Brevet FR2656169A1 — publié le 19910621

DISPOSITIF D'ASSERVISSEMENT EN PUISSANCE D'UN LASER. Description La présente invention a pour objet un dispositif d'asservissement en puissance d'un laser. Elle s'applique notamment à des dispositifs d'analyse spectrométrique. On sait que l'analyse spectrométique d'un échantillon s'effectue couramment à L'aide de lasers à colorant accordables sur de grandes plages de longueurs d'onde. Des informations quantitatives concernant les constituants de l'échantillon sont obtenues par l'étude de l'interaction du faisceau laser avec la matière. Cette étude est réalisée grâce à la mesure d'un signal lumineux provenant de l'échantillon après son excitation par le faisceau laser transmis ou réfléchi par l'échantillon ou bien un signal de luminescence ou encore d'autres types de signaux par exemple dûs à des phénomènes non Linéaires. Dans tous les cas, l'intensité du signal lumineux ne dépend pas uniquement des caractéristiques de l'échantillon mais aussi de l'intensité du faisceau laser d'excitation. Or, les colorants utilisés comme matériau actif du laser ne possèdent pas un rendement constant sur toute leur plage spectrale. D'autre part, la dégradation des colorants par effet photochimique et La dérive en puissance des lasers utilisés pour te pompage optique des colorants altèrent la stabilité dans le temps des lasers à colorants Il résulte de ces phénomènes que l'intensité du faisceau laser est fortement dépendante de la longueur d'onde de travail et du temps de fonctionnement. De manière connue, pour l'étude de l'échantillon, on ne s intéresse qu'au rapport des intensités du signa C lumineux et du faisceau laser d'excitation. Des dispositifs existants permettent d'effectuer directement ce rapport ; mais ces dispositifs sont coûteux, difficiles d'emploi et finalement inutilisables pour des applications industrielles. D'autre part, ces dispositifs n'effectuent des rapports qu'entre intensités voisines, ce qui limite leur domaine d'application. Le but de la présente invention est de fournir un dispositif d'asservissement en puissance d'un laser. Ainsi, l'intensité du faisceau d'excitation est parfaitement connue et prend une valeur déterminée par l'utilisateur. L'asservissement est obtenu en interposant entre le laser et l'échantillon, sur le parcours du faisceau laser, un atténuateur dont le facteur d'atténuation, variable, est réglé au cours du temps de manière à obtenir une intensité du faisceau laser après traversée de l'atténuateur imposée par l'utilisateur et constante au cours du temps. Le dispositif peut s'adapter à tous les types de lasers existants. Dans le cas d'un laser continu, le dispositif est indépendant ; il est synchronisé avec le déclenchement du laser quand ce dernier est impulsionnel. De manière plus précise, l'invention concerne un dispositif d'asservissement en puissance d'un laser comprenant : un atténuateur possédant un facteur d'atténuation variable, des moyens de mesure d'une énergie lumineuse, des moyens pour mesurer un écart entre cette énergie lumineuse et une valeur déterminée préalablement, des moyens pour faire varier le facteur d'atténuation en relation avec cet écart et de manière à annuler cet écart. De manière avantageuse, ledit facteur d'atténuation dépend de la position de l'atténuateur. Cette position est définie par rapport à l'axe de propagation du faisceau laser. En déplaçant l'atténuateur placé sur le trajet du faisceau, le facteur d'atténuation auquel est soumis le faisceau varie. Dans ce mode de réalisation, les moyens pour faire varier le facteur d'atténuation sont des moyens pour faire varier la position de L'atténuateur. Selon une variante de réalisation, l'atténuateur est un polariseur. L'atténuation du faisceau est alors obtenue en faisant varier l'orientation relative des directions de polarisation du polariseur et du faisceau laser. De manière préférée, le polariseur est un prisme de Glan. De manière avantageuse, le dispositif comprend des moyens de polarisation permettant de fixer La polarisation du faisceau laser. Selon une autre variante de réalisation, l'atténuateur est à densité variable. La mesure de l'énergie lumineuse par les moyens de mesure d'une énergie lumineuse est effectuée pendant au moins une fenêtre temporelle. Cette fenêtre temporelle peut être déclenchée par une horloge interne. Dans une variante de réalisation permettant l'asservissement en puissance d'un laser impulsionnel, la fenêtre temporelle est déclenchée en relation avec la délivrance des impulsions lumineuses par le laser. De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit donnée à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement un dispositif conforme à l'invention, - la figure 2 représente schématiquement différentes courbes d'asservissement fonction de la longueur d'onde, - la figure 3 représente schématiquement la plage d'asservissement au cours du temps par rapport à une valeur de consigne déterminée et pour un laser présentant une dérive en puissance, - la figure 4 représente schématiquement une vue partielle d'un dispositif conforme à l'invention. Sur la figure 1, on voit une représentation schématique d'un dispositif conforme à L'invention. Un laser 10, par exemple du type à colorant, délivre un faisceau lumineux 12. Dans cet exemple de réalisation, le faisceau traverse un polariseur rectiligne 14 qui fixe sa polarisation. Il traverse ensuite un atténuateur présentant un facteur d'atténuation variable. Ici, l'atténuateur est réalisé par un polariseur 16, qui est constitué par un prisme de Glan. Le prisme de Glan présente La forme d'un cube dont une face est positionnée perpendiculairement à la direction de propagation du faisceau. Une variation du facteur d'atténuation est obtenue par une mise en rotation du prisme de Glan autour de la direction de propagation du faisceau Cette mise en rotation permet de faire varier l'angle entre l'axe de polarisation du prisme de Glan et la direction de polarisation du faisceau 12 définie par le polariseur 14.La transmission du faisceau 12 par le prisme de Glan est dépendante de cet angle, les cas extrêmes étant : une transmission totale lorsque les directions de polarisation sont confondues, une transmission nulle lorsque les directions de polarisation sont perpendiculaires entre elles. Le dispositif de la figure 1 comporte encore des moyens pour mesurer un écart entre cette énergie du faisceau de mesure 20 et une valeur déterminée préalablement. Ces moyens sont décrits ci-après. Le dispositif de L'invention comporte des moyens de mesure d'une énergie lumineuse comprenant une lame séparatrice 18 qui dévie un pourcentage connu et faible, par exemple 8 %, du faisceau lumineux pour former un faisceau de mesure 20. L'énergie du faisceau de mesure 20 est mesurée par un détecteur 22 du type photodiode PIN 6D commercialisée par la Société UDT. Ce détecteur 22 délivre sur une sortie un signal électrique proportionnel à l'énergie du faisceau de mesure 20. Le signal électrique délivré par le détecteur 22 est mis en forme par un circuit 24 décrit plus précisément dans la suite de la description, de façon à être comparé à un signal électrique de consigne. En effet, l'utilisateur entre dans le dispositif, par l'intermédiaire d'un clavier ou d'un bouton de réglage (non représentés), la valeur de consigne VAL choisie pour la puissance du faisceau laser. Cette valeur VAL est convertie par un convertisseur 26 en un signal électrique de consigne. Ce dernier étant destiné à être comparé au signal électrique mis en forme provenant du détecteur 22 de manière à entra;ner une atténuation sur Le faisceau lumineux 12, la conversion prend en compte le pourcentage d'énergie contenu dans le faisceau de mesure 20 par rapport au faisceau principal. Le signal électrique de consigne et celui mis en forme provenant du détecteur 22 sont appliqués sur deux entrées d'un comparateur 28 qui délivre un signal électrique de comparaison sur une sortie. Le signal électrique de comparaison est proportionnel à l'écart entre les intensités du signal de consigne et du signal mis en forme provenant du détecteur 22. La sortie du comparateur 28 est connectée à des moyens pour f-aire varier le facteur d'atténuation en relation avec cet écart et de manière à annuler cet écart. Dans cet exemple de réalisation, ces moyens sont des moyens pour faire varier la position de l'atténuateur. Ils comprennent un moteur 32 apte à faire entrer le prisme de Glan en rotation autour de la direction de propagation du faisceau. En effet, la sortie du comparateur 28 est connectée à une entrée d'un circuit 30 de commande de la mise en marche du moteur 32. Le moteur 32 est du type continu ou "pas à pas" et le circuit 30 de commande délivre un signal électrique déterminant le sens de la rotation du moteur. Pour entraîner le prisme de Glan, le moteur 32 est muni d'un axe 34 terminé par un pignon 36 dans lequel s'emboîte une couronne dentée 38 solidaire du prisme de Glan. Le prisme de Glan est positionné dans un tube 40 pouvant entrer en rotation et supportant la couronne dentée 38. La rotation du tube 40 est guidée par un support 42 contenant un roulement à billes 44. Dans le dispositif, la commande de la variation du facteur d'atténuation subit une contre-réaction qui tend à annuler à chaque mesure la différence entre l'énergie mesurée du faisceau et une valeur de consigne déterminée par l'utilisateur. Pour un laser 10 continu, une horloge interne 46 déclenche la mesure ; pour cela, elle commande la mise en service du circuit de moyennage et de mémorisation 24. Cette mise en service est effective à l'intérieur d'une fenêtre temporelle de durée par exemple égale à 50 Zs- Pour un laser 10 impulsionnel, la mesure est déclenchée en relation avec la délivrance des impulsions. Pour cela, le circuit 24 est relié au circuit de commande du laser 10. Plus précisément, le circuit 24 comprend un circuit 240 de mise en forme relié par une entrée à la sortie du détecteur 22. Ce circuit 240 délivre un signal mis en forme sur une sortie reliée à une entrée d'un circuit 242 effectuant des moyennes. Ce dernier est commandé par un générateur de fenêtre temporelle 244 déclenché par un tir laser ou par l'horloge interne 46. Le circuit 242 effectuant des moyennes comporte par exemple un réseau intégrateur permettant d'opérer une moyenne pondérée entre les mesures successives, la dernière valeur étant de plus fort poids. Un condensateur joue le rôle de mémoire et permet de conserver la valeur moyenne obtenue entre chaque mesure. Le circuit 242 délivre sur une sortie un signal qui est adapté par un adaptateur 246 pour sa comparaison avec le signal provenant du convertisseur 26. Au terme de la rotation, le facteur d'atténuation est tel que le faisceau laser ayant traversé le dispositif présente une puissance égale à la puissance de consigne choisie par L'utilisateur. La puissance de consigne doit être choisie inférieure à la puissance maximum délivrée par le Laser. On voit sur la figure 1 qu'un premier bottier 1 regroupe les composants optiques du dispositif. Ce boîtier 1 percé de deux orifices 2, 3 (l'un pour l'entrée du faisceau, l'autre pour sa sortie) permet l'alignement rapide du dispositif dans le faisceau 12 du laser 10. Les éléments électroniques sont avantageusement disposés dans un second bottier 4. Au cours du temps, malgré Les variations de puissance qu'il peut présenter, le faisceau laser présente une puissance constante et déterminée par l'utilisateur à la sortie du dispositif d'asservissement. La figure 2 représente schématiquement différentes courbes d'asservissement issues d'expériences ayant été effectuées. Le laser est impulsionnel de fréquence de répétition égale à 20 Hz. Le colorant utilisé est de la coumarine permettant de couvrir une gamme spectrale allant de 490 nm à 540 nm. La courbe a représente la puissance P du laser exprimée en mW en fonction de la longueur d'onde en l'absence de dispositif d'asservissement. On constate que la puissance est différente pour chaque longueur d'onde. Les courbes b, c, d, e représentent les variations de puissance en fonction de la longueur d'onde lorsque le dispositif d'asservissement est en service. Pour les courbes b, c, d, e la valeur de consigne est respectivement égale à 5, 4, 3, 2 mW. On constate que la plage de fonctionnement du laser à la puissance de consigne est d'autant plus faible que cette puissance est élevée, la forme de la courbe a délimitant la gamme de fonctionnement. La figure 3 représente schématiquement la plage d'asservissement au cours du temps par rapport à une valeur de consigne déterminée et pour un laser présentant une dérive en puissance. A l'origine de la mise en fonctionnement, le laser présente une puissance de sortie Pmax qui décroît au cours du temps. A chaque instant, la puissance de consigne Pc doit être choisie inférieure à la puissance maximum disponible en sortie du laser. Sur cette courbe, on peut donc déterminer la durée T de fonctionnement à la puissance Pc du laser muni du dispositif d'asservissement. La figure 4 représente schématiquement une vue partielle d'un autre mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention. On voit que l'atténuateur possédant un facteur d'atténuation variable est constitué par un filtre gris neutre 50 à densité variable. Comme précédemment, le facteur d'atténuation dépend de ta position du filtre 50 par rapport à La direction de propagation du faisceau laser à asservir. Le filtre 50 est disposé sur un support 52 à crémaillère. La crémaillère est enclenchée dans le pignon 36 terminant l'axe 34 mis en rotation par le moteur 32. Ainsi, selon la valeur de la puissance de consigne et celle de la puissance du faisceau après traversée du filtre 50, le moteur met le filtre 50 en mouvement de translation, dans un sens ou dans l'autre, de manière à annuler tout écart entre les valeurs de ces puissances. Le dispositif d'asservissement conforme à l'invention permet donc bien de fixer la puissance d'un faisceau laser le traversant et de conserver celle-ci constante. Les plages de fonctionnement sont importantes par rapport aux montages de l'art antérieur destinés à comparer seulement des grandeurs proches. Utilisé pour l'analyse spectrométrique, il permet de simplifier l'interprétation des spectres obtenus lors d'un balayage de la longueur d'onde du Laser. Par exemple, La comparaison directe des intensités des signaux lumineux obtenus à des longueurs d'onde différentes est possible sans être obligé de prendre en compte soit la courbe de réponse du colorant soit la dérive dans le temps du laser. Comme il résulte de ce qui précède, le dispositif conforme à l'invention ne se limite nullement aux exemples de réalisation plus spécialement décrits et représentés ; il en admet au contraire toutes les variantes. En particulier, l'atténuateur peut être réalisé par un coin optique dont le facteur d'atténuation peut lui aussi être contrôlé par déplacement. Revendications 1. Dispositif d'asservissement en puissance d'un laser, caractérisé en ce qu'il comprend un atténuateur possédant un facteur d'atténuation variable, des moyens (18, 22) de mesure d'une énergie lumineuse, des moyens (24, 26, 28) pour mesurer un écart entre cette énergie lumineuse et une valeur déterminée préalablement, des moyens (30, 32, 34, 36, 38) pour faire varier le facteur d'atténuation en relation avec cet écart et de manière à annuler cet écart. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit facteur d'atténuation dépend de la position de l'atténuateur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens (30, 32, 34, 36, 38) pour faire varier le facteur d'atténuation sont des moyens pour faire varier la position de L'atténuateur. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'atténuateur est un polariseur. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'atténuateur est un prisme de Glan (16). 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de polarisation (14). 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'atténuateur est à densité variable (50). 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure de l'énergie lumineuse par les moyens de mesure d'une énergie lumineuse est effectuée pendant au moins une fenêtre temporelle. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite fenêtre temporelLe est déclenchée par une horloge interne (46). 10. Dispositif selon la revendication 8, le laser (10) à asservir en puissance étant impulsionnel, caractérisé en ce que ladite fenêtre temporelle est déclenchée en relation avec la délivrance des impulsions par le laser (10).