Brevet FR2737311A1 — publié le 19970131

Le dispositif de gestion de faisceau selon l'invention, remédie aux inconvénients de la propagation des champs électro-magnétiques qui modifie la densité surfacique de puissance des ondes des lumières cohérentes. Dans l'approximation des amplitudes lentement variables, et des faisceaux faiblement inclinés sur l'axe Z de propagation, le champ életro-magnétique d'une onde lumineuse s'exprime par: E = (x, y, z) = 'Y (x, y, z). exp - i (ot knz) où x et y sont les coordonnées transverses du faisceau, w et k sont respectivement la pulsation de l'onde et le module du vecteur d'onde, n est l'indice de réfraction du milieu et 'I'(x, y, z) désigne l'amplitude complexe telle que:: 'I'(x, y, z) = 'Il (x, y, z = o) * Gr (x, y, z) qui exprime un produit de convolution sur les coordonnées transverses entre l'amplitude à l'origine z = o et la fonction de Green telle que: ikn Gr (x, y) = - - . exp ikn (z + (x2 + y2)/2z) 2J1z la quantité ss v (x, y, z) 1 2 est interprétée comme la densité surfacique de puissance. Le mathématicien sait par ailleurs que seules les amplitudes gaussiennes des champs électro-magnétiques se propagent sans déformer la densité surfacique de puissance. La déformation, pour des amplitudes quelconques, s'étudie par les transformations de Fourier.Dans de nombreuses applications, notamment dans le nettoyage industriel par photoablation laser, le procédé d'interaction entre le champ électro-magnétique et la matière nécessite une densité surfacique de puissance homogène et constante sur toute la section du faisceau. La physique précédemment décrite montre que cette situation réalisée à l'abscisse z=o ne peut pas être conservée pour une autre abscisse dans une simple propagation libre du faisceau. Le dispositif de gestion de faisceau selon l'invention permet par transport d'image de conserver une densité surfacique de puissance homogène et constante sur la cible dès lors où cette densité présente une telle qualité en sortie d'émetteur-laser. Par ailleurs et subséquemment le dispositif assure à la gestion de faisceau, une meilleure stabilité spatiale. Le dispositif est composé d'une part, d'un bras articulé à miroirs totalement réfléchissant à la longueur d'onde du laser et d'autre part, d'un équipage optique placé à l'intérieur du bras qui image optiquement le plan du miroir de sortie de l'émetteur-laser et le plan de l'échantillon. Selon la figure n" 1, le bras articulé est constitué par exemple, autour de six degrés de liberté. Deux tiges cylindriques creuses (1 & 2) sont associées par une jonction rotative (3) à deux miroirs sous 450 d'incidence. Le fût du bras (4) est fixé sur l'embrase (5) qui figure le plan de sortie de l'émetteur-laser et est relié à la tige (2) par la jonction rotative (6) à deux miroirs sous 45" d'incidence. Le poignet du bras (7) est constitué par une jonction double à trois miroirs sous 450 d'incidence et d'un embout (8) qui peut recevoir une poignée pour le maintien.La cible (9) sur laquelle se fait l'interaction, est située à une distance de la sortie de l'embout dont les valeurs minimum et maximum sont indiquées à l'utilisateur par un senseur inclus dans l'embout. L'utilisation d'un bras articulé dont le nombre de degrés de liberté serait différent de six ne sortirait pas de l'invention. L'équipage optique placé à l'intérieur du bras image le plan de l'embase (5) avec le plan moyen de la cible (9). Cet équipage est constitué par exemple, et selon la figure n" 2, par une lentille convergente (10) dont la longueur de la focale f est choisie de façon à ce que l'image du plan de l'embase (5) soit située à l'entrée du poignet (7) avec un grandissement g. Si L est la distance comprise entre le plan objet et le plan image, la relation entre f, L et g est la suivante g).L/(1-g)2 (avec g Si Z est la distance comprise entre le plan objet et le plan dans lequel se trouve la lentille, la relation entre Z, L et g est la suivante Z=L/(1 -g) En application, pour un grandissement de - 0,5, la lentille convergente a une focale f = L/4,5 et Z est égale à L/1,5. Le passage au foyer se fait à une distance de L/1,125 à partir du plan de l'embase. Le foyer, où le faisceau est concentré, se situe dans la tige cylindrique (1) qui constitue le bras. Pour des faisceaux lasers impulsionnels de forte puissance la tige cylindrique qui reçoit le foyer est étanche et est placé sous vide primaire. Un gaz propre de type azote, argon ou air dépoussiéré peut être placé dans la tige étanche. Le poignet reçoit un zoom (11) qui image l'image plan de l'embase (5) sur le plan moyen de la cible (9).Le grandissement du zoom est ajustable à partir du poignet. Une variante à l'équipage optique consisterait à utiliser toute combinaison optique qui image le plan de l'embase et le plan moyen de la cible avec un grandissement fixe ou ajustable. Il est courant de constater dans les bras articulés que les défauts de mécanique induisent une instabilité spatiale du faisceau en sortie de l'embout du poignet quand le bras décrit l'espace. Cette instabilité est minimisée par la présence de l'équipage optique. L'utilisation du dispositif selon l'invention avec des émetteurs-laser à cavité à transformation de Fourier ou à cavité multi-mode pour lesquelles la densité surfacique de puissance en sortie est constante et homogène, permet de disposer sur le plan de la cible d'une densité surfacique de puissance constante et homogène. Le dispositif de gestion de faisceau, selon l'invention, est utilisé pour toutes les applications industrielles du laser et notamment le nettoyage par laser par photoablation. Revendications 1/ Dispositif de gestion de faisceau caractérisé en ce qu'il est composé d'un bras articulé qui inclut un équipage optique pour imager le plan de sortie de l'émetteur-laser et le plan de la cible sur laquelle l'interaction du champ électromagnétique lumineux du laser et la matière de la cible s'effectue. 2/ Dispositif de gestion de faisceau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bras articulé est constitué de deux tiges cylindriques, d'un fût, de jonctions à miroirs à 45" d'incidence et d'un poignet pour assurer six degrés de liberté et qui reçoit un équipage optique composé d'une lentille convergente et d'un zoom placé dans le poignet. 3/ Dispositif de gestion de faisceau selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'une des tiges cylindriques du bras dans laquelle le faisceau laser est focalisé, est étanche et est mise sous vide primaire. 4/ Dispositif de gestion de faisceau selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'une des tiges cylindriques du bras dans laquelle le faisceau laser est focalisé, contient un gaz propre de type azote, argon ou air dépoussiéré. 5/ Dispositif de gestion de faisceau selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'équipage optique est composé de toute combinaison optique qui assure l'imagerie du plan de sortie de l'émetteur-laser sur le plan de la cible. 6/ Dispositif de gestion de faisceau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bras articulé puisse avoir un nombre quelconque de degrés de liberté. 7/ Dispositif de gestion de faisceau selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que l'équipage optique minimise l'instabilité spatiale du faisceau en sortie de poignet. 8/ Dispositif de gestion de faisceau selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que le grandissement de l'équipage optique est fixe ou ajustable. 9/ Dispositif de gestion de faisceau selon les revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est associé à des émetteurs-lasers dont les cavités à transformation de Fourier ou multi-mode fournissent des densités surfaciques de surface constantes et homogènes qui se sont imagées sur le plan de la cible selon le grandissement de l'équipage optique. 10/ Dispositif de gestion de faisceau selon les revendications, caractérisé en ce qu'il existe un senseur inclus dans l'embout du poignet qui indique à l'utilisateur la distance maximum et minimum entre la cible et la sortie du poignet. 11/ Dispositif de gestion de faisceau selon les revendications, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour les applications industrielles du laser et notamment pour le nettoyage par laser par photoablation.