Brevet FR2739982A1 — publié le 19970418

La présente invention concerne un dispositif pour la conformation avec homogénéisation de la répartition spatiale transverse d'intensité, d'un faisceau laser engendré à partir d'une ou plusieurs sources. D'une manière générale, on sait que la répartition spatiale transverse de l'intensité de la plupart des faisceaux engendrés par des générateurs laser est - soit de forme gaussienne, avec un maximum d'intensité au centre et une décroissance en se rapprochant du bord du faisceau, - soit quelconque, avec une forte modulation d'intensité spatiale pouvant dépasser + 50% de la valeur moyenne de l'intensité. A titre d'exemple, pour une ouverture laissant passer 86,5% de l'énergie du faisceau laser, dans le cas d'une répartition gaussienne, si l'intensité au centre de l'ouverture présente une valeur 100, celle du bord de l'ouverture présentera une valeur 13,5. I1 s'avère que cette hétérogénéité n'est pas compatible avec de nombreuses applications telles que le marquage avec masque, les traitements de surface, le nettoyage, les ablations contrôlées ou même le pompage optique Ces applications nécessitent en effet une répartition spatiale transverse d'intensité la plus uniforme possible avec, par exemple, des modulations d'intensité de l'ordre de + 10% par rapport à la valeur moyenne. L'invention a donc plus particulièrement pour but de supprimer cet inconvénient. A cet effet, elle part de la constatation que l'usage d'une fibre optique à saut d'indice et de plusieurs mètres de long, connectée à la sortie d'un générateur de rayonnement laser permettait d'obtenir une certaine homogénéisation de la répartition spatiale transverse de l'intensité du faisceau engendré en sortie de la fibre. On sait qu'une fibre optique à saut d'indice de type classique se compose d'un coeur cylindrique réalisé en un matériau transparent d'indice de réfraction n (par exemple du verre), revêtu sur sa surface cylindrique d'une couche en matériau transparent ou jaquette d'indice légèrement inférieur à celui du coeur, soit un indice de valeur n - E. Cette jaquette s'avère indispensable du fait qu'elle assure une réflexion totale du rayonnement laser pour des faisceaux faisant un angle inférieur à l'ouverture numérique de la fibre sans transfert d'énergie vers l'extérieur, même au niveau des zones de contact de la fibre, par exemple avec une gaine de protection ou avec des moyens de support. Il convient, par ailleurs, de noter que le matériau du coeur de la fibre a un seuil de dommage, et plus la surface du coeur est petite, plus l'énergie qu'on peut transmettre sans dommage est faible. Par conséquent, ce phénomène représente une sérieuse limitation à l'énergie laser qu'on peut transmettre avec les fibres optiques. On constate en outre que ces fibres optiques qui présentent une ouverture numérique relativement faible au niveau de leurs faces de réception du rayonnement laser, ne permettent d'obtenir une homogénéisation appréciable de la répartition spatiale de l'intensité du faisceau sortant par les faces émettrices que pour des longueurs de fibre relativement importantes. Même dans ce cas, cette homogénéisation qui est produite à la suite de réflexions multiples du rayonnement laser sur la surface cylindrique de la jaquette demeure limitée : certaines zones de la section de sortie de la fibre qui reçoivent une pluralité de rayons réfléchis ou transmis sont le siège de cumuls énergétiques, tandis que les autres zones ne sont pas (ou sont très peu) affectées par un tel cumul. C'est la raison pour laquelle il n'était pas concevable d'utiliser des fibres optiques uniquement dans le but d'atteindre le niveau d'homogénéisation requis dans les applications précédemment évoquées (outre le fait que cette solution ne pourrait pas convenir dans le cas où l'on voudrait réaliser un dispositif compact de faible volume). Par ailleurs, la forme circulaire du faisceau émis en sortie de la fibre optique, ne convient pas à de nombreuses applications, en particulier au traitement d'une surface de dimensions très supérieures à celles de la section du faisceau. En effet, on peut appliquer une densité d'énergie uniforme sur une grande surface avec un faisceau de forme polygonale, convenablement choisie, ce qui n'est pas le cas avec la forme circulaire. En vue d'homogénéiser la répartition spatiale de l'intensité des faisceaux laser, on a également proposé d'utiliser des guides optiques provoquant, à la suite de réflexions multiples, une concentration du faisceau en sortie du guide. Cette solution fait habituellement intervenir une optique focalisatrice à l'entrée du guide optique et une section de ce guide allant en décroissant en direction de la sortie de manière à obtenir la susdite concentration. Elle ne convient donc pas à l'homogénéisation de faisceaux laser à énergie élevée à l'aide d'une pièce d'homogénéisation réalisée en une matière solide transparente. En effet, la focalisation du faisceau dans une zone interne de la pièce pourrait conduire à une concentration d'énergie capable de détériorer la matière transparente. L'invention a donc plus particulièrement pour but de résoudre ces problèmes en surmontant les préjugés résultant des constatations précédemment évoquées. Elle propose, à cet effet, un dispositif permettant, à l'aide de moyens simples, non seulement d'homogénéiser la répartition spatiale de l'intensité d'un (ou plusieurs) faisceau(x) laser à haute énergie engendré(s) par une (ou plusieurs) source(s) mais également de conformer la section de sortie de ce faisceau laser de manière à l'adapter aux exigences du traitement que l'on veut effectuer. Elle propose aussi de surmonter la limitation d'énergie propre aux dispositifs d'homogénéisation actuellement utilisés. Ce dispositif fait intervenir, d'une part, une pièce d'homogénéisation de forme allongée réalisée en une matière transparente d'indice de réfraction supérieur à l'indice du milieu qui l'entoure (par exemple > 1 dans le cas où le milieu est de l'air), cette pièce comportant à l'une de ses extrémités, une section réceptrice du rayonnement laser émis par la source et, à sa deuxième extrémité, une section émettrice du rayonnement. Selon l'invention, ce dispositif est caractérisé en ce que la section émettrice de rayonnement est plus grande que la section réceptrice, et en ce que des moyens étant en outre prévus pour faire diverger le rayonnement laser au niveau de la section réceptrice, la forme de la surface extérieure de la pièce d'homogénéisation allant en s'évasant depuis la section réceptrice jusqu'à la section émettrice en formant avec l'air un dioptre qui assure des réflexions totales multiples du rayonnement divergent reçu par la section réceptrice. D'une façon plus précise, la susdite pièce d'homogénéisation pourra présenter une forme conique pyramidale avec une section, de préférence polygonale. Bien entendu, la divergence du faisceau appliqué à la section réceptrice de la pièce d'homogénéisation devra être déterminée en fonction de la géométrie de la pièce de manière à n'obtenir que des réflexions totales au niveau du dioptre. Un avantage notoire du dispositif selon l'invention, consiste en ce que dans le cas où la pièce d'homogénéisation présente une forme pyramidale de section polygonale et que l'indice de réfraction de la matière utilisée est convenablement choisi, par exemple entre 1,42 et 1,6, l'angle d'acceptance de la section réceptrice peut être de 1800, de sorte que, quel que soit l'angle d'incidence du rayonnement divergent, on obtient toujours une réflexion totale et donc une transmission pratiquement sans perte d'énergie entre la section réceptrice et la section émettrice. Les moyens permettant de faire diverger le faisceau laser provenant de la source et appliqué à la section réceptrice pourront comprendre des moyens (lentilles) distincts de la pièce d'homogénéisation ou même être intégrés à celle-ci, par exemple grâce à une conformation appropriée de l'extrémité réceptrice. Ces moyens pourront comprendre une lentille convergente ou divergente, des optiques diffractives et/ou des lentilles de Fresnel. De même, I'extrémité émettrice de la pièce d'homogénéisation pourra être équipée de moyens optiques appropriés à l'application envisagée. Ces moyens pourront consister par exemple en une optique focalisatrice intégrée à la pièce ou séparée de cette dernière. Compte tenu du fait que l'on utilise ici les propriétés du dioptre air/matière de la pièce pour obtenir la réflexion totale, la fixation de la pièce d'homogénéisation et de conformation à la structure de support devra être réalisée, par exemple, dans une région de longueur axiale limitée adjacente à l'extrémité réceptrice de la pièce. Dans le cas où la pièce d'homogénéisation présente une longueur importante, elle pourra être en outre supportée par des picots de forme pointue venant en contact ponctuel (surface de contact aussi réduite que possible) avec la surface de la pièce. Grâce aux dispositions précédemment décrites, il devient possible d'obtenir au niveau de la section de sortie de la pièce d'homogénéisation, un faisceau laser dont la répartition spatiale est uniforme, avec des modulations d'intensité pouvant s'abaisser au-dessous de i 10% par rapport à la valeur moyenne et ce, à partir d'un faisceau laser dont les modulations peuvent atteindre 100%. Le dispositif selon l'invention convient donc particulièrement bien à des applications exigeant une bonne homogénéité telles que celles précédemment évoquées. Ainsi, par exemple, dans le cas d'une ablation contrôlée, il sera possible d'effectuer une succession de "tirs" (application du rayonnement laser pendant une période de temps limitée) à chacun desquels, une épaisseur prédéterminée de matière peut être retirée. Un autre avantage important du dispositif selon l'invention consiste en ce qu'il permet d'engendrer un faisceau laser transversalement homogène, à la forme souhaitée, à partir de plusieurs faisceaux produits par plusieurs générateurs respectifs. Des modes d'exécution de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels Les figures 1 et 2 sont des vues schématiques, en perspective (figure 1) et en coupe axiale (figure 2), illustrant le principe d'un dispositif selon l'invention utilisant une pièce d'homogénéisation en forme de pyramide tronquée à section carrée; La figure 3 est une coupe axiale partielle de l'extrémité de réception de la pièce d'homogénéisation La figure 4 est une photographie montrant la répartition avec forte modulation de l'intensité du rayonnement laser sortant d'une source, dans un plan AA perpendiculaire à l'axe de propagation du rayonnement, Les figures 5 et 6 sont des diagrammes montrant la répartition de l'intensité selon les axes OX et OY de la photo représentée sur la figure 4; La figure 7 est une photographie montrant la répartition relativement uniforme obtenue au niveau de la section émettrice BB de la pièce d'homogénéisation Les figures 8 et 9 sont des diagrammes montrant la répartition de l'intensité selon les axes OX et OY de la photo représentée figure 7; La figure 10 est un schéma théorique illustrant le principe d'un dispositif pour le marquage d'objets par masquage; La figure 1 1 est une représentation schématique d'un dispositif d'homogénéisation permettant de combiner les faisceaux de plusieurs sources de rayonnement laser La figure 12 est une représentation schématique d'un autre dispositif d'homogénéisation permettant de combiner plusieurs faisceaux de rayonnement laser. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le dispositif d'homogénéisation selon l'invention fait intervenir une baguette 1 de forme pyramidale tronquée, de section carrée. Cette baguette 1 comprend, perpendiculairement à son axe longitudinal de symétrie Z, Z', deux faces carrées opposées, à savoir: une face réceptrice FR et une face émettrice FE plus grande que la face réceptrice FR. La face réceptrice FR est disposée de manière à recevoir un faisceau de rayonnement laser provenant d'une source S1 et passant par un système optique destiné à le faire diverger avant qu'il n'atteigne la face réceptrice FR de la baguette 1. Ces moyens peuvent consister en une lentille divergente LD située à proximité de la face réceptrice FR ou en une lentille convergente placée à une distance de la face réceptrice supérieure à la distance focale de la lentille. En effet, dans ce dernier cas, la face réceptrice est éclairée par la partie divergente du faisceau, située au-delà du point de focalisation. Comme précédemment mentionné, la matière constituant la baguette 1 est une matière transparente d'indice de réfraction supérieur à 1 (supérieur à l'indice du milieu qui l'entoure), de manière à permettre au rayonnement laser qui pénètre par la face réceptrice FR d'effectuer des réflexions multiples (réflexions totales) sur les faces longitudinales FL de la baguette qui constituent des dioptres plans air/matière transparente. Avantageusement, L'indice de réfraction de la matière transparente est supérieur à 1,42. Dans ce cas, on obtient un angle d'acceptance (i) du rayonnement incident allant jusqu'à 1800. Cette particularité se trouve illustrée sur la figure 3 qui montre qu'à incidence rasante sur la face réceptrice (rayon incident I1) le rayon IT transmis dans le barreau 1 se réfléchit sur les faces longitudinales FL avec un angle d'incidence garantissant une réflexion totale. Sur cette figure, on a également indiqué le trajet d'un rayon I2 attaquant la face réceptrice FR avec un angle d'incidence a de l'ordre de 45". En pratique, la section transversale de la baguette 1 (qui pourrait être éventuellement de forme circulaire, triangulaire, polygonale, etc...) pourra présenter une surface pouvant aller de 0,5 mm2 à quelques centaines de cm2. Les faces réceptrice FR et émettrice FE pourront être éventuellement traitées anti-reflet à la longueur d'onde du laser utilisé ou même présenter un léger dépoli. La face réceptrice FR pourra être plane ou courbe (points interrompus figure 2) de manière à intégrer la lentille LD utilisée pour engendrer la divergence du faisceau à l'entrée de la baguette 1. De même, la face émettrice FE pourra être plane ou courbe (points interrompus figure 2) (concave ou convexe) pour modifier la divergence du faisceau de sortie de la baguette 1. La longueur de la baguette 1 pourra être comprise entre quelques millimètres à quelques dizaines de centimètres. Le principe du dispositif d'homogénéisation précédemment décrit est le suivant: A l'intérieur de la baguette 1, le faisceau laser rendu divergent par la lentille LD ou par la conformation de la face réceptrice FR subit des réflexions internes multiples omnidirectionnelles, de sorte qu'au niveau de la face émettrice FE on obtient un faisceau dont la répartition spatiale d'intensité présente une bonne homogénéité. Bien entendu, la qualité de cette homogénéisation est fonction de la distance focale de l'optique divergente (lentille d'entrée LD ou conformation de la face réceptrice), de la section de la baguette 1 ainsi que de sa longueur. Ces paramètres doivent donc être optimisés. Une particularité avantageuse de ce principe d'homogénéisation consiste en ce qu'il permet d'obtenir une homogénéisation sur toute la section de sortie de la baguette 1, quelle que soit la forme de cette section (circulaire, carrée, triangulaire, polygonale, etc...) et ce, quelle que soit la forme et le type de répartition spatiale transverse d'intensité du faisceau laser utilisé. Pour illustrer cette propriété, la figure 7 montre la répartition de l'intensité d'un faisceau obtenu à la sortie d'une baguette d'homogénéisation de section carrée du type de celle représentée sur les figures 1 et 2, dont la face réceptrice FR est éclairée par un faisceau laser de section circulaire dont l'intensité est répartie comme indiqué sur la figure 4. Sur ces figures, il apparaît très clairement que la répartition transverse de l'intensité I du faisceau incident (figure 4) est de type quasi-gaussienne (aussi bien sur l'axe OX, figure 5, que sur l'axe OY, figure 6) tandis que la répartition de l'intensité est sensiblement homogène sur toute la section (carrée) du faisceau, en sortie de la baguette d'homogénéisation 1. Les diagrammes d'intensité sur les axes OX (figure 8) et OY (figure 9) confirment cette propriété. Dans cet exemple, les modulations d'intensité du faisceau laser en sortie de la baguette sont de l'ordre de i 10% par rapport à la valeur moyenne, alors qu'elles sont de l'ordre de i 50% en entrée. La figure 10 est une représentation schématique illustrant le principe optique d'un dispositif de marquage par masques faisant intervenir successivement: - un générateur laser S2 par exemple à 355 nm qui délivre à sa sortie un faisceau laser présentant une répartition transverse d'intensité de type gaussienne, - un homogénéisateur comprenant, à l'intérieur d'une enceinte tubulaire 2, une lentille divergente LD, une baguette homogénéisatrice 1 de section carrée ou rectangulaire et un objectif Oi, - un masque M éclairé par l'objectif Ol, - un objectif 2 permettant d'engendrer l'image du masque M sur l'objet 3 à marquer. Dans cet exemple, la baguette 1 est montée dans l'enceinte 2, d'une part, grâce à une bride de fixation 4 située dans une zone adjacente à la face réceptrice FR (non éclairée par le laser) et par des éléments de support pointus 5 dont les pointes viennent en appui sur la baguette I (de manière à obtenir des surfaces de contact et donc des transferts énergétiques parasites aussi réduits que possible). Dans l'exemple représenté sur la figure 11, ihomogénéisateur fait intervenir une pièce transparente plate 6, de section rectangulaire dont la face réceptrice FR est éclairée par trois sources de rayonnement laser S3, S4, Ss équipés éventuellement d'optiques divergentes OD1, OD2, OD3. Au niveau de la face émettrice FE de la pièce 6, on obtient un faisceau laser de section rectangulaire dont la répartition transverse d'intensité lumineuse est sensiblement homogène. Ce faisceau est alors appliqué à une lentille convergente semi-cylindrique LSC qui engendre dans le plan focal, un segment focal de même largeur que la pièce 6 qui peut être déplacé sur une surface à traiter à la façon d'une brosse. Bien entendu, I'invention ne se limite pas à la forme parallélépipédique précédemment décrite. Dans l'exemple de la figure 12, I'homogénéisateur fait intervenir une baguette de section carrée 7, dont la section réceptrice est associée à une seule lentille (éventuelle) LD' sur laquelle plusieurs faisceaux laser S6, S7, Sg arrivent à des incidences différentes. Au niveau de la face émettrice, on obtient un faisceau laser de section carrée dont la répartition transverse d'intensité lumineuse est sensiblement homogène. Revendications 1. Dispositif pour la confoimation, avec homogénéisation de la répartition spatiale transverse d'intensité, d'un faisceau laser engendré à partir d'une ou plusieurs sources (S1 à S6), ce dispositif comprenant une pièce d'homogénéisation (1), de forme allongée réalisée en une matière transparente d'indice de réfraction supérieur à l'indice du milieu qui l'entoure, cette pièce (1) comportant, à l'une de ses extrémités, une section réceptrice (FR) du rayonnement laser émis par la source, et à son autre extrémité, une section émettrice (FE) du rayonnement, caractérisé en ce que la section émettrice (FE) de rayonnement est plus grande que la section réceptrice (FR), et en ce que des moyens (LD) sont en outre prévus pour faire diverger le rayonnement laser qui rentre par la section réceptrice (FR), la forme de la surface extérieure de la pièce (1) comprise entre la section réceptrice (FR) et la section émettrice (FE) allant en s'évasant en formant avec le milieu qui l'entoure un dioptre assurant des réflexions totales du rayonnement divergent transmis par la section réceptrice (FR). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu entourant la pièce d'homogénéisation (1) est de l'air et en ce que, dans ce cas, L'indice de réfraction de la pièce d'homogénéisation (1) est supérieur à 1. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la susdite pièce d'homogénéisation (1) présente une forme conique ou pyramidale tronquée, de section, de préférence, polygonale. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'indice de réfraction de la pièce d'homogénéisation (1) est supérieur à 1,3 et est, de préférence, compris entre 1,42 et 1,6. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface de la section transversale de la pièce d'homogénéisation (1) est comprise entre 0,5 mm2 et quelques centaines de cm2. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens permettant de faire diverger le faisceau laser sont distincts de la pièce d'homogénéisation (1) et comprennent une lentille convergente ou divergente (LD), une optique diffractive ou une lentille de Fresnel. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens permettant de faire diverger le faisceau laser sont intégrés à la pièce d'homogénéisation (1) et mettent en oeuvre une conformation appropriée de la face réceptrice (FR) et/ou une optique diffractive et/ou une lentille de Fresnel. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'extrémité émettrice de la pièce d'homogénéisation (1) est équipée de moyens optiques éventuellement intégrés à ladite pièce (1). 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fixation de la pièce d'homogénéisation (1) est assurée par une bride (4) située dans une région adjacente à la face réceptrice (FR) de la pièce (1). 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce d'homogénéisation (1) est supportée par des picots (5) de forme pointue en contact ponctuel avec les parois latérales de la pièce. 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face réceptrice (FR) de la pièce d'homogénéisation (1) reçoit plusieurs faisceaux laser divergents émanant respectivement de plusieurs sources respectives (S1, S2, S3) éventuellement associées chacune à une optique divergente (OD1, OD2, OD3). 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce d'homogénéisation dont la section réceptrice est associée à une optique convergente ou divergente recevant plusieurs faisceaux laser (S'6, S'7, S'g) arrivant à des incidences différentes.