Brevet FR2692822A1 — publié le 19931231

L'invention concerne une source laser dédiée à l'éradication photonique par ondes multiples sur tout type de matériaux et notamment ceux utilisés dans les oeuvres d'art (monuments historiques, tableaux, vitraux etc...), dans l'industrie (matériaux métalliques, composites, cristallins ou vitreux). L'éradication photonique permet à ces matériaux de recouvrer une qualité de surface primitive en éliminant des espèces étrangères ou parasites déposées au cours du temps ou au cours de procédés de fabrication. Depuis bien des années, le nettoyage par lessivage, par voie chimique ou mécanique a donné naissance à diverses machines industrielles. Les procédés associés sont souvent agressifs et érodent quelque peu le matériau. Leur efficacité est parfois faible et impose de nombreux cycles de nettoyage. Récemment, le laser a été utilisé pour eliminer les espèces étrangères incrustées dans des matières ou déposées sur les matériaux. Dans le cas où le laser émet de façon continue ou pseuydo-continue, l'apport thermique au matériau par le faisceau lumineux est important. L'élimination des espèces étrangères n'est pas parfaite et la dissipation thermique dans les matériaux reste souvent néfaste. Lorsque le laser émet des impulsions lumineuses brèves dont la durée est comprise entre quelques nanosecondes et quelques dizaines de nanosecondes, l'interaction entre le champ électromagnétique et la matière provoque des ondes de choc dans le matériau et désolidarise les espèces étrangères du matériau. Ces dernières disparaissent dans l'air ou le fluide environnant sous forme d'aérosols composés. L'énergie disponible dans chaque impulsion lumineuse est en tout ou partie absorbée à la surface du matériau. Cette énergie ébranle la matière en se dissipant sous forme d'ondes de pression. Les forces de cohésion entre l'espèce étrangère et le matériau sont combattues instantanément et ce dernier retrouve son état primitif. Le régime de l'interaction est dit purement élastique si l'intensité lumineuse exprimée en MW/cm2, ne dépasse pas une valeur limite fixée par le matériau. Si la valeur de l'intensité est supérieure à cette valeur limite, il apparaît un phénomène de claquage qui détruit l'espèce étrangère et peut endommager le matériau. Le nettoyage est alors agressif. La source laser, objet de l'invention remédie à ces inconvénients en générant à chaque tir un train d'impulsions brèves dont la durée totale est comprise entre quelques microsecondes et quelques centaines de microsecondes. La durée de chaque impulsion peut varier entre une fraction de nanoseconde et une centaine de nanosecondes. Chacune des impulsions induit sur la matière une intensité crête inférieure à une valeur limite fixée par le matériau. La fréquence des impulsions dans le train est comprise entre 10 et 1000 kilohertz. La longueur d'onde du laser sera d'autant mieux adaptée à l'éradication photonique qu'elle sera mieux absorbée à la surface du matériau. La fréquence des tirs est comprise entre 1 et 1000 hertz. Si le matériau présente une surface stratifiée, l'utilisateur choisit le nombre d'impulsions par tir de façon à maintenir un régime d'interaction élastique pour chaque impulsion et à éradiquer strate par strate les espèces étrangères. L'utilisation d'une seule impulsion par tir limite le procédé et l'utilisateur est tenté d d'augmenter l'énergie par impulsion au risque de sortir du domaine non agressif du procédé. Un exemple de source laser selon l'invention est constitué à partir d'une matrice d'oxyde d'aluminium (Y3 A15012) dopée par des ions néodyme et offre les caractéristiques suivantes : la longueur d'onde est de 1.064 nanomètres, la cadence de tir est maximum égale à la fréquence fondamentale Fo = 30 hertz. Cette cadence est réglable entre Fo et Fo/N ; N est un entier compris entre 0 et 99. Pour N = o, la source laser n'émet aucune lumière. Le train émis à chaque tir comporte deux ou trois impulsions dont la durée est comprise entre 7 et 25 nanosecondes. L'énergie par impulsion est conséquement comprise en 50 millijoules et 1000 millijoules. On peut aussi choisir préférentiellement une source laser constituée à partir d'une matrice de saphir (A1203) dopée par l'ion chrome ou par l'ion titane ou plus avantageusement une source laser à sécurité oculaire qui émet à 1,54 micron ou au dessus de 1,8 microns. La source laser selon l'invention, présente d'autres caractéristiques qui facilitent sont utilisation sur les sites opérationnels. Le faisceau issu de l'émetteur est couplé à un bras articulé à miroirs qui dispose de degrés de liberté suffisants et qui sert de conduit de lumière aux trains d'impulsions. L'extrémité de ce bras optique constitue la pièce à main disponible par l'opérateur. Cette dernière reçoit des optiques en transmission qui permettent de contrôler la section du faisceau lumineux sur le matériau et de maîtriser ainsi l'intensité lumineuse instantanée. Une facilité remarquable consiste à placer à l'extrémité de la pièce à main un bouton-poussoir électronique qui permet à souhait d'interrompre la présence de la lumière sur le matériau. Lorsque le laser utilisé n'est pas à sécurité oculaire, l'opérateur utilise une paire de lunettes de protection adaptée à la longueur d'onde de l'émetteur et doit engager l'un de ses pieds dans une pédale normalisée pour assurer les règles de sécurité en vigueur et disposer du faisceau sans risque oculaire. La plateforme sur laquelle est installée le laser est par ailleurs aux normes de sécurité. La source laser selon, l'invention, a son efficacité d'éradication photonique amplifiée lorsque l'utilisateur prend la précaution, dans des travaux d'art ou des travaux industriels, de placer sur la surface à nettoyer, un liquide sous forme de spray ou d'arrosage contrôlé notamment l'eau satisfait à cette fonction si le matériau se mouille aisément. La présence du liquide confine l'énergie mécanique dissipée par les ondes de pression au sein de la matière et améliore considérablement l'efficacité du procédé d'éradication photonique. Le domaine de l'invention est celui de la restauration d'oeuvres d'art et du nettoyage de matériaux utilisés dans l'insdustrie. REVENDICATIONS 1/ Source laser pour l'éradication photonique à ondes multiples sur tout type de matériaux tels que particulièrement ceux qui constituent les oeuvres d'art et ceux utilisés dans l'industrie, caractérisée en ce qu'elIe génère, à chaque tir, un train d'impulsions brèves dont la durée totale est comprise entre quelques microsecondes et quelques centaines de microsecondes, dont la durée de chaque impulsion varie entre une fraction de nanoseconde et une centaine de nanosecondes et dont la fréquence des impulsions dans le train est comprise entre 10 et 1000 kilohertz. 2/ Source laser pour l'éradication photonique à ondes multiples sur tout type de matériaux tels que particulièrement ceux qui constituent les oeuvres d'art utilisés dans l'industrie, selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'intensité lumineuse, exprimée en mégawatf par centimètre carré et déposée par chaque impulsion du train sur le matériau, ne dépasse pas une valeur limitée fixée par le matériau qui correspond à un phénomène de claquage et maintienne un régime d'interaction élastique. 3/ Source laser pour l'éradication photonique à ondes multiples selon la revendication 1, caractérisée en ce que le faisceau issu de l'émetteur est couplé à un bras articulé à miroirs dont le nombre de degrés de liberté est suffisant et dont l'extrémité reçoit une pièce à main munie d'optiques qui permettent de maîtriser la section du faisceau sur le matériau et assurent ainsi le contrôle de l'intensité lumineuse instantanée. 4/ Source laser pour l'éradication photonique à ondes multiples selon l'une quelconque des revendications 1 et 3, caractérisée en ce que la pièce à main est munie d'un bouton poussoir électronique qui permet d'interrompre instantanément la présence de la lumière sur le matériau. 5/ Source laser pour l'éradication photonique à ondes multiples selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisée en ce que l'efficacité d'éradication est amplifiée lorsque l'utilisateur place sur la surface du matériau un liquide, notamment de l'eau, sous forme de spray ou d'arrosage contrôlé. 6/ Source laser pour l'éradication photonique à ondes multiples selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisée en ce que l'on utilise un laser constitué à partir d'une matrice d'oxyde d'aluminium (Y3 A15012) dopée par des ions néodyme dont la longueurd'onde est de 1.064 nanomètres, la cadence de tir est F = Fo/N; avec Fo = 30 hertz et N nombre entier compris entre 0 et 99. Pour N = o, la source laser n'émet pas de lumière. Le train émis à chaque tir comporte deux ou trois impulsions dont la durée est comprise entre 7 et 25 nanosecondes et dont l'écart temporel est de quelques dizaines de microsecondes. L'énergie par impulsion est ajustable ente 50 millijoules et 1 joule. 7/ Source laser pour l'eradication photonique à ondes multiples selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisée en ce que l'on utilise un laser constitué à partir d'une matrice de saphir (A1203) dopé par l'ion chrome ou l'ion titane. 8/ Source laser pour l'éradication photonique à ondes multiples selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisée en ce qu'elle est à sécurité oculaire et émet à 1,54 microns au dessus de 1,8 microns.