénomène physique mis en oeuvre est une interaction photonélectron (création d'une paire électron-trou) dans un semiconducteur qui constitue le détecteur proprement dit. Le photon incident suffisament énergétique déplace un électron d'un état non conducteur vers un état conducteur et cet électron contribue à la création d'un courant.A titre simplement indicatif, la cellule 5 de type calorimétrique est destinée à mesurer une énergie maximale de 1 joule avec une sensibilité de l'ordre de 54ywV.mJ 1 ; sa surface active, c'est-à-dire l'aire de sa zone sensible exposée au 2 faisceau de rayonnement laser, sera de 0,78 cm La cellule 5' du type calorimétrique destinée à la mesure de la puissance d'une émission continue pourra absorber une puis 2 -1 sance maximale de 0,75 W/cm2 avec une sensibilité de 220 V.mW 1, et aura une surface active de l'ordre de 1,32 cm2. La cellule 5" de type photovoltaîque pourra absorber une densité de puissance maximale de 0,38 W/cm2 avec une sensibilité -1 2 de 50 mV.mW , pour une surface active de 3,14 cm On a donné ci-après les références commerciales de cellules 5, 5' et 5" qui peuvent avantageusement être utilisées après modifications permettant leur adaptation, pour équiper l'appareil - Cellule 5 : soit un calorimètre modèle J1/ERCSL, nom commercial LELT (puissance maximale dissipée de lMW crête pour une énergie maximale de 1J) ; soit un calorimètre modèle J2/ERCSL, nom commercial LELT (puissance maximale dissipée de 1 GW crête pour une énergie maximale de 1J). - Cellule 5' : calorimétre modèle C1/ERCSL, nom commercial LELT (puissance maximale dissipée de 1 W). - Cellule 5" : détecteur quantique photovoltaique, modèle SP/ERCSL, nom commercial LELT (puissance maximale dissipée de 300 mW). Comme on le voit à la figure 2, la cellule 5 qui est montée sur le tube 1 est reliée à un microprocesseur 6 par l'intermédiaire d'un câble 60. Le microprocesseur est équipé d'un clavier 61 et d'un écran d'affichage 62. Avant d'utiliser l'appareil pour les mesures d'émissions accessibles d'une part et les mesures d'exposition exprimées en luminance ou luminance intégrée, on commence par l'équiper de la cellule 5, 5' ou 5" qui correspond à la catégorie d'émission à laquelle on a affaire, ainsi que de la lentille 2, éventuellement du diaphragme d'entrée 3, et du diaphragme détecteur 4 qui sont requis pour le test concerné. L'opérateur place l'appareil en le tenant avec les mains, dans la zone de l'espace qui l'intéresse, en dirigeant l'axe X-X' de l'appareil vers la source de rayonnement laser S qu'il souhaite contrôler (extrémité amont la tournée vers cette source). Le faisceau émis par S, dont le diamètre est éventuellement calibré par le diaphragme d'entrée 3 est focalisé par la lentille 2 et pénètre dans l'espace intérieur 100 pour être absorbé par la zone sensible de la cellule 5 ; le diamètre du faisceau reçu par le détecteur 5 est calibré par le diaphragme 4. La cellule 5 génère un signal électrique sous forme d'une tension ou d'un courant, qui est proportionnel à la puissance ou à l'énergie reçue. Ce signal est amplifié dans le microprocesseur et est traité sous une forme qui dépend du programme utilisé. Le résultat de la mesure est affiché sur l'écran 62 et mis en mémoire pour une exploitation ultérieure. Ainsi le système électronique peut comprendre un amplificateur à gain variable, un convertisseuranalyseur numérique, un système entrée-sortie associé au micropro cesseur, une mémoire dite EPROM (de l'anglais "Erasable and Programmable Read Only Memory"), une mémoire dite RAM ("Random Acces Memory"). Le microprocesseur lit les instructions que contient la mémoire EPROM et les exécute en utilisant son système entrée-sortie associé.Le système est adapté pour reconnaître la cellule 5, 5' ou 5" qui est utilisée afin de connaître l'amplification requise ; ainsi le microprocesseur va successivement lire le code du détecteur, réaliser l'amplification requise par celuici, demander au convertisseur analogique-numérique de lire les données à une certaine fréquence, les transformer pour les mettre en mémoire, faire afficher ces données et, en final, effectuer les calculs pour obtenir les valeurs expérimentales recherchées et les afficher. Ainsi pour chaque mesure, on obtient, par affichage successif, les valeurs expérimentales suivantes - valeur minimale de la mesure, - valeur maximale de la mesure, - valeur réelle de la mesure, - temps de montée du signal en émission impulsionnelle. En raison de la maniabilité de l'appareil, il est possible d'effectuer successivement et très rapidement un grand nombre de mesures in situ dans un espace accessible aux utilisateurs de l'appareil à laser ou à d'autres personnes. De façon particulièrement avantageuse, l'appareil est destiné à être proposé à la vente sous forme d'un coffret contenant le tube support 1, une série de lentilles 2 de caractéristiques différentes (fonctions de la longueur d'onde du rayonnement), un ou plusieurs diaphragmes d'entrée 3, une série de diaphragmes détecteurs 4, et plusieurs cellules de détection et de mesure 5, 5', 5". Il est naturellement possible de prévoir dans ce coffret plusieurs cellules de détection et de mesure d'un même type, mais ayant des caractéristiques différentes notamment quant au niveau de puissance ou d'énergie admissible. REVENDICATIONS 1. Ensemble radiométrique pour contrôle de sécurité des lasers, caractérisé en ce qu'il comporte a) un support tubulaire (1) de forme cylindrique, d'axe (X-X'), rigide et maniable b) une lentille biconvexe (2) de forme circulaire fixée à l'une (la) des extrémités - dite extrémité amont - du support tubulaire (1) de telle manière que son axe optique coïncide avec l'axe (X-X') dudit support (1) tandis que son plan focal (P) est situé au voisinage de l'autre extrémité (lob) - dite extrémité aval - du support (1) c) une cellule (5, 5', 5") de détection et de mesure d'un rayonnement laser, qui est fixée de manière amovible et interchangeable à l'extrémité aval (lob) du support, dans une position telle que sa zone sensible se trouve exposée au faisceau d'un rayonnement laser traversant la lentille (2), ladite cellule (5) étant adaptée pour fournir un signal électrique qui est fonction de la puissance ou de l'énergie de ce rayonnement. 2. Ensemble radiométrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est pourvu d'un diaphragme (3) à ouverture circulaire (30) - dit diaphragme d'entrée - qui est monté de façon amovible à l'extrémité amont (la), à proximité immédiate de ladite lentille (2). 3. Ensemble radiométrique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est pourvu d'un diaphragme (4) à ouverture circulaire (40) - dit diaphragme détecteur - qui est monté de façon amovible et interchangeable à l'extrémité aval (lob), à proximité immédiate de ladite cellule (5). 4. Ensembe radiométrique selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce de montage (8) emboîtée et fixée à l'extrémité aval (lob) du support (1), cette pièce (8) recevant d'un côté ledit diaphragme détecteur (4), et de l'autre ladite cellule (5). 5. Ensemble radiométrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite cellule (5) est fixée par vissage sur une collerette filetée (83) dont est pourvue la pièce de montage (8). 6. Ensemble radiométrique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une cellule (5') de détection et de mesure du type calorimétrique, apte à mesurer la puissance d'une émission continue. 7. Ensemble radiométrique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'il comprend au moins une cellule (5) de détection et de mesure du type calorimétrique, apte à mesurer l'énergie d'une émission pulsée. 8. Ensemble radiométrique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une cellule (5") de détection et de mesure du type photovoltalque. 9. Dispositif de contrôle de sécurité des lasers, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un ensemble radiométrique conforme à l'une des revendications 1 à 8, associé à un microprocesseur (6) servant au traitement et à l'affichage des signaux électriques générés par les cellules (5, 5', 5").