Brevet FR2745214A1 — publié le 19970829

SYSTEME OPTIQUE POUR LE TRAITEMENT DES MATERIAUX L'invention concerne un système optique pour le traitement des matériaux et notamment un système pour l'altération (fusion) localisée d'un matériau. Le laser est mis en oeuvre dans de nombreux procédés de traitement industriel des matériaux. Les propriétés caractéristiques des lasers sont : leur faible étendue géométrique (proche de k2, X étant la longueur d'onde) qui autorise une très bonne concentration spatiale d'énergie, et la possibilité de concentrer l'énergie en de très courtes impulsions temporelles (quelques ns). Le faisceaux lumineux est en général conduit et focalisé par des moyens optiques jusqu'au matériau à traiter. Le traitement fait appel, par exemple, à l'ablation de matière, ou à une réaction photochimique. Comme exemple de traitement, citons : la découpe, la soudure, la photoréduction, la photopolymérisation, etc... Parfois, ces traitements doivent être effectués suivant un motif. Par exemple si l'on souhaite graver un motif sur une surface telle que le verre, ou faire apparaître des motifs en révélant des colorations, ou faire un ensemble de soudures en différents points. Afin de dessiner le motif, il est nécessaire de contrôler précisément les zones où le traitement doit avoir lieu. Les solutions existantes sont, par exemple: - déplacer la pièce à traiter par des translations mécaniques, - déplacer le point d'impact du faisceau laser par l'utilisation de miroirs oscillants, - faire passer le faisceau laser à travers un masque avant de le concentrer sur la pièce à traiter. II peut arriver que la pièce à traiter soit en mouvement, par exemple au cours de sa fabrication. II est donc nécessaire d'inscrire le motif "au vol". Les déplacements de la pièce ou du faisceau laser peuvent ne pas être assez rapides. La méthode du masque illuminé par un laser impulsionnel est alors la plus pertinente. Comme exemple de masque, citons le masque opaque : le motif est découpé dans une plaque de matière opaque (métallique par exemple). Le faisceau laser traverse les ouvertures et est obturé par le matériau opaque restant. Un masque opaque particulier doit être réalisé pour chaque motif de traitement. II y aurait donc un intérêt certain à disposer d'un masque reconfigurable. Un afficheur à cristal liquide est couramment utilisé pour visualiser des motifs bidimensionnels : lettres, chiffres, images. II est aussi utilisé comme masque optique, en particulier en projection d'image vidéo, il est alors équivalent à une diapositive animée, la source lumineuse est en général de nature incohérente. II est aussi couramment utilisé avec des faisceaux laser de faible puissance, surtout dans le domaine du traitement du signal optique. On parle alors de modulation spatial de lumière. On peut adapter le modulateur pour modifier l'intensité d'un rayonnement ou bien l'amplitude complexe, ou bien seulement la phase d'une onde. Une propriété de ces afficheurs est la possibilité de modifier le motif affiché très rapidement par une commande électronique. Ces afficheurs conviennent donc au traitement de matériau "au vol". Cependant le traitement de matériaux, tel que la gravure d'inscription à la surface d'un matériau, nécessite souvent une énergie élevée. Dans ce cas, cette énergie, apportée par le faisceau lumineux modulé par un modulateur spatial de lumière, risque de détériorer le modulateur. L'invention apporte une solution à ce problème. L'invention concerne donc un système optique pour le traitement de matériaux comprenant une source lumineuse éclairant une surface d'entrée d'un modulateur spatial de lumière lequel est destiné à transmettre un faisceau de lumière modulée à un matériau à traiter, caractérisé en ce qu'il comporte: - une optique d'expansion spatiale du faisceau de façon à étendre l'énergie du faisceau selon la surface d'entrée du modulateur spatial de lumière; - une optique de concentration spatiale du faisceau modulé par le modulateur spatial de lumière de façon à focaliser le faisceau. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un exemple général de réalisation du système de l'invention; - la figure 2, un exemple de réalisation du modulateur spatial de lumière; - la figure 3, un système selon l'invention incorporant un amplificateur optique par mélange deux ondes - les figures 4a et 4b, un système selon l'invention incorporant un amplificateur laser; - la figure 5, un système selon l'invention incorporant un amplificateur optique par mélange quatre ondes; - la figure 6, un système selon l'invention comprenant un système optique de Fourier pour l'illumination du modulation spatial de lumière. En se reportant à la figure 1, on va tout d'abord décrire un exemple général de réalisation du système selon l'invention. L'invention consiste en un système de traitement de matériaux associant un laser, un masque reconfigurable ainsi que des composants optiques nécessaires à la transmission et à la modification du faisceau laser. Ce système comporte: - une source lumineuse 1 telle qu'une source laser de puissance - un modulateur spatial de lumière 3 tel qu'un écran à cristal liquide; - une optique d'expansion de faisceau 2 recevant le faisceau optique reçu de la source lumineuse et fournissant un faisceau étendu de façon à répartir l'énergie lumineuse sur la surface d'entrée du modulateur spatial de lumière 3; - une optique de focalisation 4 recevant le faisceau modulé par le modulateur spatial et le focalisant sur une pièce à traiter 5; - une commande 15, telle qu'une commande électronique, permettant de commander le modulateur spatial de lumière.La modulation induite par le modulateur peut être ainsi reconfigurée par cette commande. II est à noter que la commande 15 peut être synchronisée avec la commande d'émission de la source lumineuse de telle façon qu'à chaque commande d'émission lumineuse il est possible de modifier l'affichage du modulateur spatial 3. La puissance du laser peut atteindre voire dépasser 1 Joule. L'énergie du faisceau fourni serait donc susceptible de détériorer le modulateur spatial de lumière. De plus, s'agissant d'un faisceau laser, le diamètre de ce faisceau n'est pas adapté aux dimensions de l'afficheur et celuici est difficile à moduler spatialement. L'optique d'expansion de faisceau permet de répartir l'énergie du faisceau laser sur la surface d'entrée du modulateur spatial de lumière. Selon une variante de réalisation de l'invention, la commande 15 est reliée à la commande de la source 1 (voir figure 1). II est ainsi possible de synchroniser les émissions lumineuses de la source avec l'affichage du modulateur spatial 3. Notamment, il est possible de changer l'affichage à chaque émission lumineuse. Dans le cas d'utilisation du système de l'invention pour la gravure de la surface d'un objet, on utilise de préférence un laser émettant dans l'UV, tel qu'un laser du type excimer. D'autres longueurs d'ondes telles que l'infrarouge sont également utilisables. On trouvera une application intéressante de l'invention dans le marquage des câbles électriques. Par exemple, on souhaite inscrire une référence alphanumérique sur la gaine d'un câble électrique tandis que celui-ci défile linéairement, par exemple au cours de sa fabrication. Le câble est entouré d'une gaine, laquelle est recouverte d'une couche de vernis. L'épaisseur de cette couche est de l'ordre de quelques dizaines de pm. De par sa composition chimique, le vernis noircit sous l'effet d'une illumination par un rayonnement ultraviolet (UV). Les lasers UV produisent un faisceau de rayonnement très fin et très énergétique qui permet "d'imprimer" des traits fins sur le vernis. L'énergie laser peut être ajustée pour provoquer la photoréduction et éviter l'ablation de matière, ce qui serait dommageable pour la gaine. Les deux catégories de laser qui conviennent sont : le laser à excimer et le laser à milieu solide (Nd : YAG triplé en fréquence). En se reportant à la figure 2, on va maintenant décrire un mode de réalisation du modulateur spatial de lumière. II comporte une cellule à cristal liquide 2 et un séparateur de polarisation 6. La cellule est constituée de deux lames transparentes, verre ou quartz, scellées entre elles, contenant le cristal liquide. Des électrodes sont disposées sur les lames. Sous l'effet d'un champ électrique appliqué, on contrôle l'orientation des molécules de cristal liquide dans la cellule. Si un rayonnement lumineux polarisé provenant de la source 1 traverse le cristal liquide, une certaine orientation des molécules du cristal liquide provoque une rotation de la direction de polarisation de la lumière. Un autre état des molécules ne modifie pas cette polarisation. Le séparateur de polarisations (de préférence non-absorbant) placé en sortie de l'afficheur 3 filtre un seul des deux états de polarisations. L'application ou la suppression du champ électrique définit ainsi un état opaque et un état transparent. Selon l'exemple de fonctionnement de la figure 2, dans l'état transparent, l'afficheur à cristal liquide est commandé en tension (tension nulle par exemple) de telle façon que la lumière provenant de la source ne subit pas de rotation de sa polarisation et qu'elle traverse le séparateur de polarisation. Par contre, dans l'état opaque, la lumière subit une rotation de polarisation dans la traversée de l'afficheur à cristal liquide du fait de la commande en tension, et le séparateur de polarisations réfléchit cette lumière. Les électrodes de l'afficheur peuvent être disposées en motif alphanumérique (voir les calculettes électroniques). L'afficheur fonctionne alors suivant le principe d'une "diapositive à commande électronique" en mode binaire (transparentiopaque). Un système optique projette une image réduite de l'afficheur sur le câble. Le mot programmé sur l'afficheur est ainsi imprimé sur le vernis. Dans l'exemple de réalisation du modulateur spatial décrit en relation avec la figure 2 on a considéré que le dispositif de modulation est un afficheur à cristal liquide. Cependant, il pourrait être réalisé à l'aide d'un cristal électrooptique tel que du PLZT (Plomb Lanthane Zirconium Titane). Le cristal est alors muni sur deux faces principales d'électrodes déterminant des éléments images de la même façon qu'un imageur à cristal liquide L'afficheur peut également être réalisé à l'aide de micro-miroirs ou d'un dispositif à membrane déformable tel que décrit dans la demande de brevet n" 90 08950. On va maintenant décrire des dispositifs permettant de réduire l'intensité lumineuse du faisceau d'éclairement de l'afficheur 3. Un premier dispositif est représenté en figure 3. Il comporte en sortie du laser 1, un séparateur de lumière 8 tel qu'une lame semiréfléchissante qui ne permet la transmission à l'afficheur 3 que d'une partie de la lumière. Un système de lentille 2, 2' étend la lumière sur la surface d'entrée de l'afficheur 3. En sortie de l'afficheur, une lentille 10 focalise la lumière A dans un amplificateur optique 7 par mélange deux ondes. Cet amplificateur est un cristal photoréfractif (en LiNbO3 par exemple). Par ailleurs, le séparateur de lumière 8 réfléchit la partie de la lumière, non transmise à l'afficheur, vers l'amplificateur 7 (via un réflecteur 9). Le séparateur 8 est conçu de façon à ce que le faisceau transmis à I'afficheur soit de faible intensité tandis que le faisceau B transmis à l'amplificateur par le réflecteur 9 soit de forte intensité. Ce dernier interfère dans l'amplificateur avec le faisceau A modulé par l'afficheur. Dans le processus d'amplificateur optique, le faisceau A est appelé "faisceau sonde" et le faisceau B est appelé "faisceau pompe". L'amplification par mélange à deux ondes est un phénomène connu. Elle est pratiquée par exemple, dans un cristal de matériau photoréfractif (LiNbO3 entre autres pour l'UV). Comme les deux sousfaisceaux sont cohérents entre eux, L'énergie du faisceau pompe B est transférée au sous-faisceau A, lequel a été modulé par l'afficheur. Le faisceau sonde se trouve ainsi amplifié. Ainsi on peut diriger un faisceau porteur d'un motif et de forte intensité, sur la pièce à traiter sans que l'afficheur ait été soumis à une intensité trop forte. Selon l'invention, il est également possible, au lieu d'utiliser un laser à forte puissance, d'utiliser un ensemble constitué d'un oscillateur laser de faible intensité et un amplificateur laser. La figure 4a représente un tel système. L'oscillateur de faible puissance 1 illumine le modulateur spatial 3 sur lequel est affiché un motif. Le faisceau B modulé est amplifié par l'amplificateur 12. Cet amplificateur peut être un amplificateur laser pompé par faisceau laser, lampe flash, décharge électrique, ou courant électrique. La pièce à traiter reçoit donc un faisceau modulé amplifié. La figure 4b représente un système dans lequel, le faisceau D amplifié est réfléchi par un miroir à conjugaison de phase 13. Dans ce système, un séparateur de polarisation 6 et une lame quart d'onde il sont prévus entre le modulateur et l'amplificateur. Le faisceau modulé de faible intensité B traverse le séparateur de polarisation 6 et une lame quart d'onde 11. L'état de polarisation de la lumière s'en trouve modifié. Par exemple d'une polarisation linéaire, il passe à une polarisation circulaire droite. Le faisceau ainsi obtenu C est amplifié à travers l'amplificateur laser 12. Le faisceau réfléchi E qui se propage en superposition exacte avec le faisceau D (pour la compréhension, les deux faisceaux sont séparés sur la figure). Le faisceau E traverse une nouvelle fois l'amplificateur laser. Etant donnée sa nature de conjugué par rapport au faisceau CD, le faisceau F est la réplique de C, se propageant en direction inverse, doublement amplifié, et corrigé des distorsions induites par l'amplificateur laser 12. La polarisation circulaire est inverse de C ; si C était dextrogyre, F est lévogyre (et réciproquement). En raison de cette inversion, le passage du faisceau F à travers l'ensemble lame quart d'onde 11-séparateur de polarisation 6 permet d'extraire le faisceau modulé et doublement amplifié G. On trouve alors une image conjuguée du modulateur 3 et le système optique 4 permet de concentrer le faisceau sur la pièce à traiter 5. La figure 5 représente un système comportant un amplificateur 14 fonctionnant par mélange quatre ondes. Selon ce système, un séparateur de faisceau 13 ne transmet qu'une partie du faisceau fourni par la source 1 vers le modulateur spatial 3 tandis que l'autre partie du faisceau est transmise directement à l'amplificateur 14 par mélange quatre ondes pour constituer un faisceau pompe P1. Le faisceau reçu par le modulateur 3 est modulé et est transmis à l'amplificateur 14 et constitue dans celui-ci un faisceau sonde. L'amplificateur 14 reçoit un deuxième faisceau pompe P2 colinéaire avec le faisceau pompe P1 et contrapropagatif. Ce deuxième faisceau pompe P2 peut résulter du faisceau P1 par réflexion de celui-ci sur un miroir 16. L'interférence dans le milieu amplificateur 14 des deux faisceaux pompes P1 et P2 et du faisceau sonde (faisceau modulé) conduit à un transfert d'énergie des faisceaux pompes sur l'onde conjuguée en phase du faisceau sonde. Le faisceau sonde réfléchi et amplifié est réfléchi par un séparateur de faisceau vers l'objet à traiter sur lequel il est focalisé par la lentille 4. Ce séparateur de faisceau peut comporter une lame quart d'onde 11 et une lame de séparation de polarisations 6. Dans ce qui précède, ont été décrits des systèmes pour lesquels le motif de l'afficheur est le même que le motif à imprimer, à un facteur de réduction ou de grandissement près. De plus, on a considéré que l'afficheur module le profil d'intensité d'une onde. II est possible que l'afficheur à cristal liquide ne présente pas le motif que l'on souhaite imprimer, soit le motif A, mais un motif B tel que la projection optique sur la pièce à traiter produise le motif requis A. Par exemple, il est connu que quand un système optique concentre la lumière en son point focal, la fonction "répartition d'amplitude complexe" dans le plan de la pupille de sortie du système optique, et la fonction "répartition d'amplitude complexe" dans le plan focal, sont liées entre elles par une transformation du type "transformation de Fourier". On utilise un modulateur spatial qui agit sur la phase d'une onde (modulateur à cristal liquide par exemple, mais d'un autre type que celui décrit précédemment). Le modulateur spatial est commandé de telle façon que la projection de l'onde modulée sur la pièce à traiter produise le motif désiré. II n'y a pas forcément d'imagerie entre A et B. Selon un autre mode de réalisation, pour obtenir cette transformation de Fourier, on place l'imager dans le plan focal objet d'un objectif et on obtient dans le plan foyer image la transformée de Fourier du plan objet. REVENDICATIONS 1. Système optique pour le traitement de matériaux comprenant une source lumineuse (1) éclairant une surface d'entrée d'un modulateur spatial de lumière (3) lequel est destiné à transmettre un faisceau de lumière modulée à un matériau à traiter, caractérisé en ce qu'il comporte: - une optique (2) d'expansion spatiale du faisceau de façon à étendre l'énergie du faisceau selon la surface d'entrée du modulateur spatial de lumière (3); - une optique (4) de concentration spatiale du faisceau modulé par le modulateur spatial de lumière (3) de façon à focaliser le faisceau. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source lumineuse (1) a une puissance telle que le faisceau lumineux émis par la source véhicule une énergie par unité de surface, selon la section du faisceau perpendiculaire à l'axe de celui-ci, supérieure à l'énergie de dégradation du modulateur spatial de lumière. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source lumineuse est une source de laser de puissance. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source lumineuse (2) émet un faisceau de longueur d'onde ultraviolette ou infrarouge. 5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lumière émise par la source est polarisée linéairement et en ce que le modulateur spatial de lumière (3) possède au moins deux états: - un premier étant dans lequel il transmet la lumière sans modifier sa direction de polarisation; - un deuxième état dans lequel il transmet la lumière en induisant un effet de rotation de 90" de la direction de la polarisation de la lumière; le système possédant en outre un séparateur de polarisations recevant la lumière transmise par le modulateur spatial de lumière (3), transmettant la lumière polarisée selon une première direction et réfléchissant la lumière polarisée selon une deuxième direction. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 ou 5, caractérisé en ce que le modulateur spatial de lumière est une cellule à cristal liquide ou un dispositif à cristal électrooptique. 7. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte: - un dispositif d'amplification (7) par transfert d'énergie par mélange deux ondes recevant le faisceau modulé; - un séparateur de faisceau (8) recevant le faisceau de la source transmettant une première partie de ce faisceau au modulateur spatial de lumière (3) et une deuxième partie au dispositif d'amplification (7); le faisceau modulé et la deuxième partie de faisceau interférant dans le dispositif amplificateur de façon qu'il y ait transfert d'énergie de la deuxième partie de faisceau vers le faisceau modulé. 8. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'amplification laser (12) recevant le faisceau modulé et transmettant un faisceau modulé amplifié sous l'effet d'un pompage par un faisceau laser, une lampe flash, une décharge électrique ou un courant électrique. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte un miroir à conjugaison de phase (13) recevant le faisceau modulé amplifié et le réfléchissant en conjugaison de phase vers l'amplificateur laser (12) qui le retransmet, après une deuxième amplification, à un séparateur du faisceau (6) qui le retransmet au dispositif de focalisation (4) et au dispositif à traiter (5). 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que le séparateur de faisceau comporte un séparateur de polarisations (6) et une lame quart d'onde (11) placé entre le séparateur de polarisations et le modulateur. 11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que le séparateur de faisceau est placé sur le chemin du faisceau d'éclairement du modulateur transmis par la source. 12. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'amplification par transfert d'énergie par mélange quatre ondes recevant le faisceau modulé ainsi qu'un premier faisceau pompe (P1) obtenu par extraction d'une partie du faisceau émis par la source et un deuxième faisceau pompe (P2) contrapropagatif au premier faisceau pompe (P 1). 13. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que le deuxième faisceau pompe (P2) est obtenu par rétroréflexion du premier faisceau pompe (P1) après traversée du dispositif d'amplification. 14. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte un séparateur de faisceau placé entre le modulateur et le dispositif d'amplification de façon à aiguiller le faisceau modulé amplifié transmis par le dispositif d'amplification vers le dispositif à traiter (5). 15. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un système optique de Fourier (20) situé entre la source et le modulateur spatial de lumière (3). 16. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une commande (15) du modulateur spatial (3) et une commande d'émission de la source lumineuse (1), les deux commandes étant synchronisées de façon qu'à la commande de l'émission d'un faisceau lumineux corresponde la commande de l'affichage d'une image sur le modulateur spatial (3).