Brevet FR2735575A1 — publié le 19961220

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR DETERMINER LES PARAMETRES DE FOCALISATION D'UN FAISCEAU LASER La présente invention concerne les procédés et dispositifs permettant de connaître les qualités de focalisation d'un laser focalisé suivant sa propagation, notamment d'un laser de type CO2 ou YAG. Les lasers habituellement utilisés dans l'industrie pour des opérations demandant une grande concentration d'énergie telles que la soudure, la découpe, le rechargement, sont focalisés de façon à concentrer l'énergie lumineuse sur une surface de taille réduite. Par l'effet d'un dispositif de focalisation, le faisceau laser prend une forme dont l'enveloppe géométrique présente une section qui se réduit progressivement le long de l'axe de propagation du faisceau jusqu'à un diamètre minimum, et qui augmente ensuite progressivement. Le plan de focalisation se situe à l'endroit où le diamètre de l'enveloppe est minimum, et constitue la zone la plus propice pour l'utilisation du faisceau laser. Ainsi, dans les applications industrielles, il est avantageux de connaître avec précision la position du plan de focalisation. En outre, les utilisateurs du laser savent apprécier la qualité d'une focalisation par l'examen de la forme de l'enveloppe du faisceau laser au voisinage du plan de focalisation, et en particulier par l'allure de la courbure de section longitudinale diamétrale du faisceau laser. Malheureusement, les moyens de mesure actuellement disponibles pour analyser le faisceau laser ne permettent pas de déterminer de manière simple et rapide la situation du plan focal et le profil longitudinal de l'enveloppe géométrique du faisceau focalisé suivant son axe de propagation. En effet, les moyens de mesure actuellement disponibles permettent de mesurer la distribution d'éclairement dans une section transversale du faisceau, c'est-à-dire l'éclairement relatif en chaque point d'un plan de mesure transversal à la propagation. Une telle mesure demande un temps de mesure de cinq à six secondes environ. I1 est alors nécessaire de répéter la mesure pour toute une série de plans successifs répartis de part et d'autre du plan focal, d'en déduire de façon non automatique le diamètre du faisceau laser dans le plan de mesure, de tracer la courbe d'évolution du diamètre le long de l'axe de propagation, et d'en déduire la position du minimum de diamètre déterminant le plan focal. I1 en résulte que la mesure n'est pas appropriée pour les conditions industrielles d'utilisation des lasers, qui nécessitent une adaptation rapide des conditions d'utilisation en fonction des pièces à traiter. Le problème proposé par la présente invention est ainsi de concevoir un nouveau procédé et un nouveau dispositif permettant de connaître rapidement la situation du plan focal et le profil longitudinal de l'enveloppe géométrique du faisceau focalisé d'un laser impulsionnel suivant son axe de propagation, notamment d'un laser de type CO2 ou YAG. La difficulté est que les moyens obtenus doivent être compatibles avec les puissances des lasers industriels, pouvant généralement atteindre plusieurs kilowatts concentrés sur des fractions de millimètres carrés. Selon l'invention, la mesure doit donc être rapide, facile à mettre en oeuvre, et nécessiter un appareillage le plus simple possible. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, l'invention prévoit un procédé de détermination des paramètres de focalisation d'un faisceau laser se propageant selon un axe de propagation zone le procédé comprend les étapes suivantes - on déplace un objet réfléchissant de petite dimension transversale selon un premier mouvement transversal à vitesse rapide et constante et selon un second mouvement de translation longitudinale à vitesse lente le long de l'axe de propagation pour couper transversalement le faisceau laser successivement selon une pluralité de plans de coupe transversaux décalés le long de l'axe de propagation, - on mesure, pour chaque valeur de position du plan de coupe le long de l'axe de propagation, le temps d'interaction entre le faisceau laser et l'objet réfléchissant, et on en déduit la largeur correspondante du faisceau laser, - on analyse la suite des valeurs de largeur pour en localiser le minimum et pour en déterminer la courbe de variation le long de l'axe de propagation. Selon un mode de réalisation avantageux, le temps d'interaction est déterminé en mesurant et en mémorisant le temps de réception de lumière réfléchie par un capteur décalé latéralement et se déplaçant en translation longitudinale lente avec l'objet réfléchissant le long de l'axe de propagation. De préférence, on affiche ensuite une courbe représentant la suite des valeurs de largeur du faisceau laser et le positionnement de leur minimum, en fonction de la position du plan de coupe le long de l'axe de propagation. Un dispositif selon l'invention pour la détermination des paramètres de focalisation d'un faisceau laser se propageant le long d'un axe de propagation comprend - un ou plusieurs éléments réfléchissants, - des moyens pour déplacer les éléments réfléchissants à vitesse rapide et constante transversalement en traversant le faisceau laser et pour produire une impulsion de lumière réfléchie à chaque traversée du faisceau laser, - des moyens de déplacement longitudinal pour déplacer les éléments réfléchissants longitudinalement à vitesse plus lente le long de l'axe de propagation, et pour déterminer leur position le long de l'axe de propagation, - au moins un capteur de lumière pour capter l'impulsion lumineuse réfléchie par l'élément réfléchissant et pour produire un signal d'interaction en forme d'impulsion image de l'impulsion de lumière réfléchie, - des moyens pour déterminer la largeur de l'impulsion formant le signal d'interaction, ladite largeur d'impulsion étant proportionnelle à la largeur du faisceau laser, - des moyens pour afficher ladite largeur d'impulsion ou ladite largeur du faisceau laser. De préférence, le dispositif comprend en outre - des moyens pour mémoriser la suite des couples de valeurs de largeur du faisceau laser et d'ordonnée correspondante le long de l'axe de propagation, - des moyens pour calculer le minimum de largeur du faisceau laser et pour en déterminer l'ordonnée correspondante le long de l'axe de propagation, - des moyens pour afficher la courbe des valeurs de largeur du faisceau laser en fonction de l'ordonnée le long de l'axe de propagation, et pour visualiser la position et la valeur du minimum de largeur sur la courbe. Selon un mode de réalisation avantageux, les éléments réfléchissants sont des fils rigides radiaux montés rotatifs autour d'un axe de rotation parallèle à l'axe de propagation et décalé latéralement, les fils rigides étant agencés pour couper le faisceau laser sur une partie de leur rotation. 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 illustre schématiquement, en vue de côté, un dispositif de détermination des paramètres de focalisation d'un faisceau laser selon un mode de réalisation de la présente invention - la figure 2 illustre le dispositif de la figure l en vue de dessus - les figures 3a, 3b, 3c, 3d et 3e illustrent le fonctionnement du dispositif des figures 1 et 2 au cours de cinq instants successifs d'une traversée du faisceau laser par un fil rigide radial dans un plan de coupe transversal - la figure 4 illustre la forme d'onde des signaux obtenus au cours des cinq étapes des figures 3a à 3e - les figures 5a, Sb, 5c, 5d et 5e illustrent le fonctionnement du dispositif des figures l et 2 au cours de cinq interactions successives entre l'élément réfléchissant et le faisceau dans des plans de coupe distribués suivant l'axe de propagation du faisceau laser ; et - les figures 6a, 6b, 6c, 6d et 6e illustrent les formes d'onde des signaux obtenus au cours des cinq étapes des figures précédentes. Dans le mode de réalisation illustré sur les figures l et 2, le dispositif selon l'invention, pour la détermination des paramètres de focalisation d'un faisceau laser, est adapté pour déterminer les paramètres de focalisation d'un faisceau laser 1 se propageant le long d'un axe de propagation 2 depuis une source laser non représentée sur les figures. Le dispositif comprend un bâti 3, muni d'une lumière 4 pour le passage du faisceau laser 1, et supportant l'ensemble des éléments du dispositif. Un chariot support 5 est monté à coulissement longitudinal parallèlement à l'axe de propagation 2 du faisceau laser l sur des moyens de guidage tels que des colonnes de guidage 6 et 7 solidaires du bâti 3. Le chariot support 5 est entraîné en translation le long des moyens de guidage 6 et 7 par un moteur pas à pas 8 associé à une transmission mécanique 9 comprenant des roues dentées 10 et 11 et une vis à bille 12. La vis à bille 12, solidaire de la roue dentée 11, est montée rotative autour d'un axe 13 parallèle à l'axe de propagation 2 du faisceau laser 1 et parallèle aux colonnes de guidage 6 et 7, et elle tourillonne dans un trou taraudé correspondant du chariot support 5. Ainsi, par l'intermédiaire de la transmission mécanique 9, la rotation du moteur pas à pas 8 provoque la translation du chariot support 5 parallèlement à l'axe de propagation 2 du faisceau laser 1, comme illustré par la flèche 130. Le chariot support 5 porte un support rotatif 14, monté rotatif selon un axe 15 sensiblement parallèle à l'axe de propagation 2 du faisceau laser 1. Le support rotatif 14 est entraîné en rotation à vitesse constante par un moteur 16 à courant continu à vitesse stabilisée. Le support rotatif 14 porte au moins un élément réfléchissant 17, s'étendant radialement à partir du support rotatif 14, adapté pour qu'une portion de sa longueur traverse le faisceau laser 1 lors de la rotation du support rotatif 14 autour de son axe 15. Le chariot support 5 comprend une lumière 18 permettant le passage du faisceau laser 1, correspondant à la lumière 4 du bâti 3. Lors de sa rotation, l'élément réfléchissant 17 vient en regard de la lumière 18 du chariot support 5. Dans le mode de réalisation illustré sur les figures, l'élément réfléchissant 17 est un fil rigide linéaire de tungstène, fixé radialement en périphérie du support rotatif 14. En alternative, on peut prévoir, sur un même support rotatif 14, plusieurs fils rigides radiaux décalés angulairement autour du support rotatif 14. Selon une autre alternative, on pourrait également prévoir, pour les éléments réfléchissants 17, des formes autres que les fils rigides linéaires, et un déplacement en translation alternative au lieu d'un déplacement en rotation. Le dispositif comprend en outre au moins un capteur de lumière 19 adapté pour capter la lumière du faisceau laser 1 réfléchie par l'élément réfléchissant 17 lors de sa traversée du faisceau laser 1. Dans le mode de réalisation représenté, le capteur de lumière 19 est un détecteur pyroélectrique, monté sur le chariot support 5, et décalé angulairement d'environ 900 autour de l'axe de propagation 2 par rapport à l'axe 15 de rotation du support rotatif 14 et du ou des fils rigides radiaux 17. Sur les figures 1 et 2, on a en outre représenté un capteur de synchronisation 20, monté sur le chariot support 5, et adapté pour détecter le passage d'un fil rigide radial 17 en une position angulaire choisie, et pour produire lors de ce passage un signal de synchronisation. Le moteur pas à pas 8 est piloté par un circuit de commande 21 fournissant au moteur pas à pas les impulsions de commande par une ligne d'alimentation 22. Le circuit de commande 21 reçoit, par une ligne d'entrée 23, les signaux de synchronisation produits par le capteur de synchronisation 20. Le circuit de commande 21 est adapté pour produire un déplacement discontinu du chariot support 5 selon une suite d'incréments égaux à un nombre entier de pas et synchronisés avec les étapes de traversée du faisceau laser 1 par un fil rigide radial 17. De préférence, le déplacement du chariot support 5 selon un incrément s'effectue entre deux étapes successives de traversée du faisceau laser 1 par un fil rigide radial 17.Pour cette raison, on place avantageusement le capteur de synchronisation 20 à l'écart de la lumière 18 de passage du faisceau laser 1, par exemple en une position diamétralement opposée à la lumière 18 par rapport à l'axe 15 de rotation du support rotatif 14 dans le cas d'un support rotatif 14 portant un seul fil rigide radial 17. Le circuit de commande 21 est en outre adapté pour produire, sur sa sortie 24, un signal reflétant la position z du plan de déplacement en rotation du fil rigide radial 17 le long de l'axe de propagation 2 du faisceau laser 1. La sortie 24 donne ainsi l'information de position z du fil rigide radial 17 au moment où il traverse le faisceau laser 1. Lors de sa traversée du faisceau laser 1, un fil rigide radial 17 réfléchit une portion de la lumière du faisceau laser 1 vers le capteur de lumière 19. Le capteur de lumière 19 produit alors un signal d'interaction Vz(t) en forme d'impulsion image de l'impulsion lumineuse réfléchie par le fil rigide radial 17. Comme illustré sur la figure 2, le signal de sortie du capteur de lumière 19 est envoyé, par une ligne 25, à l'entrée d'un circuit électronique 26 de traitement des signaux. Le circuit électronique 26 comporte des moyens pour déterminer la largeur At de l'impulsion formée par le signal d'interaction Vz(t), ladite largeur d'impulsion étant proportionnelle à la largeur L(z) du faisceau laser 1 dans le plan de position z, et des moyens pour afficher ladite largeur d'impulsion dt ou ladite largeur L(z) du faisceau laser 1. Par exemple, selon un mode de réalisation simplifié, le circuit électronique 26 comprend un circuit électronique 260 pour calculer la largeur bt du signal d'interaction Vz(t), un circuit 261 pour calculer la largeur L(z) du faisceau laser 1 dans le plan d'ordonnée z de l'axe de propagation 2 contenant le plan de rotation du fil rigide radial 17, en multipliant la durée At du signal d'interaction par la vitesse V linéaire moyenne de la zone de fil rigide radial 17 traversant le faisceau laser 1. Le circuit 26 comprend aussi des moyens 262 pour afficher ladite largeur L(z) du faisceau laser 1. Selon un mode de réalisation perfectionné, le dispositif comprend en outre des moyens pour mémoriser la suite des couples de valeurs de largeur de faisceau laser L(z) et d'ordonnée z correspondante le long de l'axe de propagation 2, des moyens pour calculer le minimum de largeur Lm de faisceau laser et pour en déterminer l'ordonnée correspondante zm du plan focal le long de l'axe de propagation 2, des moyens pour afficher la courbe des valeurs de largeur L(z) en fonction de l'ordonnée z le long de l'axe de propagation 2 et pour visualiser la position zm et la valeur du minimum de largeur L, sur la courbe.Pour cela, le dispositif comprend un circuit 27, pouvant avantageusement être un calculateur universel, recevant sur une entrée les informations d'ordonnée z produites sur la sortie 24 du circuit de commande 21 de moteur pas à pas 8, recevant sur une autre entrée 28 les informations de largeur L(z) de faisceau laser produites par le circuit de traitement 26, mémorisant dans une mémoire 270 les suites de valeurs d'ordonnée z et de largeur L(z), calculant par tri et lissage les données de minimum zm et L, et affichant sur un écran d'affichage 271 la courbe d'évolution de la largeur L(z), la position zm et la valeur de son minimum de largeur Lm déterminant le plan focal. Le fonctionnement du dispositif est illustré sur les figures 3 à 6. Les figures 3a à 3e et 4 illustrent le détail d'une séquence de production d'un signal d'interaction Vz(t). Sur la figure 3a, le fil rigide radial 17, en rotation avec le support rotatif 14 dans le sens illustré par la flèche 29, n'a pas encore atteint le faisceau laser 1. le capteur de lumière 19 ne reçoit pas de lumière réfléchie, et produit un signal d'interaction Vz(tl) nul à l'instant tl, comme illustré sur la figure 4. A l'instant t2, sur la figure 3b, le fil rigide radial 17 atteint le faisceau laser 1, et commence à produire un faisceau réfléchi 30 capté par le capteur de lumière 19, qui produit un signal d'interaction V2(t2) non nul comme illustré sur la figure 4. A l'instant t3 et à l'instant t4, comme illustré sur les figures 3c et 3d, le fil rigide radial 17 produit un faisceau réfléchi 30 de sorte que le capteur de lumière 19 continue à produire un signal d'interaction Vz(t3) ou Vz(t4) non nul illustré sur la figure 4. A l'instant tS, illustré sur la figure 3e, le fil rigide radial 17 est sorti du faisceau laser 1, de sorte que le signal d'interaction Vz(t5) produit par le capteur de lumière 19 redevient nul. Le signal d'interaction Vz(t), produit au cours de cette séquence et illustré sur la figure 4, est ainsi une impulsion de largeur At proportionnelle à la largeur L(z) du faisceau laser 1 dans le plan z. Les séquences se succèdent comme illustré sur les figures 5a à 6e. Sur la figure 5a, le fil rigide radial 17 coupe une première fois le faisceau laser 1 dans le plan Z1 dans lequel le faisceau laser 1 présente une largeur L1. Le capteur de lumière 19 reçoit le faisceau réfléchi 30 et produit un signal d'interaction Vz1(t) dont la forme est représentée sur la figure 6a. Ce signal est en forme d'impulsion présentant une largeur Atl, à partir de laquelle on peut calculer la largeur L1 du faisceau laser 1 dans le plan Z1 par la formule L1 = V*Atl. Poursuivant sa rotation, le fil rigide radial 17 passe alors au voisinage du capteur de synchronisation 20, qui produit un signal de synchronisation envoyé au circuit de commande 21 qui actionne le moteur pas à pas 8 selon un incrément pour déplacer le fil rigide radial 17 axialement le long de l'axe de propagation 2 jusqu'au plan Z2. Poursuivant sa rotation, le fil rigide radial 17 coupe alors à nouveau le faisceau laser 1 comme illustré sur la figure Sb, dirigeant un faisceau réfléchi 30 de lumière vers le capteur de lumière 19 qui produit alors un signal d'interaction Vz2(t) illustré sur la figure 6b, en forme d'impulsion de largeur réduite. Le processus se répète, par déplacements successifs en translation du fil rigide radial 17 dans les plans z3, z4 et z5 comme illustré sur les figures 5c, 5d et 5e, produisant des signaux d'interaction Vz3(t), V24(t) et Vzs(t) illustrés sur les figures respectives 6c, 6d et 6e. On remarque que, sur les figures Sc et 6c, le fil rigide radial 17 se trouve au voisinage du plan focal Zm produisant un signal d'interaction de durée minimale, correspondant à la largeur minimale Lm du faisceau laser 1. 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 - Procédé de détermination des paramètres de focalisation d'un faisceau laser (1) se propageant selon un axe de propagation (2), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - on déplace un objet réfléchissant (17) de petite dimension transversale selon un premier mouvement transversal à vitesse rapide et constante et selon un second mouvement de translation longitudinale à vitesse lente le long de l'axe de propagation (2) pour couper transversalement le faisceau laser (1) successivement selon une pluralité de plans de coupe transversaux (zl, z2, z3, z4, z5) décalés le long de l'axe de propagation (2), - on mesure, pour chaque valeur de position (zl, z2, z3, z4, z5) du plan de coupe le long de l'axe de propagation (2), le temps d'interaction (At) entre le faisceau laser (1) et l'objet réfléchissant (17), et on en déduit la largeur correspondante L(z) du faisceau laser (1), - on analyse la suite des valeurs de largeur L(z) pour en localiser le minimum (L,, zm) et pour en déterminer la courbe de variation le long de l'axe de propagation (2). 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le temps d'interaction (At) est déterminé en mesurant et en mémorisant le temps de réception de lumière réfléchie sur un capteur (19) décalé latéralement et se déplaçant en translation longitudinale lente avec l'objet réfléchissant (17) le long de l'axe de propagation (2). 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on affiche une courbe représentant la suite des valeurs de largeur L(z) du faisceau laser (1) et le positionnement (zm) de leur minimum (L,), en fonction de la position (z) du plan de coupe le long de l'axe de propagation (2). 4 - Dispositif pour la détermination des paramètres de focalisation d'un faisceau laser (1) se propageant le long d'un axe de propagation (2), caractérisé en ce qu'il comprend - un ou plusieurs éléments réfléchissants (17), - des moyens (14, 15, 16) pour déplacer les éléments réfléchissants (17) à vitesse rapide et constante transversalement en traversant le faisceau laser (1) et pour produire une impulsion de lumière réfléchie (30) à chaque traversée du faisceau laser (1), - des moyens de déplacement longitudinal (8, 9, 5 21) pour déplacer les éléments réfléchissants (17) longitudinalement à vitesse plus lente le long de l'axe de propagation (2), et pour déterminer leur position (z) le long de l'axe de propagation (2), - au moins un capteur de lumière (19) pour capter l'impulsion lumineuse (30) réfléchie par l'élément réfléchissant (17) et pour produire un signal d'interaction (Vz(t)) en forme d'impulsion image de l'impulsion de lumière réfléchie (30), - des moyens (26) pour déterminer la largeur (At) de l'impulsion formant le signal d'interaction, ladite largeur d'impulsion étant proportionnelle à la largeur (L(z)) du faisceau laser (1), - des moyens (262) pour afficher ladite largeur (At) d'impulsion ou ladite largeur (L(z)) du faisceau laser (1). 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre - des moyens (270) pour mémoriser la suite des couples de valeurs de largeur (L(z)) du faisceau laser (1) et d'ordonnée (z) correspondante le long de l'axe de propagation (2), - des moyens (27) pour calculer le minimum de largeur (Lm) du faisceau laser (1) et pour en déterminer l'ordonnée correspondante ( Zm) le long de l'axe de propagation (2), - des moyens (271) pour afficher la courbe des valeurs de largeur (L(z)) du faisceau laser (1) en fonction de l'ordonnée (z) le long de l'axe de propagation (2), et pour visualiser la position (zrn) et la valeur du minimum de largeur (Lm) sur la courbe. 6 - Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les éléments réfléchissants (17) sont des fils rigides radiaux montés rotatifs autour d'un axe de rotation (15) parallèle à l'axe de propagation (2) du faisceau laser (1) et décalé latéralement, et agencés pour couper le faisceau laser (1) sur une partie de leur rotation. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les fils rigides radiaux (17) sont entraînés en rotation à vitesse constante stabilisée autour de leur axe de rotation (15). 8 - Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le capteur de lumière (19) est décalé angulairement d'environ 900 autour de l'axe de propagation (2) par rapport à l'axe de rotation (15) du ou des fils rigides radiaux (17). 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un chariot support (5) monté à déplacement longitudinal parallèlement à l'axe de propagation (2) et entraîné par un moteur pas à pas (8) piloté par un circuit de commande (21) produisant une incrémentation selon un nombre entier de pas entre deux étapes successives de traversée du faisceau laser (1) par un fil rigide radial (17). 10 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un capteur de synchronisation (20), adapté pour détecter le passage d'un fil rigide radial (17) en une position angulaire choisie, et produisant lors de ce passage un signal de synchronisation utilisé par le circuit de commande (21) de moteur pas à pas (8) pour synchroniser le déplacement du chariot support (5) selon un incrément entre deux étapes successives de traversée du faisceau laser (1) par un fil rigide radial (17).