Brevet FR2735573A1 — publié le 19961220

RADIOMèTRE HYBRIDE La présente invention concerne les instruments de mesure utilisés pour mesurer les caractéristiques du flux énergétique émis par un laser impulsionnel, notamment un laser YAG. Les lasers impulsionnels sont utilisés dans le cadre d'applications industrielles telles que le traitement des matériaux (micro usinage, soudure...) et la micro électronique. La forte concentration d'énergie lumineuse obtenue après focalisation permet la fusion locale des matériaux. Ces lasers qui fonctionnent sous forme impulsionnelle délivrent une puissance moyenne P(W) de quelques watts à quelques centaines de watts (1000 watts) Les impulsions produites ont une largeur l(ms) d'une centaine de microsecondes à quelques centaines de millisecondes, avec une énergie moyenne E(J) d'une centaine de millijoules à quelques dizaines de joules, se répétant à une fréquence F(Hz) de quelques hertz à quelques kilohertz environ. La puissance crête P, (kw) , disponible dans ces impulsions, peut atteindre quelques dizaines de kilowatts. Pour mesurer l'ensemble de ces paramètres, à savoir la puissance moyenne, l'énergie moyenne par impulsion, la puissance crête, la largeur d'impulsion et la fréquence de fonctionnement, il est nécessaire d'utiliser à ce jour plusieurs détecteurs ou instruments. Ainsi, pour mesurer la puissance moyenne du faisceau, on pourra utiliser un absorbeur laser associé à une thermopile. L'absorbeur laser est constitué d'une cible transformant entièrement l'énergie lumineuse du faisceau laser en énergie calorifique qui se propage dans une zone de conduction vers un dispositif d'évacuation. Une thermopile placée dans la zone de conduction de chaleur produit un signal image de la puissance moyenne du faisceau laser. La thermopile est un élément à réponse lente, dont le temps de réaction est de l'ordre de la seconde.De ce fait, il n'est pas possible, avec ce capteur, de mesurer les autres paramètres (fréquence et largeur d'impulsion) permettant de caractériser le flux énergétique du laser. I1 faudrait alors utiliser d'autres capteurs, ce qui complique considérablement les conditions de mesure, la durée de la mesure, et le coût de l'opération. Le problème proposé par la présente invention est de concevoir un radiomètre hybride permettant de déterminer les cinq paramètres énergétiques et temporels caractérisant le flux énergétique impulsionnel d'un laser industriel. Ainsi, selon l'invention, il doit être possible d'effectuer une mesure simultanée unique, avec un seul appareil. De préférence, l'appareil doit être d'encombrement réduit, facilitant son utilisation sur un poste de travail, et il doit présenter des conditions de sécurité satisfaisantes, évitant par exemple les réflexions du faisceau laser pouvant atteindre l'utilisateur de l'appareil. De préférence, on cherche également à diminuer la constante de temps de réaction de l'appareil, pour accélérer la mesure. Ces fonctions doivent être assurées quelle que soit l'énergie véhiculée par le faisceau laser, de sorte que l'appareil selon l'invention doit supporter les puissances importantes des lasers impulsionnels utilisés dans l'industrie. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, l'invention prévoit un détecteur des paramètres énergétiques et temporels d'un faisceau laser produit par un laser impulsionnel, comprenant - un absorbeur laser avec une cible adaptée pour recevoir le faisceau laser incident et pour transformer entièrement l'énergie lumineuse du faisceau laser en énergie calorifique se propageant à partir de la cible par une zone de conduction de chaleur vers un dispositif d'évacuation, - une thermopile adaptée dans la zone de conduction de chaleur pour produire un signal image de la puissance moyenne du faisceau laser, - un trou traversant de petit diamètre ménagé dans la partie cible de l'absorbeur pour laisser passer à l'arrière de la cible une faible fraction du faisceau laser incident, - un détecteur rapide sensible au faisceau laser, placé à l'arrière de la cible et recevant ladite faible fraction du faisceau laser incident traversant le trou de la cible, - le détecteur rapide sensible au faisceau laser étant adapté pour produire un signal proportionnel à la distribution de puissance du faisceau laser en fonction du temps. Dans la description et les revendications annexées, l'expression "détecteur rapide" désigne tout type de détecteur sensible au faisceau laser et dont le temps de réponse est plus court que la largeur des impulsions lumineuses du faisceau laser à mesurer. Le détecteur rapide peut ainsi générer un signal reproduisant assez fidèlement la distribution temporelle du flux impulsionnel du faisceau laser. A titre d'exemple, les photodiodes ou les photoconducteurs sont appropriés pour les lasers visibles, les lasers YAG dopés et les lasers à verre dopé. Les détecteurs pyroélectriques sont appropriés pour ces mêmes lasers et les lasers dans l'infrarouge plus lointain tels que les lasers CO et les lasers CO2. De préférence, la cible est un disque métallique disposé transversalement face au faisceau laser incident et raccordé par sa face postérieure à la première extrémité d'un cylindre coaxial de propagation d'énergie calorifique dont l'autre extrémité est raccordée à un diffuseur de chaleur, la thermopile étant adaptée à la périphérie du cylindre coaxial de propagation d'énergie calorifique. On réalise ainsi un capteur à faible constante de temps. La constante de temps peut être encore diminuée en prévoyant un disque formant la cible avec un rayon inférieur au double de la longueur du cylindre coaxial de propagation d'énergie calorifique. Selon un mode de réalisation avantageux, permettant d'automatiser les calculs, le dispositif selon l'invention comprend un circuit de traitement comprenant - une carte à microcontrôleur, - une mémoire associée à la carte à microcontrôleur, - un circuit de traitement du signal de thermopile, connecté aux bornes de sortie de la thermopile et adapté pour amplifier et filtrer la tension continue délivrée par la thermopile, - un circuit de traitement du signal de détecteur rapide, connecté aux bornes de sortie du détecteur rapide et adapté pour amplifier et écrêter le signal temporel délivré par le détecteur rapide, - un programme enregistré dans la mémoire, et adapté pour commander la carte à microcontrôleur pour e mesurer et mémoriser la valeur du signal délivré sur une première entrée par le circuit de traitement du signal de thermopile, donnant la valeur de la puissance moyenne P(W) du faisceau laser incident, mesurer et mémoriser la valeur de la largeur d'impulsion T(ms) du signal temporel reçu sur une seconde entrée et produit par le circuit de traitement du signal de détecteur rapide, mesurer et mémoriser la valeur de la fréquence F(Hz) des impulsions du signal temporel reçu sur la seconde entrée et mis en forme par le circuit de traitement du signal de détecteur rapide, calculer l'énergie moyenne par impulsion E(J) par la formule E(J) = P(W) / F(Hz), et mémoriser la valeur obtenue, e calculer la puissance crête Pc(kw) dans l'impulsion par la formule Pc(kw) = E(J) / t(ms), et mémoriser la valeur obtenue, e afficher sur un afficheur les valeurs mesurées et calculées des cinq paramètres représentatifs P(W), T(ms), F(Hz), E(J) et Pc(kw) du faisceau laser incident. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue de côté en coupe longitudinale d'un détecteur selon un mode de réalisation de la présente invention - la figure 2 est une vue de face du détecteur de la figure 1 - la figure 3 est une vue schématique illustrant le détecteur associé à un circuit de traitement et de calcul selon l'invention, permettant de déterminer les cinq paramètres caractérisant le faisceau laser impulsionnel selon l'invention. Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 1 et 2, un détecteur 1 selon l'invention est adapté pour recevoir la totalité du faisceau laser 2 qu'il faut caractériser. Le détecteur 1 comprend un corps 3 métallique à ailettes 14 périphériques permettant d'évacuer radialement l'énergie calorifique résultant de la transformation de l'énergie lumineuse du faisceau laser 2 dans le détecteur 1. Le corps 3 comprend un élément antérieur 4 s'adaptant axialement sur un élément postérieur 5. L'élément antérieur 4 comprend un alésage antérieur 6 axial de diamètre suffisant pour permettre le passage de la totalité du faisceau laser 2 incident. L'alésage antérieur 6 se raccorde à un alésage postérieur 7, de préférence de diamètre plus important et coaxial avec l'alésage antérieur 6. L'ensemble des deux alésages antérieur 6 et postérieur 7 forme un trou traversant l'élément antérieur 4. L'élément postérieur 5 comprend un alésage antérieur 8 coaxial, ouvert sur la face antérieure de l'élément postérieur 5, et un alésage postérieur 9 coaxial ouvert vers la face postérieure de l'élément postérieur 5. Les alésages antérieur 8 et postérieur 9 de l'élément postérieur 5 sont séparés par une paroi intermédiaire 10 percée d'un trou coaxial 11. Un absorbeur laser 12 est logé dans l'alésage postérieur 7 de l'élément antérieur 4. Il est porté par un support d'absorbeur 13 logé dans l'alésage antérieur 8 de l'élément postérieur 5. Par assemblage de l'élément antérieur 4 et de l'élément postérieur 5, le support d'absorbeur 13 est plaqué étroitement contre les faces correspondantes de l'élément antérieur 4 et de l'élément postérieur 5. Le support d'absorbeur 13 ainsi que les éléments antérieur 4 et postérieur 5 sont en un métal conducteur de la chaleur, de façon à assurer une bonne transmission de l'énergie calorifique depuis l'absorbeur laser 12 jusqu'aux ailettes 14. L'évacuation d'énergie calorifique peut également être réalisée par une circulation d'eau interne, notamment dans le support d'absorbeur 13. L'absorbeur laser 12 comprend une cible 15 sous forme d'un disque métallique disposé transversalement en regard de l'alésage antérieur 6 et face au faisceau laser 2. La cible 15 comprend, sur sa face antérieure 16 recevant le faisceau laser 2 incident, des sillons 17 concentriques à profil conique revêtus d'un revêtement absorbant dur optiquement, résistant aux éclairements produits par les lasers impulsionnels. La cible 15 en forme de disque est raccordée par sa face postérieure 18 à la première extrémité d'un cylindre coaxial de propagation d'énergie calorifique 19 dont l'autre extrémité est raccordée au support d'absorbeur 13 lui-même raccordé au corps 3, le support d'absorbeur 13 et le corps 3 formant un diffuseur de chaleur. Dans le mode de réalisation avantageux illustré sur les figures, le cylindre coaxial de propagation d'énergie calorifique 19 a un diamètre extérieur qui est inférieur au diamètre du disque formant la cible 15. De cette façon, le cylindre 19 se raccorde en zone intermédiaire de la face postérieure 18 de la cible 15, réduisant ainsi l'encombrement en diamètre de l'ensemble du détecteur. Une thermopile 20 est appliquée contre la périphérie du cylindre coaxial de propagation d'énergie calorifique 19. La thermopile, ainsi adaptée dans la zone de conduction de chaleur constituée par le cylindre coaxial de propagation d'énergie calorifique 19, produit un signal image de la puissance calorifique moyenne se propageant à travers le cylindre coaxial de propagation d'énergie calorifique 19. Ainsi, la thermopile produit un signal image de la puissance moyenne du faisceau laser 2 incident, dont l'énergie lumineuse se transforme entièrement en énergie calorifique sur la cible 15, ladite énergie se propageant à travers le cylindre coaxial de propagation d'énergie calorifique 19, le support d'absorbeur 13, et le corps 3 jusqu'aux ailettes 14. La thermopile 20 peut avantageusement être constituée d'une succession de fils conducteurs soudés les uns à la suite des autres, formant une suite de thermocouples connectés en série. Les conducteurs assurant la connexion électrique de la thermopile 20 traversent un alésage du corps 3 pour sortir par l'alésage postérieur 9. Un trou traversant 21 de petit diamètre est prévu dans la cible 15, de préférence au centre de la cible 15 comme illustré sur les figures 1 et 2. Ce trou 21 de petit diamètre permet de laisser passer une faible fraction du faisceau laser 2 incident vers l'arrière de la cible 15, sans perturber de façon sensible la mesure de puissance moyenne P(w) réalisée par la thermopile 20. Un détecteur rapide tel qu'une photodiode 22 est placé à l'arrière de la cible 15 et reçoit ladite faible fraction de faisceau laser 2 incident traversant le trou 21. La photodiode 22 est portée par le support d'absorbeur 13, et ses connexions électriques sont accessibles dans l'alésage postérieur 9 du corps 3. On a représenté sur la figure 3 le détecteur 1 selon le mode de réalisation des figures 1 et 2, associé à un circuit électronique permettant de traiter les signaux produits par la thermopile 20 et la photodiode 22 pour déterminer les cinq paramètres P(W), F(Hz), t(ms), E(J), et Pc(kw) du faisceau laser incident 2. La figure 3 représente également les formes d'onde des signaux aux points essentiels du circuit. Un circuit électronique 23 de traitement du signal de thermopile est connecté aux bornes de sortie 24 de la thermopile 20 et est adapté pour amplifier et filtrer la tension continue 25 délivrée par la thermopile 20. Le circuit 23 comprend un amplificateur 26, suivi d'un filtre 27, lui-même suivi d'un convertisseur analogique/numérique 28 délivrant un signal numérique à une première entrée 29 d'une carte électronique comportant un microcontrôleur 30 associé à une mémoire 31. Un circuit 32 de traitement du signal de photodiode est connecté aux bornes de sortie 33 de la photodiode 22 et est adapté pour amplifier et écrêter le signal temporel 34 délivré par la photodiode 22. Le circuit 32 comprend un filtre 35 suivi d'un circuit 36 amplifiant et écrêtant le signal pour le mettre au format TTL 0,5 volt. I1 en résulte à la sortie du circuit 36 un signal 37 en créneau, envoyé sur une deuxième entrée 38 de la carte à microcontrôleur 30. Le microcontrôleur 30 est piloté par un programme enregistré dans la mémoire 31, de façon à produire sur la sortie 40 des signaux envoyés à un afficheur 41. Le programme enregistré dans la mémoire 31 est adapté pour commander le microcontrôleur 30 pour - mesurer et mémoriser le signal reçu sur la première entrée 29, donnant la valeur de la puissance moyenne P(W) captée par la thermopile 20 - mesurer et mémoriser la valeur de largeur d'impulsion l(ms) du signal temporel mis en forme et reçu sur la seconde entrée 38, résultant du signal détecté par la photodiode 22 - mesurer et mémoriser la valeur de la fréquence F(Hz) des impulsions du signal temporel reçu sur la seconde entrée 38, issu du signal produit par la photodiode 22 - calculer le paramètre E(J) par la formule E(J) = P(W) / F(Hz) et mémoriser la valeur obtenue - calculer le paramètre Pc(kw) par la formule Pc(kw) = E(J) / T(ms), et mémoriser la valeur obtenue - afficher sur l'afficheur 41 les valeurs mesurées et calculées des cinq paramètres énergétiques et temporels P(W), T(ms), F(Hz), E(J) et Pc(kw) caractérisant le faisceau laser 2 incident. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1 - Détecteur des paramètres énergétiques et temporels d'un faisceau laser (2) produit par un laser impulsionnel, comprenant - un absorbeur laser (12) avec une cible (15) adaptée pour recevoir le faisceau laser (2) incident et pour transformer entièrement l'énergie lumineuse du faisceau laser (2) en énergie calorifique se propageant à partir de la cible (15) par une zone de conduction de chaleur (19) vers un dispositif d'évacuation (3, 13, 14), - une thermopile (20) adaptée dans la zone de conduction de chaleur (19) pour produire un signal (25) image de la puissance moyenne (P(W)) du faisceau laser (2), caractérisé en ce que - un trou traversant (21) de petit diamètre est ménagé dans la partie cible (15) de l'absorbeur (12) pour laisser passer à l'arrière de la cible (15) une faible fraction du faisceau laser (2) incident, - un détecteur rapide (22) sensible au faisceau laser est placé à l'arrière de la cible (15) et reçoit ladite faible fraction du faisceau laser (2) incident traversant le trou (21) de la cible (15), - le détecteur rapide (22) sensible au faisceau laser est adapté pour produire un signal (34) proportionnel à la distribution de puissance du faisceau laser (2) en fonction du temps. 2 - Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur rapide (22) sensible au faisceau laser est une photodiode. 3 - Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur rapide (22) sensible au faisceau laser est un détecteur pyroélectrique. 4 - Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur rapide (22) sensible au faisceau laser est un photoconducteur. 5 - Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la cible (15) est un disque métallique disposé transversalement face au faisceau laser (2) incident et raccordé par sa face postérieure (18) à la première extrémité d'un cylindre coaxial de propagation d'énergie calorifique (19) dont l'autre extrémité est raccordée à un diffuseur de chaleur (13, 3, 14), la thermopile (20) étant adaptée à la périphérie du cylindre coaxial de propagation d'énergie calorifique (19). 6 - Détecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rayon du disque formant la cible (15) est inférieur au double de la longueur du cylindre coaxial de propagation d'énergie calorifique (19). 7 - Détecteur selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la thermopile (20) est constituée d'une succession de fils conducteurs soudés les uns à la suite des autres, formant une suite de thermocouples connectés en série. 8 - Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la cible (15) comprend, sur sa face antérieure (16) recevant le faisceau laser (2) incident, des sillons (17) concentriques à profil conique revêtus d'un revêtement absorbant dur optiquement, résistant aux éclairements produits par les lasers impulsionnels. 9 - Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de traitement comprenant - une carte à microcontrôleur (30), - une mémoire (31) associée à la carte à microcontrôleur (30), - un circuit (23) de traitement du signal de thermopile, connecté aux bornes de sortie (24) de la thermopile (20) et adapté pour amplifier et filtrer la tension continue (25) délivrée par la thermopile (20), - un circuit (32) de traitement du signal de détecteur rapide, connecté aux bornes de sortie (33) du détecteur rapide (22) et adapté pour amplifier et écrêter le signal temporel (34) délivré par le détecteur rapide (22), - un programme enregistré dans la mémoire (31), et adapté pour commander la carte à microcontrôleur (30) pour r mesurer et mémoriser la valeur du signal délivré sur une première entrée (29) par le circuit (23) de traitement du signal de thermopile, donnant la valeur de la puissance moyenne (P(W)) du faisceau laser (2) incident, e mesurer et mémoriser la valeur de la largeur d'impulsion (T(ms)) du signal temporel reçu sur une seconde entrée (38) et produit par le circuit (32) de traitement du signal de détecteur rapide, e mesurer et mémoriser la valeur de la fréquence (F(Hz)) des impulsions du signal temporel reçu sur la seconde entrée (38) et mis en forme par le circuit (32) de traitement du signal de détecteur rapide, calculer l'énergie moyenne par impulsion (E(J)) par la formule E(J) = P(W) / F(Hz) et mémoriser la valeur obtenue, e calculer la puissance crête (Pc(kw)) dans l'impulsion par la formule Pc(kw) = E(J) / T(ms), et mémoriser la valeur obtenue, e afficher sur un afficheur (41) les valeurs mesurées et calculées des cinq paramètres représentatifs (P(W), x(ms), F(Hz), E(J), P(kw)) du faisceau laser (2) incident.