Brevet FR2692366A1 — publié le 19931217

La présente invention concerne les guides d'onde métalliques hélicoïdaux pour la transmission d'un faisceau laser, du type "galerie chuchotante", le guide d'onde ayant un rayon nominal d'enroulement hélicoïdal. Dans ce type de guides d'onde, en forme de gouttière hélicoïdale à deux rayons de courbure, décrit dans le document US-A-4 194 808, la propagation du faisceau laser à l'intérieur de la galerie se fait sous la forme de modes, qui sont chacun des répartitions spatiales particulières du champ électrique et qui présentent donc chacun leurs propres caractéristiques de propagation et de répartition d'énergie On montre, en pratique, que le mode fondamental est une ellipse dont les dimensions dépendent de celles des deux rayons de courbure de la galerie et de la longueur d'onde du rayonnement, ce mode fondamental étant accompagné d'autres modes qui se différencient par leurs orientations et leur profil énergétique. Quand on injecte un faisceau laser à une extrémité de la galerie par l'intermédiaire de lentilles de focalisation sans mise en forme particulière du faisceau, ce dernier ne présente en général pas le profil d'un mode particulier et il se produit une décomposition ou un transfert de l'énergie incidente sur la plupart des modes excitables de la galerie Chacun de ces modes se propage jusqu'à la sortie o il se recombine pour donner un profil de faisceaux très multi-modes, constitué d'un grand nombre de pics d'intensités inégales qui ne se prête que difficilement à des traitements optiques ultérieurs, notamment au niveau d'une focalisation, pour réaliser des opérations de découpe par laser de bonne qualité. La présente invention a pour objet de proposer un guide d'onde métallique hélicoïdal, ou galerie chuchotante, perfectionné, permettant, de façon simple, fiable et reproductible, d'obtenir un bon transfert de l'énergie incidente sur le mode fondamental ou sur un mode d'ordre proche dont la recombinaison en sortie produit un faisceau conservant de bonnes qualités optiques. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, le guide d'onde comporte au moins une section terminale, typiquement la section d'entrée, dont le rayon d'enroulement croît progressivement depuis le rayon nominal jusqu'à un rayon maximal au moins deux fois supérieur au rayon nominal, typiquement au moins 10 fois supérieur à ce dernier, le rayon maximal étant typiquement supérieur à 10 mètres, c'est-à-dire approchant un rayon de courbure infini. Selon une autre caractéristique de l'invention, le guide d'onde, ayant une concavité de rayon intérieur nominal déterminée, est caractérisé en ce que la section terminale a un rayon intérieur croissant progressivement depuis le rayon nominal jusqu'à un rayon intérieur maximal au moins deux fois supérieur au rayon intérieur nominal, typiquement supérieur à dix fois le rayon intérieur nominal. La présente invention a également pour objet un dispositif de découpe laser, comprenant une source de faisceau laser infrarouge et un guide d'onde métallique hélicoïdal tel que défini ci-dessus, la source de faisceau laser étant couplée à l'extrémité d'une première section terminale du guide d'onde avec le faisceau tangent à la surface interne de ladite extrémité de la section terminale. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante d'un mode de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec le dessin annexé, sur lequel la figure unique représente un dispositif de découpe laser avec un guide d'onde hélicoïdal selon l'invention. On reconnaît sur cette figure un guide d'onde métallique hélicoïdal ou galerie chuchotante 1, par exemple en nickel ou en alliage de cuivre, ayant une extrémité d'entrée A couplée, via un dispositif de couplage à lentilles de focalisation 2, à un laser C 02 à infrarouge, par exemple lui-même du type à galerie chuchotante, de façon que le faisceau laser soit tangent à la surface interne de l'extrémité A du guide d'onde Le guide d'onde 1 comporte, de façon classique, une partie principale hélicoïdale de rayon R 1 compris entre 5 cm et 20 cm et présentant une section en forme de gouttière de rayon intérieur constant r 1 compris entre 3,5 et 10 mm, typiquement de l'ordre de 5 mm La totalité de la surface intérieure (concave), parfaitement polie, du guide d'onde 1 est revêtue d'une couche de matériau optique, typiquement d'or. Selon l'invention, le guide d'onde comprend, au moins à son entrée, une section terminale A-C 1 dont le rayon d'enroulement R croît progressivement, depuis la zone intermédiaire C 1, de R 1 à R 2, le rayon maximum R 2 étant beaucoup plus grand que le rayon nominal R 1 et étant idéalement supérieur à 10 mètres, c'est-à-dire proche d'un rayon de courbure infini. Pour passer progressivement du rayon nominal R 1 au rayon maximum R 2, la longueur développée de la section terminale C 1-A est supérieure à 5 cm, typiquement supérieure à 20 cm et avantageusement supérieure à 50 cm selon la grandeur du rayon maximal R 2. Dans le cas d'un dispositif de découpe laser, tel que représenté, l'extrémité de sortie B du guide d'onde est couplée à un dispositif de focalisation 4 Dans ce cas, le guide d'onde 1 comprend avantageusement une seconde section terminale C 2-B o le rayon d'enroulement croît également progressivement depuis le rayon nominal R 1 jusqu'à un deuxième rayon maximal RB supérieur à deux fois le rayon nominal R 1 mais non nécessairement aussi grand que le premier rayon maximal R 2 à l'entrée A du guide d'onde, la longueur développée de la deuxième section terminale C 2-B étant également supérieure à 5 cm, mais pouvant être inférieure à 20 cm. Selon une autre caractéristique de l'invention, au moins la section terminale d'entrée C 1-A est conformée de façon que le rayon intérieur nominal r croîsse également, de C 1 à l'entrée A, de façon progressive depuis la valeur nominale r 1 jusqu'à un rayon intérieur maximal r 2, au moins deux fois supérieur au rayon nominal r 1, et avantageusement au moins dix fois supérieur à ce dernier La seconde section terminale C 2-B peut également, optionnellement, avoir un rayon intérieur croissant depuis le rayon intérieur nominal R 1 jusqu'à un rayon maximal r B au moins deux fois supérieur à r 1. Les variations des rayons R et r sont obtenues avantageusement par le procédé de formage selon la demande de brevet déposée ce même jour par la Demanderesse et intitulée: "Procédé et dispositif de fabrication d'un guide d'onde métallique souple hélicoïdal pour faisceau laser", o le guide d'onde est poli et mis en forme par passage dans au moins deux postes de formage successifs comprenant chacun une paire de galets profilés coopérants, concave et convexe, la variation du rayon d'enroulement hélicoïdal étant obtenue en faisant varier progressivement la position du galet final de mise en forme et la variation progressive du rayon intérieur de la galerie étant obtenue en faisant varier progressivement l'écartement entre galets des postes de formage. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée pour autant mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art En particulier, selon les applications et les puissances laser, la partie à rayon nominal d'enroulement R 1 du guide d'onde peut être réduite à une ou quelques spires, au profit de sections terminales allongées C 1-A et C 2-B à variation très progressive du rayon de courbure R et/ou r. REVENDICATIONS 1 Guide d'onde métallique hélicoïdal ( 1) pour la transmission d'un faisceau laser, le guide d'onde ayant un rayon nominal d'enroulement hélicoïdal (R 1), caractérisé en ce qu'il comporte au moins une section terminale (C 1-A; C 2-B) dont le rayon d'enroulement (R) croît progressivement depuis le rayon nominal (R 1) jusqu'à un rayon maximal (R 2) au moins deux fois supérieur au rayon nominal (R 1). 2 Guide d'onde selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayon d'enroulement maximal (R 2) est au moins dix fois supérieur au rayon nominal (R 1). 3 Guide d'onde selon l'une des revendications précédentes, ayant une concavité de rayon intérieur nominal (rl), caractérisé en ce que la section terminale (C 1-A; C 2-B) a un rayon intérieur croissant progressivement depuis le rayon nominal (r 1) jusqu'à un rayon intérieur maximal (R 2) au moins deux fois supérieur au rayon intérieur nominal (r 1). 4 Guide d'onde selon la revendication 3, caractérisé en ce que le rayon intérieur maximal (r 2) est au moins dix fois supérieur au rayon intérieur nominal (r 1). Guide d'onde selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section terminale (C 1-A; C 2-B) a une longueur développée supérieure à 5 cm. 6 Guide d'onde selon la revendication 5, caractérisé en ce que la section terminale a une longueur développée supérieure à 20 cm. 7 Guide d'onde selon la revendication 6, caractérisé en ce que la section terminale a une longueur développée supérieure à 50 cm. 8 Dispositif de découpe laser comprenant une source de faisceau laser infrarouge ( 3) et un guide d'onde métallique hélicoïdal ( 1), caractérisé en ce que le guide d'onde ( 1) est conforme à l'une des revendications précédentes, la source de faisceau laser ( 3) étant couplée à l'extrémité (A) d'une première section terminale (C 1-A) du guide d'onde, avec le faisceau laser tangent à la surface interne de ladite extrémité (A). 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de focalisation ( 4) couplé à l'extrémité (B) d'une seconde section terminale (C 2-B) du guide d'onde ( 1).