Brevet FR2803918A1 — publié le 20010720

DISPOSITIF DE BALAYAGE D'UN FOYER DE FAISCEAU DE LASER DESCRIPTION Cette invention ressortit à un dispositif de balayage d'un foyer de faisceau de laser. Les lasers de puissance permettent de focaliser une forte énergie lumineuse dans un foyer de volume réduit et peuvent trouver des applications en physique pour l'étude des particules, le confinement des plasmas, l'usinage ou la section de tissus organiques en chirurgie. La plupart de ces applications imposent de déplacer le foyer pour qu'il balaye une trajectoire, ce qui est difficile à réaliser de façon simple. Comme le laser lui-même est volumineux, on préfère de le laisser immobile et de ne déplacer que le faisceau. Cela est possible en le faisant passer par une fibre optique, mais pas dans tous les cas, et notamment pas aux fréquences hors du spectre visible, alors que les lasers à infrarouge sont très appréciés en raison de leur puissance. Un autre moyen de déplacer un faisceau consiste à le faire passer par un miroir tournant, mais un mouvement du foyer dans toutes les directions ne peut être obtenu qu'avec une succession de miroirs tournant autour d'axes différents, ce qui pose des problèmes considérables d'asservissement de la position des miroirs, puisqu'une rotation d'un miroir impose de déplacer tous les miroirs situés en aval pour que le faisceau continue de passer par eux. De plus, une partie importante de l'énergie finit par être perdue. C'est pourquoi il est proposé ici de faire balayer une trajectoire par un foyer de faisceau de laser sans déplacer le faisceau, mais en modifiant sa distance focale. On y parvient au moyen d'un miroir à courbure variable, dont la variation de courbure est associée à une variation de focalisation des rayons lumineux ; la souplesse de la membrane autorise des déformations importantes et donc de grandes longueurs de balayage. Il est à noter que de tels miroirs sont déjà connus dans des télescopes ou d'autres dispositifs optiques, mais la variation de longueur focale était plutôt utilisée pour régler l'appareil et donner une image nette d'un rayonnement naturel (cf. le brevet français 2 662 512). L'utilisation de ces miroirs pour des faisceaux de laser ne semble pas avoir été proposée jusqu'ici. La raison en est peut-être que ces miroirs qui doivent être minces sont soumis à de gros échauffements. Pourtant, les inventeurs ont prouvé que cette prévention n'était pas fondée : puisque la membrane doit être assez ample pour se prêter aux déformations demandées, elle possède une surface importante par laquelle la chaleur peut être évacuée. Pour résumer, l'invention est relative sous sa forme la plus générale à un dispositif de balayage d'un foyer de faisceau de laser, caractérisé en ce qu'il comprend une membrane souple et tendue sur laquelle le faisceau est projeté et réfléchi en amont du foyer, des moyens réglables de variation de courbure de la membrane et des moyens de refroidissement de la membrane. De meilleurs réglages de focalisation peuvent être obtenus si les moyens de variation de courbure sont doubles et comprennent un moyen d'application de pression répartie sur la membrane et un moyen d'application de pression concentrée sur la membrane. Préférablement, le moyen d'application de pression répartie est un moyen de variation de pression d'une chambre close délimitée par la membrane, et le moyen d'application de pression concentrée est un circuit électrique à générateur de tension continue entre la membrane et une électrode adjacente à une portion centrale de la membrane. Les moyens de refroidissement de la membrane peuvent comprendre des moyens de soufflage de gaz devant une face de la membrane, ces moyens peuvent consister en un circuit de renouvellement du contenu gazeux de la chambre close. Enfin, des dispositifs d'inclinaison de la membrane peuvent permettre de régler l'orientation du miroir et donc la position du foyer du faisceau dans d'autres directions. L'invention sera maintenant décrite en liaison aux figures suivantes qui en représentent une réalisation favorite # la figure 1 est une vue générale du dispositif, # la figure 2 illustre le miroir, # et la figure 3 est une courbe donnant des résultats expérimentaux. La figure 1 illustre un laser 1 qui projette un faisceau 2 vers un miroir 3 qui le réfléchit et le focalise ; le foyer du faisceau 2 porte la référence 4. Le miroir 3 est une membrane souple de faible épaisseur qui peut être en métal, en céramique ou en matière composite, éventuellement recouverte d'un revêtement réfléchissant 5 sur la face opposée au faisceau 2 si la matière de base ne l'est pas. On propose le clinquant, le carbone métallisé et les céramiques à base d'alumine à titre d'exemples, en faisant remarquer que le choix dépendra souvent de la longueur d'onde de la lumière réfléchie. La membrane est tendue sur un tambour 6 qui délimite avec elle et une paroi de fond 7 une chambre close 8. Des moyens décrits ci-dessous et présents pour l'essentiel dans la chambre close 8 permettent de modifier la courbure du miroir 3 et donc la distance du foyer 4, qui balaye la direction X confondue avec celle du faisceau 2 en aval du miroir 3. Comme le faisceau 2 est projeté au centre de la membrane 3, dont l'orientation moyenne est invariable, il n'est pas dévié quand la courbure du miroir 3 est modifiée, mais une déviation du faisceau 2 dans une direction Y perpendiculaire est possible en faisant tourner le miroir 3 : on prévoit alors de monter le tambour 6 sur un axe de rotation 9 passant par le centre du miroir 3 et perpendiculaire à la direction Y. L'axe 9 sera entraîné par un moteur non représenté. I1 est aussi possible de déplacer le faisceau 2 suivant une troisième direction Z en montant le miroir 3 sur un cardan. On ne s'étendra pas sur de tels dispositifs, qui sont connus dans l'art pour orienter des miroirs plans, et on passe plutôt au commentaire de la figure 2. Débouchent dans la chambre close 8 un conduit de refoulement 10 et un conduit d'aspiration 11 d'une pompe 12 reliée à une source froide 13 : l'air de la chambre close 8 est soumis à un recyclage par la pompe 12 où il est refroidi, ce qui maintient le contenu de la chambre close 8 ainsi que le miroir 3, pourtant chauffé par le faisceau 2, à une température acceptable. La pompe 12 fonctionne en circuit fermé et n'a donc pas d'influence sur la pression dans la chambre close 8. On ne peut en dire autant d'une deuxième pompe 14 réglable et qui débouche à l'extérieur afin d'aspirer une partie du contenu de la chambre close 8 et de la soumettre à une dépression qui se traduit par un enfoncement du miroir 3. Le réglage de la dépression de la pompe 14 fait varier la courbure de la membrane, la focalisation du faisceau 2 et la position du foyer 4. Un effet analogue est obtenu avec une électrode 15 située en face du centre de la membrane et qui pénètre dans la chambre close 8 en traversant la paroi de fond 7. Un circuit électrique 16 relie l'électrode 15 au miroir 3 par l'intermédiaire de la paroi de fond 7 et du tambour 6. Le circuit électrique 16 comprend un générateur de tension continue 17, un rhéostat 18 qui fait varier la tension appliquée aux bornes du circuit, et un générateur de tension sinusoïdale 19 en série avec le précédent et qui peut être mis en marche ou arrêté par un interrupteur non représenté. Les charges électrostatiques de signes opposés créées par le générateur 17 entre la membrane et l'électrode 15 produisent elles aussi.une attraction et une courbure de celle-là. On peut utiliser l'un ou l'autre des systèmes en pratique, mais il est à noter que si la dépression de la pompe 14 est appliquée uniformément sur toute la superficie de la membrane, les forces électrostatiques sont plutôt concentrées au centre de celle-ci, ce qui peut produire un déformation différente ; selon le cas, on pourra préférer l'un ou l'autre de ces procédés ou une combinaison des deux pour obtenir de meilleurs résultats, par exemple une focalisation plus forte. Le rhéostat 18 permet de varier l'attraction électrostatique. La mise en route du générateur de tension sinusoïdale 19 produit une variation périodique de la quantité de charges électriques et donc une oscillation du miroir 3, bienvenue dans certaines applications comme le soudage de pièces épaisses, où le foyer 4 est porté à différentes profondeurs du joint. L'électrode 15 peut être fine ou au contraire s'élargir en un plateau 20, selon qu'on souhaite concentrer ou mieux répartir les forces électrostatiques à la surface du miroir 3 ; elle peut être creuse et servir de prolongement à un des conduits de refoulement et d'aspiration 10 et 11 ; quand le plateau 20 existe, lui aussi est alors creux et muni de trous 21 de passage de gaz à sa face avant, ce qui dirige et répartit bien le circuit de refroidissement sur la face arrière du miroir 3. La figure 3 illustre les variations d'une distance focale f en fonction d'une dépression P exprimée en logarithmes népériens. On voit que l'amplitude de la distance focale f qu'il est possible d'appliquer entre une dépression nulle et une distance minimale asymptotique obtenue aux fortes dépressions est très grande en valeur relative comme en valeur absolue ; la distance focale f est exprimée en mètres et a été obtenue avec un tambour de 30 mm de diamètre et une membrane de 0,5 mm d'épaisseur. Des membranes plus fines devraient permettre de réduire encore la distance focale minimale. La pression ou le soufflage de gaz pour réaliser la courbure ou le,refroidissement peuvent être appliqués sur la face externe du miroir 3. Il est possible de focaliser le faisceau 2 en une ligne au lieu d'un point si le miroir 3 est allongé et tendu entre deux grands côtés d'un cadre rectangulaire remplaçant le tambour 6 circulaire. Le miroir 3 peut prendre d'autres formes géométriques en fonction du résultat à obtenir. De même, on peut lui attribuer une épaisseur variable, par exemple plus faible au centre le rayon de courbure déterminant la focalisation du faisceau 2 est alors plus petit sans que la résistance mécanique du miroir 3 soit beaucoup affectée. Comme le faisceau 2 n'atteint généralement qu'une portion centrale relativement petite du miroir 3, dont la courbure est à peu près uniforme, la focalisation est presque parfaite. D'autres circuits de refroidissement sont envisageables ainsi que d'autres fluides, et notamment des liquides. Enfin, d'autres moyens pour déformer le miroir 3 sont concevables, mais les moyens sans contact solide sont préférés et probablement nécessaires pour que la courbure soit régulière. REVENDICATIONS 1. Dispositif de balayage d'un foyer de faisceau de laser, caractérisé en ce qu'il comprend une membrane (3) souple et tendue sur laquelle le faisceau (2) est projeté et réfléchi en amont du foyer (4), des moyens réglables de variation de courbure de la membrane et des moyens de refroidissement de la membrane. 2. Dispositif de balayage d'un foyer de faisceau de laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de variation de courbure sont doubles et comprennent un moyen d'application de pression répartie sur la membrane et un moyen d'application de pression concentrée sur la membrane. 3. Dispositif de balayage d'un foyer de faisceau de laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen d'application de pression répartie est un moyen de variation de pression (14) d'une chambre close (8) délimitée par la membrane, et le moyen d'application de pression concentrée est un circuit électrique (16) à générateur de tension continue (17) entre la membrane (3) et une électrode (15) adjacente à une portion centrale de la membrane. 4. Dispositif de balayage d'un foyer de faisceau de laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit électrique comprend encore un générateur .de tension oscillante entre la membrane et l'électrode. 5. Dispositif de balayage d'un foyer de faisceau de laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement de la membrane comprennent des moyens de soufflage de gaz devant une face de la membrane. 6. Dispositif de balayage d'un foyer de faisceau de laser selon les revendications 3 et 5, caractérisé en ce que les moyens de soufflage de gaz comprennent un circuit ( 10, 11, 12) de renouvellement de contenu gazeux de la chambre close (8). 7. Dispositif de balayage d'un foyer de faisceau de laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'orientation (9) de la membrane.