Brevet FR2771557A1 — publié le 19990528

"DISPOSITIF RESONATEUR OPTIQUE MULTIFAISCEAUX ET SYSTEME D'USINAGE LASER INCLUANT CE DISPOSITIF" La présente invention concerne un dispositif résonateur optique multifaisceaux. Elle vise également un système d'usinage laser incluant ce dispositif. La présente invention s'inscrit dans le cadre de l'amélioration des systèmes lasers de puissance. On connaît déjà de tels systèmes incluant des dispositifs résonateurs optiques mettant en oeuvre une cavité optique dite instable constituée d'un miroir concave et d'un miroir convexe. Ainsi, un dispositif résonateur optique de l'art antérieur D comporte, en référence à la figure 1, une chambre de décharge 11 contenant un milieu amplificateur 13 au sein d'une cavité optique constituée d'un miroir concave 10 et d'un miroir convexe 12 disposé de telle sorte que son foyer est situé dans le plan focal PF du miroir concave 10. Si on y adjoint une lentille convergente 14, on obtient alors un système d'usinage 2 délivrant un faisceau convergent 20 selon une distribution énergétique 21 dont le diamètre dans le plan focal FL de la lentille 14 s'approche plus ou moins du diamètre minimal théorique imposé par les lois de la diffraction. Le milieu amplificateur 13 est contenu par exemple dans une enceinte métallique pourvue de deux hublots transparents à la longueur d'onde considérée et réalisée dans un matériau adapté. Or, les systèmes lasers de puissance actuels ne permettent pas toujours de répondre au mieux aux besoins variés tels que les traitements de surfaces qui nécessitent une répartition uniforme de la puissance sur une grande surface ou l'usinage de haute précision qui demande un faisceau directif puissant aussi étroit que possible. Selon l'application désirée, deux voies ont été explorées. L'une consiste à accroître l'énergie totale délivrée par les lasers en augmentant le volume du milieu amplificateur au détriment de la directivité du faisceau. Celui-ci présente alors une répartition transversale d'intensité instantanée très inhomogène, mais très acceptable lorsqu'elle est intégrée dans le temps. Elle peut alors être utilisée pour certains types de traitement de surfaces. L'autre voie vise à améliorer la directivité du rayonnement émis, en cherchant à obtenir un faisceau spatialement quasi uniphase par l'utilisation de configurations de résonateurs particulières. Cette amélioration est particulièrement souhaitable dans le domaine de l'usinage de précision pour lequel le faisceau pourra être focalisé en une tache de dimension minimale limitée par la diffraction ou adaptée. C'est pour ce type d'applications que l'invention a été développée. Elle vise à répondre aux besoins d'efficacité accrue et de cadences plus élevées exprimés dans les secteurs industriels de ce domaine. Les objectifs précités sont atteints avec un dispositif résonateur optique conçu pour émettre un ensemble de N faisceaux élémentaires spatialement quasi uniphases. Suivant 1 invention, ce dispositif résonateur comprend: - un grand miroir, et - un ensemble de N petits miroirs disposés de sorte que leurs foyers respectifs sont situés sensiblement dans le plan focal dudit grand miroir, ce grand miroir et ces petits miroirs délimitant chacun une cavité optique contenant un milieu amplificateur optique, cette cavité optique étant instable dans un au moins des plans de section. On réalise ainsi un résonateur optique capable de produire directement un ensemble de faisceaux spatialement quasi uniphases de forte luminance, ce qui conduit à une amélioration significative du rendement énergétique par rapport aux dispositifs résonateurs de puissance de l'art antérieur. Dans une version préférée de l'invention, le grand miroir est de type concave tandis que les N petits miroirs sont de types convexe. Mais on peut envisager bien d'autres combinaisons de types de miroirs pourvu que ces combinaisons procurent une instabilité de la cavité optique dans un au moins des plans de section. Dans un premier mode de réalisation, les petits miroirs sont identiques et peuvent être disposés soit sensiblement les uns contre les autres, soit sensiblement aux sommets d'un polygone. Dans un second mode de réalisation, l'ensemble de N petits miroirs comprend des miroirs ayant des distances focales différentes et disposés spatialement de sorte que leurs foyers respectifs sont situés sensiblement dans le plan focal du grand miroir. Les petits miroirs sont par exemple maintenus par des moyens de support dans une configuration géométrique prédéterminée telle que leurs foyers sont sensiblement dans le plan focal du grand miroir. Ils peuvent être constitués par toute surface sphérique ou sphérocylindrique réfléchissante, notamment par une matrice de micro-miroirs ou de microlentilles associées à des miroirs, en référence au document FR 2737786. On peut prévoir, en lieu et place des miroirs convexes, des miroirs présentant deux rayons de courbure différents dans des plans orthogonaux. Ces miroirs peuvent d'ailleurs être convexes dans un axe et plans dans l'autre. On peut aussi prévoir des miroirs dont le coefficient de réflexion est prédéterminé pour obtenir la meilleure efficacité dans l'application technique visée, soit par exemple maximum ou semi-réfléchissant. Par ailleurs, on peut apodiser les traitements des miroirs. Le ou les faisceau(x) de sortie sont extraits dudit résonateur, soit par la périphérie des miroirs convexes, soit par une lame réfléchissante percée ou semiréfléchissante, placée à l'intérieur de la cavité résonante. Le dispositif résonateur optique selon l'invention met en oeuvre par exemple un laser à excimère fonctionnant dans la gamme de longueur d'onde [0,l-0,35]um. Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un système d'usinage laser incluant au moins un dispositif résonateur optique selon l'invention pour générer un faisceau ou une multiplicité de faisceaux spatialement quasi uniphases de forte luminance. Ce système d'usinage laser comprend en outre un système focalisant, par exemple, une lentille convergente disposée en aval du plan focal commun contenant l'ensemble de miroirs convexes. Le système d'usinage selon l'invention est destiné à obtenir, au foyer de la lentille placée en dehors du résonateur, N faisceaux d'intensités sensiblement égales, de diamètres minimums (limités par les lois de la diffraction), disposés suivant une géométrie et des écarts contrôlables. En utilisant un grand miroir concave carré ou rectangulaire et un ensemble de petits miroirs carrés ou rectangulaires répartis selon une ligne ou une matrice carrée ou rectangulaire, il est possible de réaliser des focalisations sous forme de traits lumineux et d'effectuer des découpes linéaires de faible largeur. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs: - la figure 1 est un schéma synoptique d'un exemple d'un dispositif résonateur optique à un miroir convexe, représentatif de l'art antérieur; - la figure 2 est un schéma synoptique d'un exemple d'un dispositif résonateur optique selon l'invention; - la figure 3 est un schéma synoptique d'un système d'usinage selon l'invention; - les figures 4A à 4D représentent plusieurs agencements possibles de miroirs convexes sphériques ou sphéro-cylindriques dans le plan de sortie d'un dispositif résonateur selon l'invention; et - la figure 5 représente un équipement de support de miroirs convexes mis en oeuvre dans un dispositif résonateur optique selon l'invention. On va maintenant décrire plusieurs exemples de réalisation d'un dispositif résonateur optique selon 1 invention. Dans l'exemple de réalisation représenté en figure 2, le dispositif résonateur optique 1 comprend dans le plan de sortie PS plusieurs (N) miroirs convexes identiques (par exemple, trois) 121, 122, 123. Tous les miroirs 121-123 sont à coefficient de réflexion maximum ou prédéterminé, ou apodisés. Les N miroirs convexes peuvent être placés soit au sommet d'un polygone (triangle, carré, hexagone, octogone, ...), soit les uns contre les autres, mais toujours dans un même plan, comme l'illustre la figure 4. Une cavité, de type instable, est caractérisée par un grandissement transversal G égal au rapport du rayon de courbure Rcv du miroir concave 10 au rayon de courbure Rcx du miroir convexe 121-123: G= Rcv/Rcx Ce grandissement détermine le diamètre d des miroirs convexes selon la relation d=/G, où représente la section transversale du milieu amplificateur 13, celle-ci étant inférieure au diamètre du miroir concave 10. La configuration proposée peut être assimilée à la juxtaposition de N télescopes de type Cassegrain formés par l'association du miroir concave 10 et d'un miroir convexe 12 (cf. figure 1). Le miroir concave 10 est commun à chacun des télescopes. Chaque télescope sélectionne, dans le bruit d'émission spontanée issu du milieu amplificateur, une direction moyenne correspondant à celle de l'angle solide sous lequel le miroir concave 10 est vu par l'un des miroirs convexes 121-123, en référence aux figures 2 et 3. Ce bruit est amplifié à chaque passage dans le milieu amplificateur 13. En sortie de la chambre de décharge, dans le plan PS des miroirs convexes 121-123, le rayonnement laser est composé de N faisceaux collimatés non-colinéaires. L'angle entre chaque faisceau est égal à 2d/(Rcv-Rcx) radians. Le champ proche présente une dimension transversale égale à la section du milieu amplificateur 13, ou différente en cas d'apodisation. Lorsqu'on place une lentille convergente 14 en aval du plan focal commun, on dispose alors d'un système d'usinage laser 4 délivrant un ensemble de faisceaux directionnels 41, 42, 43, en référence à la figure 3. Le dispositif résonateur optique 1' représenté sur cette figure comprend des petits miroirs convexes voisins les uns des autres 121', 122', 123'. Dans le plan focal de la lentille convergente 14, les faisceaux sont convergents et non colinéaires. Le nombre des faisceaux est identique au nombre de miroirs convexes. Le champ lointain, observé au foyer de la lentille convergente 14 de focale F, est constitué de N taches de diffraction de dimensions minimales sensiblement égales à RF/. Ces N taches sont séparées d'une distance D=2dF/(Rcv-Rcx) et présentent la même disposition que les miroirs convexes. On peut également prévoir, toujours dans le cadre de la présente invention, des miroirs convexes ayant des distances focales différentes mais dont les foyers respectifs sont tous situés sensiblement dans le plan focal du miroir concave 10. On peut envisager différentes géométries possibles pour les miroirs convexes, en référence à la figure 4. Ainsi, le nombre de miroirs et les géométries ne sont pas limitées. On peut ainsi prévoir, à titre d'exemples non limitatifs, un agencement de quatre miroirs sphériques en carré (figure 4A), un agencement de six miroirs sphériques aux sommets d'un hexagone (figure 4B), des miroirs sphéro-cylindriques disposés sur une ligne (figure 4C), ou encore plusieurs rangées de miroirs sphéro-cylindriques (figure 4D) pour permettre la réalisation de traits. Il est à noter que, même si dans les configurations représentées les miroirs sont séparés les uns des autres, on peut aussi envisager des configurations dans lesquelles les miroirs sont accolés les uns aux autres ou contigus. On peut également prévoir que les miroirs soient apodisés. Un ensemble 62 de quatre miroirs convexes 620 peut par exemple être fixé, par des techniques connues de collage, sur une lame transparente 63 maintenue dans un cadre support 6. Mais d'autres techniques de fixation de lentilles ou de miroirs peuvent être mises en oeuvre, notamment avec l'utilisation de bras radiaux courante dans le domaine des télescopes Cassegrain. Dans tous les cas présentés, le faisceau sort par la périphérie de chacun des miroirs. Les N miroirs convexes peuvent être constitués de n importe quelle surface sphérique réfléchissante telle que, par exemple, une matrice de micro-miroirs sphériques. Le dispositif résonateur optique selon l'invention permet d'obtenir N faisceaux à la divergence ultime fixée par la diffraction en un ou plusieurs allers-retours à l'intérieur de la chambre de décharge. Pour cela, il est nécessaire que le grandissement G soit le plus élevé possible. Pour ces raisons, ce type de résonateur est particulièrement bien adapté aux lasers présentant de forts gains par passage et des impulsions de courte durée. Le ou les faisceau(x) de sortie peuvent être extraits du résonateur, soit par la périphérie des N miroirs convexes, soit par une lame réfléchissante percée et inclinée, placée à l'intérieur de la chambre de décharge, ou par une lame semi-transparente. Un système d'usinage selon l'invention peut présenter, à titre d'exemple non limitatif, les dimensions suivantes: - longueur de la cavité: environ 1,25 m; - diamètre (t) du miroir concave: 2,5.10-2 m; - diamètre d d'un des miroirs convexes: 2,5.10-3 m; - distance focale de la lentille en sortie du résonateur: 3.10-1 m; - rayon de courbure du miroir concave: 2,5 m; - rayon de courbure d'un des miroirs convexes: 2,5.10-1 m. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. On peut en particulier faire varier le nombre de miroirs convexes, leurs distances focales, leur configuration géométrique, leur coefficient de réflexion et l'ensemble des dimensions du dispositif résonateur selon l'invention, en fonction des objectifs techniques recherchés. De plus, un dispositif résonateur optique selon l'invention peut être avantageusement utilisé pour effectuer un pompage optique de matériaux non linéaires (BBO, KDP, ...) ou amplificateurs de lumière. Par ailleurs, la présente invention n'est pas limitée au laser à excimère, mais peut tout aussi bien concerner d'autres types de laser utilisables pour des applications de puissance. REVENDICATIONS 1. Dispositif résonateur optique (1, 1') prévu pour émettre un ensemble de un ou plusieurs faisceaux élémentaires (41-43) spatialement quasi-uniphases, caractérisé en ce qu'il comprend: - un grand miroir (10), et - un ensemble de N petits miroirs (121-123, 121'-123') disposés de telle sorte que leurs foyers respectifs sont sensiblement dans le plan focal (PF) dudit grand miroir (10), ledit grand miroir (10) et lesdits petits miroirs (121-123) délimitant chacun une cavité optique contenant un milieu amplificateur optique, cette cavité optique étant instable dans au moins un plan de section. 2. Dispositif résonateur optique (1, 1') selon la revendication 1, caractérisé en ce que le grand miroir est un miroir concave et les petits miroirs sont des miroirs convexes dans un au moins des plans de section. 3. Dispositif (1') selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les petits miroirs (121', 122', 123') sont disposés sensiblement les uns contre les autres. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les petits miroirs sont disposés sensiblement aux sommets d'un polygone. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les petits miroirs sont disposés en une ou plusieurs rangées sensiblement parallèles. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'ensemble des N petits miroirs comprend des miroirs convexes ayant des distances focales différentes et disposés spatialement de sorte que leurs foyers respectifs sont situés sensiblement dans le plan focal du miroir concave. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les petits miroirs sont constitués par toute surface sphérique ou sphérocylindrique totalement ou partiellement réfléchissante, notamment par une matrice de micro-miroirs ou de microcatadioptres. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les faisceau(x) de sortie sont extraits dudit résonateur par la périphérie des petits miroirs. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le ou les faisceau(x) de sortie sont extraits dudit résonateur par une lame réfléchissante percée ou semi-transparente et inclinée placée à l'intérieur de la cavité résonante. 10. Système d'usinage laser (4) incluant un dispositif résonateur optique (1') selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour générer une multiplicité de faisceaux de forte luminance (41, 43), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un système focalisant, par exemple une lentille convergente (14) disposée en aval des petits miroirs (121'-123').