Brevet FR2661007A1 — publié le 19911018

Dispositif d'aiguillage optique pour faisceau laser L'invention se rapporte à un dispositif d'aiguillage optique permettant de détourner à volonté un faisceau laser de sa direction normale de propagation dans une autre direction déterminée, comprenant un miroir plan oblique par rapport à ladite direction de propagation, mobile entre une position inactive où le faisceau laser ne le rencontre pas et n'est pas dévié, et une position active où le faisceau laser rencontre le miroir et s'y réfléchit pour prendre ladite direction déterminée et se diriger vers un poste fixe d'utilisation. Un aiguillage optique de ce genre est utilisable dans un laboratoire ou un atelier multilaser multiposte pour détourner de leur ligne de propagation les faisceaux de lasers de forte puissance et les diriger sur les postes de travail afin d'y réaliser des opérations industrielles telles que la découpe, le soudage ou le traitement de surface. Dans la plupart des applications, en particulier dans les laboratoires de recherche, un faisceau laser n'est effectivement utilisé qu'une faible partie de son temps sur une tâche particulière, le reste du temps étant consacré à la préparation de l'opération ou de l'essai. C'est pourquoi il convient de le distribuer sur plusieurs zones ou poste de travail où il est mis en forme sur place pour être adapté à l'application visée; la distribution du faisceau laser peut être simultanée (une partie du faisceau allant sur chaque poste de travail) ou séquentielle (la totalité du faisceau est envoyée successivement sur les différents postes de travail).L'invention concerne ce deuxième mode de distribution, qui permet de disposer sur chaque poste de la totalité de la puissance d'un laser et d'en piloter le fonctionnement (durée et puissance) à partir du besoin spécifique du travail à réaliser; le faisceau devenant libre pour d'autres utilisations dès qu'une tâche est terminée. Les problèmes spécifiques au transport et à la distribution des faisceaux de tels lasers résultent, d'une part, du grand diamètre des faisceaux, et d'autre part de leur puissance élevée. Il faut en effet utiliser des miroirs de dimensions importantes; en outre, l'évacuation de la chaleur absorbée par les miroirs nécessite d'associer à chaque miroir un système de refroidissement utilisant en général une circulation de fluide, ce qui conduit à un ensemble réflecteur relativement lourd qu'il est difficile de faire se déplacer avec la précision voulue pour réaliser un aiguillage optique. La présente invention a pour but de définir un dispositif d'aiguillage pour faisceau laser du genre considéré, qui permette, à faible coût, de minimiser les délicats problèmes d'alignement que pose le déplacement d'un miroir mobile approprié. Dans un dispositif d'aiguillage optique selon l'invention, le miroir est porté, via des moyens de suspension souples et élastiques, par un support mobile qui est déplaçable entre deux positions dans lesquelles le miroir prend respectivement l'une ou l'autre de ses deux positions précitées, respectivement active et inactive; en outre, des moyens de positionnement précis du miroir par rapport à une pièce de référence rigidement liée au poste d'utilisation sont prévus, qui entrent en fonction lorsque le miroir arrive dans sa position active en imposant alors à celui-ci de prendre une position rigoureusement définie, parfaitement reproductible, par rapport à ladite pièce de référence. Grâce à cette disposition, la précision d'alignement du miroir en position active, entièrement définie par les moyens de positionnement par rapport à une pièce de référence, est indépendante de la plus ou moins grande précision du déplacement du miroir entre ses deux positions. Par suite, des moyens de déplacement relativement grossiers et peu coûteux peuvent être utilisés, sans que soit en rien affectée la situation rigoureuse que doit prendre le miroir dans sa position active, puisqu'elle lui est imposée par les moyens de positionnement. Ainsi, le dispositif selon l'invention assure un aiguillage optique précis et parfaitement reproductible, sans pour autant exiger une mécanique de grande précision. Le support mobile du miroir peut se déplacer en un mouvement soit de rotation, soit de translation, et ce de préférence à l'aide de moyens moteurs d'entraînement tels que, dans le cas d'un mouvement de translation, des vérins pneumatiques sans tige. Un moyen effaçable de maintien du miroir dans sa position active peut être prévu, par mesure de sécurité en cas de défaillance des moyens moteurs. Lorsque les moyens de positionnement précis du miroir par rapport à la pièce de référence sont réglables, il permettent un ajustement fin de la position active du miroir. Dans une forme de réalisation avantageuse, le miroir est monté rigidement dans un boîtier et les différents moyens mécaniques associés au miroir agissent sur celui-ci par l'intermédiaire de son boîtier, avec lequel ils coopèrent. Le miroir peut être monté dans son boîtier par l'intermédiaire de moyens de positionnement précis réglables permettant également un ajustement fin de la position active du miroir. De préférence, les moyens de positionnement précis qu'il comporte sont du type "trait-point-plan" et présentent ainsi l'avantage d'être simples à réaliser, donc peu coûteux. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en regard des dessins annexés, d'un exemple de réalisation non limitatif. Les figures 1 et 2 illustrent schématiquement le fonctionnement d'un dispositif d'aiguillage optique selon 1' invention. Les figures 3 et 4 représentent, en coupe suivant la ligne AA de la figure 5, un tel dispositif, son miroir étant respectivement en position inactive et en position active. La figure 5 représente une coupe selon la ligne BB de l'objet de la figure 4. On voit sur les figures 1 et 2, représenté de façon schématique, un dispositif d'aiguillage comprenant un support mobile 4 qui porte un boîtier 5 dans lequel est monté un miroir 2. Ce miroir, orienté à 450 par rapport à un faisceau laser 1, réfléchit celui-ci dans une direction perpendiculaire lorsqu'il est amené, par déplacement du support mobile 4, en une position active où il intercepte le faisceau laser 1 (figure 2). Le parcours de déplacement du support 4 est toutefois inévitablement affecté d'irrégularités diverses, comme indiqué de façon quelque peu exagérée par la ligne de parcours L, il en résulte, pour la position active atteinte par le miroir 2, une imprécision qui peut entraîner un écart inacceptable entre le trajet du faisceau réfléchi et le trajet désiré. Pour remédier à cet inconvénient, une certaine liberté est donnée au boîtier 5 par rapport au support 4 grâce à l'interposition entre ces éléments de moyens de suspension 8 souples et élastiques, rustiques et peu coûteux, et des moyens de positionnement 11, 12 sont prévus qui assurent un recalage rigoureux de la position du boîtier 5 correspondant à la position active du miroir 2 par rapport à une pièce de référence 3a, et éliminent ainsi complètement toute conséquence de l'imprécision du déplacement du support 4. Le dispositif d'aiguillage optique représenté plus en détail aux figures 3 à 5 est destiné à réaliser, sur commande, le détournement d'un faisceau laser 1 vers un poste de travail P où il doit être utilisé, à l'aide d'un miroir 2. Comme expliqué plus haut, ce miroir peut prendre une première position (figure 3) où il est inactif, étant escamoté hors du trajet du faisceau laser 1, et laisse celui-ci se propager librement, et une seconde position où il entre en activité et où il est frappé par le faisceau laser 1 et le renvoie dans la direction du poste d'utilisation P (figures 4 et 5). Comme le montre la figure 5, le miroir 2 est orienté à 450 par rapport à la direction de propagation du faisceau laser 1, de sorte que la direction de renvoi R de celui-ci est perpendiculaire à sa direction d'incidence I. En outre, la direction du déplacement D du miroir 2 entre ses première et seconde position est perpendiculaire aux directions précitées d'incidence et de renvoi du faisceau laser. Le dispositif comprend un bâti 3 dans lequel peut se déplacer un support mobile 4 portant un boîtier 5 auquel est rigidement fixé le miroir 2 par l'intermédiaire d'une platine de montage 6. Le boîtier 5 comporte deux parois 5a, 5b perpendiculaires à la direction D et, entre celles-ci, deux parois 5c, 5d respectivement perpendiculaires aux directions d'incidence I et de renvoi R et percées d'ouvertures 7c, 7d permettant le passage du faisceau, ainsi qutune paroi interne 5e parallèle à la direction D et s'étendant à 450 par rapport aux deux parois 5c, 5d citées en premier lieu. Cette paroi 5e, percée d'une ouverture ovale 7e en regard des ouvertures 7c et 7d, porte la platine 6 sur laquelle est monté le miroir 2, dont la surface réfléchissante s'étend sensiblement parallèlement à celle de la paroi 5e. Pour atténuer l'échauffement du miroir 2 occasionné par l'impact d'un faisceau laser de forte puissance, celui-ci est couplé à un radiateur de refroidissement 10 à circulation de fluide. Le boîtier 5 est placé à l'intérieur du support 4, en forme de trièdre trirectangle, les parois 5b, 5c et 5d du boîtier 5 et celles du support 4 étant approximativement parallèles deux à deux. Le boîtier 5 est assujetti au support 4 non pas rigidement, mais par l'intermédiaire de blocs de liaison élastiques 8 disposés entre les parois parallèles précitées, de sorte que des déplacements mutuels du boîtier 5 et du support 4 sont possibles dans toutes les directions de l'espace. Le support 4 est relié à deux vérins 9 qui permettent de le faire se déplacer en translation suivant la direction D. Chacun de ces vérins, du type "vérin sans tige", comprend un tube 9a fixé au bâti 3 parallèlement à la direction D, un piston 9b mobile à l'intérieur du tube 9a et un manchon 9c pouvant coulisser autour de ce dernier. En alimentant convenablement avec de l'air comprimé, à l'aide d'un électro-distributeur, les chambres qui apparaissent dans le tube 9a de part et d'autre du piston 9b, on peut faire se déplacer celui-ci le long du tube. Le piston 9b étant constitué par un aimant permanent et le manchon 9c étant réalisé en un matériau magnétique, celui-ci accompagne le piston 9b. Ainsi peut être entraîné en translation le support 4, solidaire des manchons 9c des vérins 9. Des moyens de positionnement précis 11, 12 sont prévus pour imposer au boîtier 5 du miroir, donc à ce dernier, une position rigoureusement définie par rapport au bâti 3. Ces moyens sont disposés sur la paroi 5a du boîtier 5 et sur une paroi 3a appartenant au bâti 3, ces deux parois venant à proximité l'une de l'autre lorsque le support 4 arrive dans la position d'activité du miroir 2 (figure 42). Ces moyens de positionnement sont réalisés sous la forme d'un appui rationnel du type "trait-point-plan" fondé sur le principe de Lord Kelvin, tel que décrit par exemple dans le "Guide du dessinateur industriel", par A. Chevalier, édition Hachette, 1969, page 89.Ils comprennent, fixés sur la face interne de la paroi 3a qui constitue une pièce de référence, trois pointes 11 (dont deux seulement sont visibles sur les figures 3 et 4) dont les extrémités arrondies viennent respectivement prendre place dans un sillon rectiligne 12a, une cuvette ponctuelle 12b et une surface plane 12c (non visible) que comportent trois éléments en relief 12 solidaires de la face externe de la paroi 5a du boîtier 5. Lorsque le support 4 est dans la position représentée à la figure 3, le miroir 2 est escamoté en situation d'inactivité et le rayon laser 1 franchit sans entraves le dispositif d'aiguillage pour poursuivre son cheminement rectiligne. Lorsqu'on désire exploiter le faisceau laser au poste d'utilisation P, on actionne les vérins 9 qui assurent, par l'intermédiaire du support 4, un déplacement mécanique "rustique" de la charge importante que représente le miroir 2 refroidi de grand diamètre, ses accessoires et son boîtier 5, vers la position représentée à la figure 4 où le miroir intercepte le faisceau laser 1 pour le renvoyer suivant la direction R vers le poste P (figure 5).En fin de parcours, les moyens 11, 12 de positionnement du boîtier 4 par rapport à la pièce de référence 3a entrent en action pour positionner de façon rigoureuse le boîtier, donc le miroir 2 qui lui est rigidement lié, en l'obligeant à prendre une position bien déterminée par rapport à la pièce 3a et, de ce fait, au poste d'utilisation P, ce positionnement s'effectuant moyennant un léger déplacement du boîtier 5 par rapport au support 4, autorisé par la liaison élastique que procurent les blocs 8 entre ces deux éléments. La qualité de positionnement du miroir 2 ne dépend alors que de la rigidité du support 4 et du dimensionnement de l'appui rationnel 11, 12. Le boîtier 5 est maintenu dans cette position par les vérins 9 durant le temps demandé pour l'utilisation du faisceau laser au poste P. Pour éviter tout déplacement intempestif du boîtier 5 et, par suite, du miroir 2, en cas de défaut dans l'alimentation pneumatique des vérins, un dispositif de maintien auxiliaire 13 est prévu, qui comprend un bras pivotant 13a monté dans le bâti 3, portant à une extrémité un galet rotatif 13b et relié, à son autre extrémité, à un ressort de traction 13c. Lorsque le miroir 2 passe de sa position inactive à sa position active, le galet 13b roule contre l'une des parois du support mobile 4 parallèles à la direction de translation D, le bras 13a maintenant le ressort 13c en extension.En fin de course, le galet 13b quitte la paroi précitée et, par basculement du bras 13a sous l'action du ressort, vient s'appliquer contre la paroi du support 4 qui est perpendiculaire à la direction D, de sorte que le support 4 est sollicité élastiquement vers la paroi 3a du bâti 3; ainsi, les moyens de positionnement 11, 12 resteraient en situation de coopération même si l'action des vérins 9 venait à disparaître. Le réglage de l'orientation du miroir 2 en position active peut être effectué en jouant soit sur les moyens 11, 12 - ajustables - de positionnement du boîtier 5 par rapport au bâti fixe 3, soit sur des moyens de positionnement ajustables, qui peuvent être du même type, prévus entre la platine 6 du miroir 2 et le boîtier 5. Entre ce dernier et la platine 6 peut également être prévu, dans un but de sécurité, un détecteur 16 de présence du miroir 2. Dans un même but sont prévus deux détecteurs de position 14, 15 coopérant avec le manchon mobile 9c de l'un des vérins 9 pour signaler la présence du support 4 dans l'une ou l'autre de ses deux positions extrêmes. A titre indicatif, dans un exemple de réalisation d'un dispositif d'aiguillage optique, le miroir 2 était un miroir métallique de 10 cm de diamètre, refroidi sur sa face arrière par un radiateur à circulation de liquide et permettant l'interception et le renvoi d'un faisceau laser de diamètre maximal égal à 68 mm. Ce miroir était monté sur une platine de réglage 6 permettant une déviation de + 30 autour de la direction de renvoi R à 900. La liaison élastique entre le boîtier 5 du miroir et le support mobile 5 était assuré par deux ensembles de trois butées élastiques offrant une flèche de 5 mm sous une force de 3 daN. Les vérins pneumatiques sans tige 9, de 200 mm de course, étaient implantés symétriquement par rapport au centre de gravité de l'ensemble support 4 - boîtier 5 - miroir 2, de poids égal à 18 daN, la poussée totale des deux vérins atteignant 42 daN sous 6 bars. Revendications 1. Dispositif d'aiguillage optique permettant de détourner à volonté un faisceau laser de sa direction normale de propagation dans une autre direction déterminée, comprenant un miroir plan oblique par rapport à ladite direction de propagation, mobile entre une position inactive où le faisceau laser ne le rencontre pas et n'est pas dévié, et une position active où le faisceau laser rencontre le miroir et s'y réfléchit pour prendre ladite direction déterminée et se diriger vers un poste fixe d'utilisation, caractérisé par le fait que le miroir (2) est porté, via des moyens de suspension (8) souples et élastiques, par un support mobile (4) qui est déplaçable entre deux positions dans lesquelles le miroir (2) prend respectivement l'une ou l'autre de ses deux positions précitées, et que des moyens (11, 12) de positionnement précis du miroir (2) par rapport à une pièce de référence (3a) rigidement liée au poste d'utilisation (P) sont prévus, qui entrent en fonction lorsque le miroir arrive dans sa position active en imposant alors à celui-ci de prendre une position rigoureusement définie, parfaitement reproductible, par rapport à ladite pièce de référence (3a). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le support mobile (4) se déplace en un mouvement de rotation. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le support mobile (4) se déplace en un mouvement de translation. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que le support mobile est déplaçable à l'aide de moyens moteurs (9) d'entraînement. 5. Dispositif selon les revendications 3 et 4, caractérisé par le fait que les moyens moteurs (9) d'entraînement sont constitués par des vérins pneumatiques sans tige. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé par le fait qu'un moyen effaçable (13) de maintien du miroir (2) dans sa position active est prévu. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les moyens de positionnement précis (11, 12) sont réglables et permettent un ajustement fin de la position active du miroir (2). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le miroir (2) est monté rigidement dans un boîtier (5) et que les différents moyens mécaniques associés au miroir agissent sur celui-ci par l'intermédiaire de son boîtier, avec lequel ils coopèrent. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le miroir (2) est monté dans son boîtier (5) par l'intermédiaire de moyens de positionnement précis réglables permettant un ajustement fin de la position active du miroir. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que les moyens de positionnement précis qu'il comporte sont du type "trait-point-plan".