Brevet FR2702891A1 — publié le 19940923

La présente invention concerne un dispositif laser à gaz compact et robuste du type à configuration d'excitation en ligne triplacue et qui peut remplacer du point de vue physique l'unité à broche ou l'outil d'usinage/de coupe/de perçage dans un dispositif de posi- tionnement commandé par ordinateur. Dans des dispositifs de gravure, de coupe et de perçage classiques utilisant un laser de faible puissance (inférieur à 100 W), on utilise des lasers fixes ayant un système (système optique mobile) de délivrance du faisceau qui est constitué par une série de miroirs, de lentilles et/ou de fibres, qui transmettent le faisceau depuis l'ouverture du laser jusqu'à la position variable désirée sur la pièce à usiner Ces systèmes peuvent être d'une nature très complexe et requièrent souvent un réétalonnage et un réglage et d'une manière générale augmententconsidérablement l'investissement initial et le coût de maintenance, tout en augmentant la surface de base du système (L'autre option consiste à déplacer l'ensemble de la pièce à usiner, et les inconvénients du procédé sont souvent même plus importants). La nature fixe du laser dans des systèmes classiques est requise par les dimensions importantes et le poids important du laser à gaz, ainsi que par leur construction relativement fragile D'autre part, de petits lasers robustes possèdent des puissances trop faibles pour le traitement des matériaux ou tendent à produire des faisceaux de mauvaise qualité, que l'on ne peut pas focaliser pour obtenir des densités de flux de puissance maximales (Des lasers à l'état solide situés dans le domaine du proche de l'infrarouqe ou dans le domaine du visible permettent d'éliminer ces deux inconvénients, mais sont actuellement d'un prix onéreux prohibitif>. On peut concevoir des lasers à gaz extrêmement compacts et refroidis par conduction en utilisant une configuration en ligne triplacue, dans laquelle la région de gain excitée est confinée entre deux électrodes refroidies possédant la géométrie d'une feuille mince (voir la figure 2 (a) annexée à la présente demande) Dans une telle configuration, la puissance par unité de longueur est proportionnelle à la dimension latérale de la feuille et n'est pas indépendante de la section transversale de la région de gain (comme dans le cas de régions de gain cylindriques refroidies le long de la phériphérie) ces lasers peuvent par conséquent être agencés de manière à produire des puissances élevées à partir de dispositifs très compacts. Dans le cas de l'utilisation d'un résonateur optique à boîtier en I, comportant un réflecteur de focalisation à réflexion totale et un coupleur de sortie planar, la configuration laser en ligne triplaque produit un faisceau qui prend la forme de la section transversale de la région de gain, c'est-à-dire une bande mince allongée De telles configurations de faisceaux sont indési- rables dans la perspective d'applications, étant donné que le faisceau limité par diffraction dans le plan focal d'un système de focalisation posséderait une forme dissymétrique et que la profondeur focale serait faible Un procédé permettant d'extraire un faisceau étroit à partir de régions de gain à géométrie en forme de barreau consiste à utiliser un résonateur hybride à longueurs d'onde instables, c'est-à-dire que la cavité optique est constituée par un résonateur instable dans la dimension latérale (longitudinale), alors que la configuration en guide d'ondes stable est conservée dans la direction transversale (en travers de l'interstice) Les deux types de branches positive et négative de résonateurs instables (figure 4) ont déjà été décrits (brevet US N 04 719 639 branche positive, et brevet US N 05 048 048 - branche négative). Pour des lasers compacts de faible puissance, le résonateur instable pose deux problèmes Tout d'abord, le faisceau sortant d'un résonateur de ce type possède un espacement des modes axiaux dans la gamme des fréquences de c/2 L, c étant la vitesse de la lumière et L la longueur du résonateur Pour des lasers très courts, cet espacement devient important et il est souvent difficile d'adapter le maximum d'un mode axial au maximum de la courbe de gain. En outre, en particulier pour des lasers de courte longueur, pour l'obtention d'un gain d'aller-retour supérieur à l'unité, les pertes totales (y compris les pertes de couplage) doivent être maintenues à une valeur minimale Pour réduire les pertes de couplage du résonateur instable, il faut réduire l'ouverture du faisceau sortant. Ceci conduit à une réduction de la qualité du faisceau de sortie sous l'effet de la diffraction. Un autre procédé pour l'extraction de faisceaux focalisés à partir d'un système à configuration en liqne tri- plaque a été développé par la société Synrad Inc, sous la forme de leurs réseaux lasers C 02 Micro-miniatures "Poly- Lase" série 22, modèles D 22-1 et M 22-1 Ces lasers sont réellement compacts, fournissent des puissances relative- ment élevées et sont constitués par une configuration en ligne triplaque, la plaque étant subdivisée dans le sens de la longueur en trois régions, par des entretoises céramiques Le rayonnement sortant se présente sous la forme de trois faisceaux distincts, sans aucune cohérence entre les faisceaux La focalisation d'un tel système est complexe et on ne peut pas obtenir des densités de flux maximum avec une profondeur focale importante. Synrad décrit des applications appropriées pour ce laser, comme étant des applications 'dans lesquelles le facteur ulti- me en MY {qualité du mode ou diamètre du spot) n'est pas requis". Dans des articles précédents (Optics Letters Vol. 14, N 023, ( 1989), pp 1309-1311 et SPIE, Vol 1276, CO 2 Lasers and Applications II ( 1990), pp 98-105), les inventeurs à l'originede ce brevet ont décrit une solution préliminaire au problème de l'extraction d'un faisceau gaussien à partir de la zone de gain large de la configuration en liqne triplaque On a obtenu une trajectoire repliée pour le mode M en plaçant une butée à l'intérieur d'une cavité semi-confocale du résonateur, à proximité du miroir de focalisation, qui réalise une ré- flexion totale, afin de supprimer la formation d'autres modes Il y a trois inconvénients au système à cavité optique dans le mode M: 1 La trajectoire dans ce système comporte seulement quatre segments et par conséquent ne convient pas pour des régions d'excitation ayant une étendue latérale importante étant donné qu'il n'échantillonne pas de façon efficace la région excitée Ceci empêche l'utilisation du mode M pour des puissances très élevées par unité de longueur. 2 Lrinsertion d'une butée entre les électrodes et les miroirs (ce qui accroît la distance entre ces éléments) entraîne une réduction importante de la puissance et du rendement, en raison des pertes importantes par diffraction au niveau du bord des électrodes Cet effet est même plus accusé lorsque l'écartement entre les électrodes est faible (comme cela est nécessaire pour des puissances élevées). 3 La région de butée est située au niveau du miroir sphérique à réflexion totale, ce qui impose que le miroir plan et le miroir sphérique soient des composés optiques faits sur mesure Ceci accroît le coût des éléments de la cavité. La présente invention concerne un dispositif laser à gaz compact et robuste, dans lequel la région de gain excitée est confinée entre deux électrodes refroidies ayant une géométrie en forme de feuille mince et produisant des puissances élevées à partir d'un dispositif très compact, ledit laser à gaz émettant un faisceau focalisé symétrique de type gaussien, tout en échantillonnant d'une manière efficace la région de gain étendue ayant une configuration d'excitation en ligne triplaque et dans le- quel ledit laser à gaz est caractérisé en ce qu'il comporte un résonateur constitué par un miroir de focalisation et un second plan réflecteur comprenant différentes zones ayant des réflectivités différentes de sorte qu'une trajectoire repliée comportant six ou un plus grand nombre de "segments" est la seule distribution interne de rayonnement maintenue à l'intérieur de la cavité du laser. Ledit dispositif peut être utilisé comme unité à 1 î broche ou outil d'usinage/de coupe/de perçage dans un dispositif de positionnement commandé par ordinateur. L'invention concerne également un résonateur du dispositif laser à gaz Ledit résonateur est constitué par un miroir de focalisation et un second plan réflecteur comprenant différentes zones ayant des réflectivités différentes de sorte qu'une trajectoire repliée comportant six ou un plus grand nombre de segments est la seule distribution de rayonnement interne maintenue à l'intérieur de la cavité laser. En outre, la présente invention concerne également un faisceau sortant d'un tel résonateur parallèle à l'axe optique, avec un espacement des modes axiaux six fois supérieur ou plus à celui d'un faisceau délivré par un résonateur usuel. Le but de la présente invention est de fournir un laser à gaz robuste apte à résister aux forces d'accéléra- tion intervenant lors d'un déplacement, tout en conservant sa performance (c'est-à-dire la puissance de sortie, la qualité du mode, le rendement). En outre, le laser décrit est compact et léger, ce qui facilite son déplacement par un dispositif de positionnement de faibles dimensions, commandé par ordinateur (c'est-à-dire le bras d'un robot, un pantogra- phe, etc). En outre, le laser est compatible à la fois du point de vue de la forme et des dimensions avec des machines existantes de coupe, de perçage ou de gravure commandées par ordinateur, et est à même de remplacer physiquement l'outil d'usinage existant ou l'ensemble à broche existant, ce qui associe les capacités mécaniques actuelles à celles d'un laser et permet une commande dynamique de la zone de la dimension uu point d'impact du zaisceau sur la pièce à usiner, au moyen de l'axe z du dispositif de positionnement. Un autre but de la présente invention est de fournir un laser possédant un faisceau d'excellente qualité (c'est-à-dire un faisceau symétrique, gaussien, de faible largeur centrale), que l'on peut focaliser pour obtenir des densités de flux maximales et un facteur M 2 maximum, tout en échantillonnant encore de façon efficace la région de gain large du milieu excité. En outre, les pertes de couplage du résonateur optique conforme à la présente invention peuvent être réduites de plus en plus, sans que ceci n'affecte de façon nuisible la qualité du faisceau sortant. En outre, la configuration du réseau optique du laser est particulièrement appropriée pour sa courte longueur, avec un espacement des modes axiaux correspondant à une cavité de laser six fois ou plus supérieure à la lon- gueur actuelle de la cavité laser Ceci permet une plus grande densité des modes axiaux dans une gamme donnée de fréquences et facilite la mise en correspondance des maxima des modes axiauxavec le maximum de la courbe de gain du mi- lieu excité. En outre le caractère compact et solide de la présente invention ainsi que sa puissance relativement élevée (par unité de longueur) et son faisceau focalisé symétrique permettent d'insérer le système selon l'invention dans des dispositifs de positionnement existants, à la place de l'outil d'usinage, de perçage, de gravure ou de coupe ou de l'ensemble de broches. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 (a) représente le schéma de la coupe transversale de la tête du laser, qui constitue la première forme de réalisation de la présente invention; la figure 1 (b) représente la configuration interne des électrodes et des entretoises; la figure 2 (b), dont il a déjà été fait mention, représente une vue en élévation latérale schématique du résonateur optique de la présente invention ainsi qu'une représentation de la distribution interne du rayonnement et du faisceau sortant; la figure 3 représente la forme de réalisation du résonateur optique selon la présente invention; la figure 4 (a) représente un résonateur instable à branche positive; et la figure 4 (b) représente un résonateur instable à branche négative. La figure l(a) représente un schéma de la coupe transversale de la tête du laser Deux électrodes parallèles ( 6, 7) sont maintenues en position par des entretoises céramiques ( 2, 3, 4) et une vis de serrage ( 5). Une électrode ( 6) est isolée électriquement par rapport à l'autre électrode ( 7) et par rapport à la feuille métallique enveloppante ( 1) Une tension HF est appliquée entre les deux électrodes et une décharge est formée dans le gaz, dans la région ( 9) présente entre ces électrodes Les électrodes sont refroidies au moyen d'une circulation d'eau dans des canaux ( 8) s'étendant à l'intérieur des électrodes La feuille métallique 1 forme une paroi servant à renfermer de façon étanche le gaz dans le laser et agit également en tant que cage de Faraday pour réaliser une protection vis-à-vis du rayonnement HF et réduire la fuite du bruit HF La figure 1 (b) représente les électrodes et les entretoises sans le boîtier métallique enveloppant. La région de gain dans ce laser est une feuille mince confinée entre les deux électrodes (figure 2 (a)). Étant donné que la configuration de la cavité en iqne tri plaque est longue et mince et que l'on peut supposer que les équations de Maxwell pour la distribution du rayonnement dans la cavité du laser peuvent être séparées pour la direction (y) parallèle aux électrodes et la direction (x) perpendiculaire aux électrodes, on peut considérer la cavité essentiellement selon un système bidimensionnel en tenant compte de la distribution du rayonnement dans la direction y La distribution bidimensionnelle actuelle est un hybride du mode de guide d'ondes dans la direction x, et du mode spatial libre, dont on va maintenant discuter, dans la direction y Étant donné que le nombre de Fresnel (n = a 2/ÀL) est élevé, un résonateur optique à boîtier en I (miroirs possédant une r Ufléctivit C uniforme sur la hauteur a de la région de gain), le diagramme de rayonnement optique est une superposition d'un grand nombre de modes hermitiques-gaussiens incluant des modes H-G d'ordre supérieur, qui prennent essentiellement la forme de la section de la coupe transversale de la région de gain (un rectangle de hauteur a et de largeur b). La longueur de la cavité, le rayon de courbure des miroirs et la distribution de pertes à l'intérieur de la cavité peuvent être choisis de telle sorte que certains modes H-G sont favorisés On peut se rendre compte également de cela de façon intuitive dans le cas d'un traitement conforme à l'optique de rayonnement (géométrique) La figure 2 (b) représente un résonateur comportant un miroir plan ( 1) et un miroir de focalisation ( 2) possédant une Longueur focale égale au double de la distance L entre les miroirs Un faisceau, qui part d'un point Pl situé sur le miroir plan ( 1) et se déplace parallèlement à l'axe optique, est réfléchi par le miroir de focalisation ( 2), rencontre le miroir plan au point P 2, puis atteint le centre du miroir sphérique Son trajet se poursuit symétriquement par rapport à l'axe et passe par le point P 3 et le point P 4, au niveau duquel il retourne en suivant le même trajet Cette trajectoire est fermée, c'est-à-dire que le faisceau revient dans la même position et dans la même direction au bout d'un nombre fini de passages à l'intérieur de la cavité ( 12 dans ce cas). Cette discussion est compatible avec l'analyse de la matrice de rayonnement ABCD d'une cavité optique (qui est valable pour des faisceaux gaussiens ainsi que pour des rayons géométriques), dans laquelle un miroir est sphérique et l'autre plan La matrice pour une cellule unité partant au niveau du miroir plan (Laser Electronics, J T. Verdeyen, Prentice-Hall, 1981, pp 35-41) est fournie par 1 2 Ll 1 O È 1-2 L/f 2 L T= ( 1) l O11 -1/f 1 -1/f 1 _ Dans la configuration décrite ici avec f = 2 L, on a -OZ 2 T = l ( 2) La position du rayon après S traversées de la cellule unité est fournie par la relation rs = rmaxsin(s O + a) ( 3) Dans le plan S = 0, un faisceau se déplaçant parallèlement à l'axe et à une distance rmax de cet axe est déclenché Dans ce cas, on obtient a immédiatement comme égal à n/2 O est fourni par la relation A + D cos O = = 1/2 ( 4) O = ( 5) Ainsi, la position après un aller retour est fournie par rs = rmax Sin(sn/3 + n/2) ( 6) A l'évidence, cette fonction se répète après six allers retours ou douze réflexions, comme cela a été indiqué précédemment. On insère une butée ( 3) dans la cavité pour supprimer toutes les autres distributions de rayonnement ou trajectoires fermées qui, sinon, pourraient être maintenues dans la cavité. Étant donné que le rayonnement recoupe le miroir plan en des points distincts Pl P 4, le miroir plan peut être conçu de manière à réfléchir complètement le faisceau en trois points P 2 P 4, tout en transmettant partiellement le faisceau au niveau du quatrième point P 1. La figure 3 représente la vue en élévation latérale de la configuration du résonateur optique de la présente invention, conformément à la discussion précédente Le réflecteur sphérique à réflexion totale 1 possède une distance focale égale à 2 L, L étant la distance entre les miroirs Le miroir plan est aligné dans un seul plan grâce à l'utilisation d'un seul substrat ayant différents revêtements au niveau de sa face tournée vers l'intérieur de la cavité Les zones ( 3)et ( 5) sont recouvertes de manière à présenter une réfléctivité- maximum, et la région ( 2) est partiellement transmissive. La région ( 4) du miroir plan est non réfléchissante et correspond à la butée sur les figures 2 (b) ( 3). Le rayonnement sortant ( 6) possède la il caractéristique d'un faisceau gaussien se déplaçant parallèlement à l'axe optique En outre, le rayonnement est identique à celui d'un laser classique dont la longueur de la cavité est égale à six fois celle de la présente configuration ( 6 L), (c'est-à-dire la divergence du faisceau, l'espacement des modes axiaux, etc) Une seule lentille ( 7) montée directement sur le boîtier du laser focalise le faisceau sur un point défini ( 8). Dans le cas du résonateur optique décrit dans un article antérieur (figure 4) le résonateur instable, à la fois la branche positive et la branche négative pour réduire les pertes globales de couplage, il faut réduire le rapport de l'ouverture à la surface réfléchissante (a 1/a 2)> Pour une dimension latérale donnée de la zone de décharge (a), lorsqu'on diminue l'ouverture (a 1), la qualité du faisceau sortant est altérée plus fortement par la diffraction. Cependant, conformément à la présente invention, on peut réduire les pertes de couplage en les amenant à une valeur faible désirée en augmentant la réfléc- tivite Ceu du revêtement dans la zone de couplage de sortie (figure 3 ( 2)) Ainsi, pour des cavités de courte longueur, dans lesquelles le gain global est faible et les pertes de couplage doivent par conséquent posséder une faible voleur pour l'obtention d'un gain d'aller retour supérieur à l'unité, l'actuelle forme de réalisation du résonateur optique est plus souhaitable que celle du résonateur instable. Ces deux avantages (la correspondance aux caractéristiques d'un laser plus long, et la possibilité de réduire les pertes de couplage) rendent la présente invention particulièrement appropriée pour de très courtes cavités. Le laser ici décrit présente la combinaison d'un dispositif robuste très compact, avec des puissances élevées de sortie par unité de longueur et un faisceau d'excellente qualité Ceci permet d'insérer le laser dans un dispositif de positionnement commandé par ordinateur, comme par exemple un pantographe, une unité de fraisage, perçage ou découpage de commande numérique ou le bras d'un robot Le laser étant agencé de manière à s'adapter aux dimensions précises de l'outil d'usinage ou de la broche d'usinage actuellement montée sur le dispositif de positionnement, on peut remplacer physiquement cet outil par la présente invention Le fabricant peut de cette manière disposer des capacités d'un laser, sans avoir la nécessité d'acquérir des dispositifs de positionnement laser affectés Ceci permet des économies substantielles du point de vue coût et espace et réduit la durée et l'expé- rience nécessaires pour former à nouveau l'opérateur pour qu'il soit compétent sur deux systèmes séparés. Un autre avantage de la présente invention est sa capacité à modifier la taille du spot au moyen d'une modification de la distance entre le laser et la pièce à usiner La largeur d'un canal de gravure par exemple peut être commandée de façon dynamique à partir d'une valeur minimale de 0,1 mm jusqu'à 1 mm ou plus par modification de la position de l'axe z du laser Le déplacement de l'axe z est une possibilité dont on dispose actuellement dans les systèmes à commande numérique et dans les systèmes à pantographe utilisés pour maintenir de façon effective l'interaction entre l'outil d'emboutissage au tour et le matériau de la pièce à usiner Dans des systèmes laser, cette capacité est fournie par le système électronique du circuit d'excitation (source d'énergie) et l'axe z est par conséquent libre de commander la taille de la région focalisée. Un exemple d'une forme de réalisation particulière de la présente invention s'applique à la gravure dans une matière plastique La gravure par laser fournit une amélioration par rapport à des systèmes mécaniques, et ce pour un certain nombre de points: Aucun déchet en f orme de copeau ou de découpure ne reste sur la pièce à usiner. Aucune résistance (pour des pièces fragiles ou difficiles à maintenir). Fine résolution de traits (jusqu'à 0,1 mm). Commande dynamique de la largeur de trait (par modification de la distance par rapport à la pièce à usiner). Un système de gravure mécanique commandé par ordinateur, dont on dispose habituellement, est le système dit Gravograph VX 2 Les éléments de coupe sont maintenus par une broche de support des éléments de coupe (N O de pièce 63435-000) ayant pour dimensions 18 cm x P 3,5 cm et d'un poids de 2 kg Les dimensions de la tête du laser conforme à la présente invention peuvent être adaptées de façon précise à celle de la broche L'unité de broche peut être remplacée par la tête du laser, ce qui fournit les possibilités de la gravure par laser avec l'utilisation du système de gravure mécanique existant, et ce pour une fraction du coût d'un système de gravure laser spécialisé. REVENDICATIONS 1 Dispositif laser à gaz compact et robuste, dans lequel la région de gain excitée est confinée entre deux électrodes refroidies ( 6, 7) ayant une géométrie en forme de feuille mince et produisant des puissances élevées à partir d'un dispositif très compact, ledit laser à gaz émettant un faisceau focalisé symétrique de type gaussien, tout en échantillonnant d'une manière efficace la région de gain étendue ( 9) ayant une configuration d'excitation en ligne triplaque et dans lequel ledit dispositif laser à gaz est caractérisé en ce qu'il comporte un résonateur consistant en un miroir de focalisation ( 2) et en un second plan réflecteur comprenant différentes zones ayant des réflectivités différentes de sorte qu'une trajectoire repliée comportant six ou un plus grand nombre de "segments" est la seule distribution interne de rayonnement maintenue à l'intérieur de la cavité du laser. 2 Dispositif laser à gaz compact selon la revendication 1, destiné à être utilisé en tant qu'unité à broche ou outil d'usinage/de découpage/de perçage dans un dispositif de positionnement commandé par ordinateur. 3 Dispositif laser à gaz compact selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il ne requiert aucun autre système optique de manipulation du faisceau pour effectuer la gravure, le découpage, le perçage ou un autre travail dans le matériau cible, et qu'il est prévu une commande dynamique du diamètre du point d'impact sur la pièce à usiner au moyen de l'axe z du dispositif de positionnement. 4 Résonateur utilisable dans le dispositif laser à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est constitué par un miroir de focalisation ( 2) et un second plan réflecteur ( 1) comprenant différentes zones ( 2 ', 3, 5) ayant des réflectivités différentes de sorte qu'une trajectoire repliée avec six ou un plus grand nombre de segments est la seule distribution de rayonnement interne maintenue à l'intérieur de la cavité du laser. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le faisceau ( 6) sortant d'un tel résonateur est parallèle à l'axe optique, avec un espacement des modes axiaux six fois supérieur ou plus à celui d'un faisceau délivré par un résonateur usuel.