Brevet FR2677185A1 — publié le 19921204

La présente invention concerne les émetteurs laser et, plus particulièrement, un émetteur laser notamment pour la génération d'ondes ultrasonores à di rectivité contrôlée et l'application d'un tel émetteur aux dispositifs de contrôle non destructif. L'intérêt des contrôles non destructifs des matériaux et produits n'est plus à démontrer. De nombreux secteurs techniques utilisent les contrôles non destructifs par exemple à l'aide d'ultra-sons pour vérifier la qualité et/ou l'état de matériaux de base ou de produits ouvrés. Tel est par exemple le cas de l'industrie sidérurgique pour la vérification des produits longs et/ou plats et aussi le cas de l'industrie aéronautique pour s'assurer de la qualité de pièces complexes en cours de fabrication ou ultérieurement, apyres usage, pour s 'assurer que leur vieillissement ne risque pas de nuire à la sécurité. Toutefois, l'utilisation des ultra-sons pour les essais non destructifs pose des problèmes qui, parfois, en limitent sérieusement les applications pratiques puisqu'il est très souvent nécessaire d'assurer un couplage physique, par exemple à l'aide d'un liquide, pour maintenir la continuité acoustique entre les émetteurs ou les récepteurs, d'une part, et le produit vérifié, d'autre part. Des tentatives ont été faites pour s'affranchir de cette obligation de l'utilisation d'un tel couplage et ainsi réussir à faire des contrôles non destructifs à l'aide d'ultra-sons sans contact physique en se servant de sources de rayonnement impulsionnel tels que des lasers pour générer des ultrasons. Non seulement une telle émission d'ultra-sons pose des problèmes mais aussi leur détection ulté rieure, après réception par le produit à contrôler. Une des principales difficultés est dûe à la relativement faible puissance acoustique des ondes ultra-sonores induites par un rayonnement laser qu'il faut utiliser si le régime de fonctionnement doit faire en sorte que le comportement aux ultra-sons du produit à vérifier reste de préférence dans la limite thermo-élastique afin de ne pas en altérer l'état de surface. Comme de plus, l'état de surface du produit à vérifier est rarement comparable à celui résultant d'un poli optique, des difficultés supplémentaires apparaissent pour la détection que même des techniques optiques fines faisant appel à l'interférométrie hétérodyne ne permettent pas facilement de résoudre à coup sûr. En effet, l'état de surface non parfaitement lisse provoque une modulation de l'amplitude du signal détecté par effet speckle. Pour tenter de résoudre certaines de ces difficultés, on a proposé de déposer l'énergie rayonnée par un émetteur laser sur le produit à contrôler sous forme d'une succession d'impacts obtenus à l'aide d'un déflecteur acousto-optique. Mais il est apparu que cette technique est peu fiable du fait de son manque de fidélité, de la longévité relativement courte des sources lasers utilisées ainsi que des faibles cadences de mises en oeuvre. Pour ce qui est de la détection, on a aussi proposé d'utiliser un récepteur comprenant un interféromètre de type MACH-ZEHNDER équipé d'un modulateur acousto-optique permettant de fonctionner en mode hétérodyne. Aucune de ces tentatives faites ne donne entière satisfaction du fait de son coût de mise en oeuvre et de ses difficultés pratiques d'utilisation qui en limitent l'usage au laboratoire, ce qui en in terdit pratiquement tout usage industriel pour des contrôles en routine. Le but de l'invention est de remédier à la plupart des inconvénients énumérés précédemment à l'aide d'une solution qui ne fait pas appel à des techniques de balayage. L'invention a pour objet un émetteur laser notamment pour la génération d'ondes ultra-sonores à directivité contrôlée constitué, entre autres, d'une cavité optique résonnante faite de deux miroirs plans parallèles dont l'un est totalement réfléchissant et l'autre partiellement réfléchissant et d'un générateur laser placé entre ces miroirs pour émettre un rayonnement normal aux miroirs et émergent par le miroir partiellement réfléchissant.Cet émetteur est notamment caractérisé en ce que ce générateur est composé de plaques en matériau actif qui sont orientées de telle manière que leurs axes longitudinaux sont perpendiculaires à ces miroirs et qui sont accolées les unes aux autres, et en ce qu'il comprend un interrupteur multiple de synchronisation interposé entre le générateur et le miroir totalement réfléchissant pour provoquer l'émission séquentielle des plaques. L'invention a aussi pour objet l'application d'un tel émetteur à un dispositif pour le contrôle non destructif d'un échantillon de manière à irradier ce dernier et de préférence à y engendrer notamment des dilatations par effet thermoélastique afin de pouvoir en connaître le comportement sans contact. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la lecture de la description et des revendications qui suivent ainsi que de l'examen du dessin annexé donné seulement à titre d'exemple où la figure unique illustre schématiquement en perspective un mode de réalisation d'un émetteur selon l'invention. Les techniques relatives aux émetteurs laser et plus particulièrement relatives à ceux d'entre eux utilisés pour la génération d'ondes ultra-sonores étant bien connues dans la technique, on ne décrira par la suite que ce qui concerne directement ou indirectement l'invention. Pour le surplus, le spécialiste de la technique considérée puisera dans les solutions classiques courantes à sa disposition pour faire face aux problèmes particuliers auxquels il est confronté. Dans ce qui suit, un même numéro de référence identifie toujours un élément homologue, quel que soit le mode de réalisation, ou sa variante d'exécution, de l'invention. Pour la commodité de l'exposé, on décrira successivement chacun des constituants de l'invention avant d'en exposer le fonctionnement. Comme on le voit en examinant la figure, le mode de réalisation dessiné schématiquement d'un émetteur laser pour la génération d'ondes ultra-sonores à directivité contrôlée selon l'invention, est constitué, entre autres, d'une cavité optique résonante 10 faite de deux miroirs Il et 12. Ces miroirs sont plans parallèles et tels que l'un, le miroir 11 est totalement réfléchissant et que l'autre le miroir 12 est partiellement réfléchissant. Un générateur laser 20 est placé entre les miroirs il et 12 pour émettre un rayonnement laser R qui est normal aux miroirs 11 et 12 et qui émerge par le miroir 12 partiellement réfléchissant. Ce générateur 20 est composé de plaques, barrettes, barreaux ou simlaires 200, en matériau actif, qui sont orientés de manière que leurs axes longitudinaux particuliers sont perpendiculaires aux miroirs 11 et 12, et qui sont accolés les uns aux autres comme cela ressort de l'examen du dessin. Les plaques ou similaires 200 sont, de préférence, des parallélépipèdes à base 201 rectangulaire et qui sont orientés obliquement à l'angle de BREWSTER, vis-à-vis de l'axe optique défini par les miroirs 11 et 12. Comme on peut l'observer, les plaques sont accolées les unes aux autres par leurs faces latérales 202.Comme on peut l'observer aussi, les faces 203 libres coplanaires des plaques 200 sont équipées de diodes lasers 21 pour assurer le pompage optique des plaques 200. On peut aussi utiliser des lampes à éclairs classiques. Les autres faces 204 libres coplanaires des plaques 200 sont munies, s'il y a lieu, d'un radiateur 22 pour évacuer de la chaleur produite au cours du fonctionnement. On utilise par exemple un radiateur à eau ou à effet PEL TIER. L'émetteur laser selon l'invention comprend aussi un interrupteur 30 multiple de synchronisation interposé entre le générateur 20 et le miroir 11 totalement réfléchissant pour provoquer l'émission séquentielle de chacun des barreaux 200. De préférence, cet interrupteur multiple de synchronisation 30 est constitué de cellules 300 de POCKELS dont chacune est associée à l'une des plaques 200 comme illustré. En outre, comme il est classique pour ce type d'émetteur, un polariseur 40 est intercalé entre le générateur 20 et l'interrupteur optique 30, comme dessiné. Un circuit 50 d'alimentation, seulement illustré schématiquement, pilote le fonctionnement du générateur 20 et de l'interrupteur 30. Pour ce faire, ce circuit est connecté à chacune des cellules de POCKELS 300 et à chacune des diodes lasers 21 qui sont utilisées pour le pompage optique des plaques actives. Ce type de circuit est classique et pour cela non illustré en détail. Ce circuit est, par exemple, sous la dépendance d'un micro-calculateur programmable. De la sorte, l'interrupteur 30 fixe l'ordre, la durée et la puissance de l'émission séquentielle de chacune des plaques. De préférence, l'émetteur selon l'invention comprend par exemple au moins seize plaques. Ces plaques sont constituées par le matériau actif YAG composé d'une matrice Y3A15012 dopée par l'ion Nd3+ émettant à 1064 nm. On peut aussi utiliser pour matériau actif des plaques d'autres matrices dopées par des ions trivalents. Le fonctionnement de l'émetteur est tel que l'émission séquentielle des plaques se manifeste sous la forme d'un train d'impulsions de fréquence ajustable dont chacune, de préférence, a une durée inférieure à 15 ns et une fréquence de répétition de l'ordre de 30 à 50 Hz voire quelques 100 Hz. L'énergie totale minimale utilisée est de l'ordre de 200 mJ. Chaque plaque émet un faisceau dont le diamètre est de l'ordre de 4 mm et dont la divergence est de l'ordre de 1 mrad. On obtient de la sorte une extension spaciale totale des sources de 3 cm environ et une émission avec un digramme de directivité bien défini, à asymétrie marquée et sans lobe secondaire. Afin d'assurer la distribution de l'énergie lumineuse dans cette "pupille acoustique" composée d'un ensemble de sources thermoélastiques dont la dimension latérale est variable, on utilise un anamorphoseur. Cet anamorphoseur, qui agit sur les faisceaux élémentaires, cylindriques et parallèles, comprend de préférence des lentilles cylindriques de focalisation et un objectif à focale variable qui transforme des faisceaux en traits équidistants. On s'assure que chaque impulsion a une distribution spatiale uniphase. La valeur de crête de la puissance est ajustable entre quelques kilowatts et quelques mégawatts. On fait en sorte, si nécessaire que la puissance d'émission de chaque plaque est ajustable séparément. On voit donc que grâce à l'invention, il est possible de réaliser un émetteur laser pour la génération d'ondes ultra-sonores à directivité contrôlée qui fonctionne entièrement à distance et sans contact grâce à des faiseaux lasers judicieusement pilotés qui permettent d'opérer notamment en régime thermoêlasti- que du produit irradié avec des ultra-sons de puissance suffisante. Il va de soi que cet émetteur laser selon l'invention peut être utilisé pour émettre une énergie incidente notablement plus forte afin d'opérer en régime d'ablation avec vaporisation superficielle du matériau et non plus dilation comme en régime thermoélastique. Un tel émetteur laser selon l'invention convient particulièrement bien à un dispositif pour le contrôle non destructif en particulier en milieu hostile ou pour des processus de fabrication en ligne. Ce qui précède met bien en lumière les particularités et les avantages apportés par l'invention. REVENDICATIONS 1 - Emetteur laser notamment pour la génération d'ondes ultrasonores à directivité contrôlée constitué, entre autres, d'une cavité optique résonante (10) faite de deux miroirs (11, 12) plans parallèles dont l'un (11) est totalement réfléchissant, et l'autre (12) partiellement réfléchissant et d'un générateur (20) laser placé entre ces miroirs pour émettre un rayonnement (R) normal aux miroirs et émergent par le miroir (12) partiellement réfléchissant, caractérisé en ce que ce générateur (20) est composé de plaques (200) en matériau actif qui sont orientées de telle manière que leurs axes longitudinaux sont perpendiculaires à ces miroirs et qui sont accolées les unes aux autres, et en ce qu'il comprend un interrupteur (30) multiple de synchronisation interposé entre le générateur (20) et le miroir (11) totalement réfléchissant pour provoquer l'émission séquentielle des plaques (200). 2 - Emetteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interrupteur multiple (30) est un interrupteur optique (30) à cellules (300) de POCKELS. 3 - Emetteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les plaques (200) sont des parallélépipèdes à bases (201) rectangulaires et en ce que chacune de ces faces taillées à l'angle de Brewster (201) fait face obliquement à l'un de ces miroirs (11, 12). 4 - Emetteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'interrupteur multiple (30) fixe d'une manière programmable l'ordre, la durée et la puissance de l'émission séquentielle de chacune des plaques (200). 5 - Emetteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque plaque (200) est munies'une diode laser (21) pour son pompage optique et en ce que ces diodes sont montées sur les faces (203) libres coplanaires des plaques (200). 6 - Emetteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les faces libres (204) coplanaires des plaques (200) sont munies d'un radiateur (22) pour évacuer la chaleur produite en fonctionnement. 7 - Emetteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les plaques (200) sont faites du matériau actif YAG composé d'une matrice Y3A15012 dopée par l'ion Nd3+. 8 - Emetteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les plaques (200) sont faites d'une matrice dopée par des ions trivalents. 9 - Emetteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le nombre des plaques (200) est au moins égal à seize. 10 - Emetteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'émission séquentielle des plaques (200) est faite d'un train d'impulsions de fréquence ajustable dont chacune a une durée inférieure à 15 ns, une fréquence de répétition de l'ordre de 30 à 50 Hz et une énergie totale minimale de 200 mJ. 11 - Emetteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'émission séquentielle à une puissance de crête comprise entre 100 kW environ et 100 MW environ. 12 - Emetteur selon la revendication 10 et/ou 12, caractérisé en ce que chaque impulsion a une distribution spatiale uniphase. 13 - Emetteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la puissance d'émission de chaque plaque (200) est ajustable séparément. 14 - Emetteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend un anamorphoseur pour assurer la distribution de l'énergie lumineuse dans une pupille acoustique. 15 - Application d'un émetteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 à un dispositif pour irradier un échantillon afin d'y engendrer des dilatations par effet thermoélastique de manière à pouvoir en connaître le comportement sans contact, par un essai non destructif.