Brevet FR2903923A1 — publié le 20080125

La présente invention concerne un sous-ensemble de systèmes faisceau(1)-"lentille (2), chacun desdits systèmes étant constitué d'un faisceau laser (1) et d'une "lentille"(2),chacun étant conçu pour que le faisceau laser focalisé(3) résultant de l'action focalisatrice de la "lentille"(2) soit caractérisé par une performance optimale absolument maîtrisée - dans le sens que la prévision quantifiée de la puissance P du faisceau laser (1) requise notamment pour la coupe d'une plaque de métal d'épaisseur L est formulée par l'invention - autour du point focal effectif F, sur l'étendue d'une épaisseur L donnée du champ de phase focal (4) du système où ledit faisceau focalisé (3) est directement utilisé à usiner les pièces solides placées en (4), grâce à l'énergie thermique engendrée par l'impact du faisceau laser(3) sur la pièce solide en (4), par exemple couper,souder, percer une plaque de métal d'une épaisseur L donnée; marquer jusqu'à une profondeur L sous la surface;faire le traitement de surface d'une plaque avec une tâche d'impact dont l'aire est proportionnelle à l'épaisseur L du champ de phase focal (4), ladite tâche d'impact pouvant être promenée à travers la zone désignée pour recevoir le traitetement thermique par mouvement relatif de la pièce traitée par rapport au faisceau laser (3) : - la " lentille " désigne tout dispositif ayant une fonction focalisatrice; ce peut être une lentille plan-convexe, ce peut être un miroir à surface sphérique ou parabolique, pour ne citer que trois exemple parmi une infinité possible, ce peut être une combinaison réalisée à partir des dispositifs élémentaires de focalisation. Dans tous les cas, ladite " lentille " est caractérisée par une distance focale, notée f. - le faisceau laser (1) est caractérisé par sa longueur d'onde notée À. Ledit faisceau laser (1), au moment d'arriver en incidence sur la "lentille"(2),juste en amont immédiat de cette dernière peut être une onde sphérique de rayon de courbure algébrique R , positif ou négatif selon que ladite onde sphérique est divergente ou convergente dans le sens de propagation du faisceau laser (1 ),ou une onde plane,ce qui correspond à une onde sphérique de rayon de courbure R infiniment grand. - la structure spatiale du faisceau laser (1), c'est à dire sa fonction d'amplitude dans un plan transversal c'est à dire orthogonal à l'axe optique dudit faisceau peut être quelconque, gaussienne, uniforme ou autre, monomode ou multimode. - Les faisceaux (1) et (3) sont caractérisés en commun par le diamètre Do du disque Inscrit dans le contour limitant la zone d'onde interceptée par le plan orthogonal à l'axe optique focal tangeant au front d'onde reconstitué en aval immédiat de la " lentille " à l'extérieur de laquelle l'intensité (watt /cm2) du mode fondamental est au plus égale à deux pourcent (2% ) de sa valeur maximale. Do est pratiquement égal au diamètre des deux cercles contigus et réciproquement images (AoAo')(1)(2) et (QQ') (3). Le remplissage d'onde dudit disque peut être total ou partiel selon que la valeur de la fonction d'amplitude y est partout non nulle,ou peut y être nulle dans certaines zones, ce qui correspond au masquage, en ces zones, du faisceau laser comme dans le cas d'un faisceau laser sortant du résonateur " confocal positif instable ". - chacun desdits systèmes faisceau (1) - "lentille" (2) est caractérisé par sa distance focale 2903923 2 effective f ' définie par la formule suivante : 1/f' =1/f - 1/R ( le symbole " / " représente l'opération arithmétique de division alors que " - " représente la soustraction) 5 et caractérisé par l'angle d'attaque focal 00, mesuré en radian, défini par la formule suivante : eo=Do/(2.f) - ledit système faisceau-lentille" est caractérisé par le paramètre fondamental de structure instrumentale bo, nommé phase longitudinale unitaire ou épaisseur optique unitaire,mesuré en radian par centimètre, défini par la formule suivante : 10 bo=(n•002)/À où ( 002) représente 0o au carré, tandis que n est le nombre classique valant 3,1415...et que le point (-) symbolise l'opération arithmétique de multiplication. - ledit paramètre fondamental de structure instrumentale bo détermine la performance du faisceau laser focalisé (3) sur l'étendue du champ de phase focal (4) dont l'épaisseur L sépare 15 deux plans transversaux orthogonaux à l'axe optique focal , PI et P2, encadrant le point focal effectif F situé à équidistance desdits plans, ladite performance du faisceau focalisé (3) étant fondamentalement déterminée par la valeur du paramètre fonctionnel (po, nommé phase longitudinale ou épaisseur optique, mesuré en radian et défini par la formule suivante : (po=bo•L 20 - les meilleures performances du faisceau focalisé (3) dans l'étendue d'épaisseur L du champ de phase focal (4) se produisent pour les valeurs de (po appartenant à l'intervalle 10 ;1,4] des valeurs positives inférieures ou égales à 1,4 radians. Pour de telles valeurs de (Po inférieures ou égales à 1,4 radians, le système faisceau-lentille" caractérisé par son paramètre fonda-mental de structure instrumentale bo qui réalise (po selon la formule : 25 bo-L= 4)o est nommé système à noyau focal d'épaisseur L. Le champ de phase focal (4) d'épaisseur L réalisé par un système de paramètre fondamental bo tel que, bo-L=4o A) , figurant au second membre de l'équation de transfert de la chaleur ( EQ.Zéro ) ne représente que le seul cas d'un faisceau non focalisé ayant une structure spatiale uniforme. Et c'est uniquement pour ce dernier cas restreint qu'est apparue la relation d'exigence sous sa forme particulière ( EQ.RPA ), qu'est l'égalité entre le terme n-K To le et la puissance d'action P /A. 25 Nécessaire,et souhaitable pour l'intelligence conceptuelle destinée à préciser le contenu de la condition suffisante portée par le cfisque d'impact en vue de sa connexion instrumentale, le culcul de l'équation dé la chaleur ( EQ.Zéro ) étendu au cas général d'un faisceau focalisé - où la fonction F(r) n'est pas constante - est réalisé par la présente invention d'où découle la relation générale ( EQ.RPA.B) suivante : 30 n-K-Tole=n-1- f" F(r)dr=n-A-[1-Jo F(At)dtl (EQ.RPA.B) L'expression entre crochets de (EQ.RPA.B ) a la signification d'une moyenne pondérée de ('-intensité laser évaluée à travers le disque de demi diamètre A : il apparaît que (EQ.RPA) est une forme particulière de ( EQ.RPA.B ); d'où la conclusion générale suivante : La relation d'exigence la plus générale est une relation de proportionnalité entre (n-K-To) le et 35 la puissance d'action P' lA, P' étant la puissance déposée par le faisceau focalisé (3) à l'intérieur du disque d'impact de demi diamètre A placé dans le champs de phase focal (4), P' et A restant à déterminer plus tard en même temps que le coefficient 7o de ladite proportionnalité. Ladite relation d'exigence est du même type que la relation (EQ. RPA Bis) établie un peu plus 2903923 8 loin pour le cas très important d'un faisceau laser gaussien focalisé (3) sur le disque d'impact situé dans un plan transversal du noyau focal du champs de phase focal (4). Les deux autres points visés par la critique de la préssente invention concernent d'une part le fait que le schéma d'approche historique considère, dans le disque d'impact, la totalité de la 5 puissance P du faisceau laser, et d'autre part le fait que le demi diamètre A du schéma d'approche était une donnée arbitraire du problème. Ces faits ont pour origine l'absence de connexion entre les propriétés optiques et énergétiques d'un faisceau laser focalisé et ledit schéma d'approche considéré dont l'inconséquence réside dans l'absence de développement de son contenu logique jusqu'à la finalité instrumentale en vue de la construction d'un faisceau laser 10 efficace, capable de réaliser la totalité des tâches d'usinage qui lui incombent. Voici l'explication de la présente invention : Si on considère, sous le flux d'un faisceau laser focalisé (3), située dans un plan transversal, orthogonal à l'axe optique focal,placé dans le champ de phase focal (4), la tâche éclairée dans toute son étendue, alors la puissance qui y est concentrée est naturellement la puissance to- 15 tale P transportée par le faisceau laser focalisé et le demi diamètre A de ladite tâche est tout aussi naturellement le demi diamètre maximal de la tâche de diffraction. Or, sous le flux d'un faisceau laser focalisé, la totalité de ladite tâche n'est pas de qualité énergétique égale ni d'efficacité égale : l'intensité y est maximale au centre, va en décroîssant du centre vers la périphérie où elle a une valeur beaucoup plus faible pour finir par perdre toute efficacité. Or il y a 20 des circonstances où les conditions sont critiques et contraignantes notamment en usinage pénétrant comme c'est le cas en découpe laser où le métal sous cette partie périphérique, qui ne reçoit qu'une concentration de puissance insuffisante vis à vis du seuil exigé pour la mise en état de fusion du métal, ne sera pas fondu et ne laissera pas pénétrer le faisceau laser à cet endroit, si bien qu'une partie de la puissance P du faisceau est de ce fait laissée à l'extérieur du trou de coupe. C'est pourquoi la présente invention distingue, dans la tâche éclairée, une zone centrale particulière capable de se porter jusqu'à la température de fusion dans sa totalité dès que la valeur de la puissance totale P du faisceau focalisé franchit le seuil prévu à cet effet. Et l'appelation, dans la présente description, de tâche d'impact ou d'aire d'impact, désigne exactement cette zone centrale essentielle, seule digne d'intérêt pour des raisons 30 d'efficacité et de fiabilité, de la tâche éclairée. II est dès lors évident que ladite tâche d'impact ne contient pas la puissance totale P du faisceau laser focalisé mais seulement une partie P'. II est dès lors aussi évident que le demi diamètre A de ladite tâche d'impact n'est pas non plus une donnée arbitraire et indifférente du problème, mais reste à déterminer. En mettant P' , comme c'est légitime d'après les propriétés optiques et énergétiques étudiées 35 à la deuxième question, sous la forme : P'=Po•P Po est un nombre positif inférieur à un qui représente la fraction de la puissance totale reçue par la tâche d'impact ; Po est nommé puissance unitaire. De même, P' /A = Po /A • P . 2903923 9 Po /A est nommé puissance d'action unitaire, mesuré en watt par centimètre par watt ou en cm-1. De même, en empruntant une propriété optique et energétique dégagée par les calculs mathématiques lors du traitement de la deuxième question, la fonction d'intensité I mesurée en watt par centimètre carré (w /cm 2) en chaque point du disque d'impact peut se mettre 5 sous la forme : I = lo P . Io est nommé intensité unitaire, mesurée en watt par centimètre carré par watt ou en cm-2. Ces caractéristiques énergétiques unitaires Po, Po /A et Io caractérisent les performances du faisceau laser focalisé (3) dans le champ de phase focal (4) ; leurs optimisations sont les visées centrales de la deuxième question et de la présente invention. 10 La détermination du demi diamètre A de la tâche d'impact de coupe se fait en même temps que celle de Po qui est une fonction croissante de A. Ladite détermination se fait à travers la réponse à la question : jusqu'à quelle valeur limite peut et doit s'étendre le demi diamètre A du disque d'impact vis à vis de l'efficacité maximale de la découpe laser ? Le critère de choix doit trancher dans la contradiction suivante : une valeur de A plus grande augmente l'efficaci- 15 té ultérieure du faisceau dans le tunnel de coupe, cependant qu'il est préférable de contenir sa valeur dansle domaine d'efficacité naturelle d'extension minimale ( voir ci-dessous ). Voici comment la présente invention applique ce critère à l'étude de l'interaction laser-métal pour la détermination du demi diamètre A de la tâche d'impact et de la puissance unitaire Po de la meilleure efficacité vis à vis de la découpe laser : 20 Soit considéré un disque d'impact, de demi diamètre A de la figure (Fig.2), couvert par le flux du faisceau laser qui y concentre une puissance P' et une puissance d'action P' /A. Soit dA la largeur de la bande annulaire contigue couverte également par le flux laser et qui vient s'agréger au disque central considéré, et soit dP' la puissance concentrée dans ladite bande annulaire; soit To et Ti les températures respectives au centre et sur la circonférence du disque 25 central lorsque seul ce dernier est éclairé en laissant la bande agrégeante dans l'ombre par un procédé de masquage du faisceau laser (le masquage se faisant uniquement au niveau du plan du disque d'impact afin que le faisceau ne soit point perturbé, ce qui risquerait d'altérer ses propriétés optiques, avant qu'il n'atteigne ce plan). La puissance d'action du disque d'impact agrandi de demi diamètre A + dA est : (P' + dP') /( A + dA ).Trois cas sont possibles : 30 - Si [( P' + dP') / (A + dA) - P' /A ] > 0 , To et TI augmentent, ce qui signifie que l'extension de l'impact dans le sens du disque agrandi augmente l'efficacité de la coupe laser. - Si [( P' + dP') / (A + dA) - P' / A] = 0, To ne décroît pas mais Ti augmente grâce à l'apport d'energie supplémentaire de la bande agrégeante lors du démasquage du faisceau laser, ladite augmentation étant conforme à l'enseignement tiré des calculs de (EQ. DISTRIBU ) 35 parce que la circonférence du disque central sur laquelle la température était Ti lorsque ce dernier était seul démasqué pour le flux laser, est maintenant plongé à l'intérieur du disque agrandi de même puissance d'action P' / A . La conclusion est la même que pour le cas précédent : l'efficacité de coupe est accrue dans le sens du disque agrandi . 2903923 10 - Si [(P' + dP') / (A + dA) - P' / AI l voire même y > 2. Voici l'explication de la présente invention portant sur le contenu physique de y : y peut être décomposé en un produit de trois facteurs indépendants tous supérieurs à 1 : 25 y=yg.yf.yo avec : yg > 1 ; yf > 1 ; yo > 1. - yg est dû au gaz d'assistance qui renforce l'efficacité de la puissance d'action par l'apport supplémentaire de la chaleur drainée convectivement d'amont en aval, c'est pourquoi yg >1. -yf relève du processus physique de la fluctuation thermique d'origine statistique. En réalité, les effets relevant de la fluctuation se traduisent par des niveaux aléatoires de température 30 tant plus élevés que moins élevés par rapport à la température moyenne au sens statistique. La théorie de la chaleur classique qui est utilisée dans le schéma d'approche exposé dans les lignes précédentes n'est en mesure de prendre en compte que la température moyenne au sens statistique telle que To en laissant dans l'ignorance les effets de fluctuation. Cependant, lesdits effets relevant de la fluctuation peuvent fort bien se concrétiser dans le cas exception- 35 nel où la température résultant du surcroît d'origine statistique fluctuationnelle franchit le seuil de la fusion du métal, seuil où l'agitation désordonnante et destructurante l'emporte sur la cohésion ordonnée du métal, où ladite agitation se trouve instantanément synergiquement ampli-fiée par l'augmentation du coefficient d'absorption c, ladite absorption étant réciproquement 2903923 13 accrue par la dislocation de l'état solide qui s'amorce en ce point critique de la transition solide-liquide. C'est pourquoi, en usinage laser pénetrant impliquant fusion du métal, yf >1. - l'inégalité yo >1 est dûe au fait que l'intensité (en watt Icm 2) du faisceau laser focalisé dans la tâche d'impact I-F(r) (de EQ.RPA B, page 7) est une fonction décroissante de r, d'où : 5 d(P' /r) /dr=(2n /r)•I•F(r)•r-(2n /r2) -fo" I•F(x)•x dx 2,5 radian étant faible sur la première valeur de yo (3=3,2 radian) voire très faible sur la seconde (3=2,8 radian), voici en faisant 14=1 les résultats de calcul 4 - Mg (0) _ [1-exp (-1,5625) ]2 = 0,62471415... soit Mg (0) = 0,15617853... (P' /Am ) = (TE-bg /x)e - [1-exp (-8-Mg (0)) ] - P / [1-exp (-3,125) ] rc - Jo I(r ; 0) dr = 11(rc-bg /À) - @( 8-Mg (0)) - P / [1-exp (-3,125) ] Jô exp (-t2) dt 10 avec A = E3 /2,5) - [ À /(rc-bg) ] et X = (3 /2,5) - [ 8-Mg (0) ] D'où yo = ( [ 8-Mg (0) ] / [1-exp (-8-Mg (0) ) ] - J; exp (-t2) dt pour r bot' /2=0,063 rd. 2 ) L=1 cm bo=1 rd /cm 00=0,018 rd f=69,44 cm > bot' /2=0,0055 rd. 25 3 ) L=4cm bo=0,25 rd /cm eo=0,0092 rd f=136,1 cm bot' /2=0,0007 rd. La décroissance de bot' /2 en fonction de L se constate de façon évidente. On a pu constater que l'aberration sphérique est absolument négligeable et pour la présente invention et pour l'état de la technique. Par conséquent, l'exposé gagnera en clarté en faisant pour la suite du débat, ABS=1 , ce qui est légitime. 30 Pour fonder la méthode d'évaluation des performances sur une base précise, la présente invention a analysé mathématiquement les contributions aux caractéristiques énergétiques dûes aux modes autres que le mode fondamental. Dans la formule de l'intensité I(M)=I(r;z)=I(p;z) qui prend désormais la forme : I(p;z) = (eo•ao /À) 2 . I Jt • exp(j•bo•z•t') dtJA(ao•t ; w)•exp(j• p•t•cosw) dwl ë 35 où l'intégrale portant sur la variable t doit se faire en variant t de 0 à 1, où l'intégraleportant sur la variable angulaire w doit s'effectuer en variant w de 0 à 2n, la superposition de plusieurs modes fait que A(ao•t ; w) prend la forme d'une somme, où le symbole Epq est une sommation à deux indices entiers p et q, opérant sur l'expression mise 2903923 entre l'accolade {..j : A(ao-t ; w) = Epq { Rpq(ao-t).cos(q•w) } On a l'égalité utile suivante où l'intégrale doit se faire en variant w de 0 à 2n : JA(ao-t ; w)-exp(j.p.t-cosw) dw = 21T-Epq{ jq Rpq(ao-t) Jq(i3.t) } 5 où j est l'imaginaire pur (j2=-1), où Jq est la fonction de Bessel de première espèce d'ordre q. L'égalité ci-dessus autorise l'écriture structurée suivante : JA(ao.t ; w)-exp(. 3-t-cosw) dw =2n.Fo-f(ao-t)-Jo(E3•t) + s(ao.t ; w) où le premier terme est relatif au mode fondamental seul où Jo est la fonction de Bessel de première espèce d'ordre zéro, où Fo est un nombre constant; où le deuxième terme E(ao.t ;w) 10 est relatif à la totalité des modes autres que le mode fondamental. La coexistence compétitive de plusieurs modes se disputant la même source d'énergie fait baisser la part d'énergie revenant au mode fondamental dominant, cependant que du mécanisme même de formation du faisceau laser se déroulant à l'intérieur du résonateur, la répartition d'énergie suivant les différents modes se fait toujours de telle façon que c'est au mode 15 fondamental dominant que revient la plus grosse part d'énergie. Lorsque le faisceau laser est focalisé, le mode fondamental a la quasi totalité de son énergie confinée à l'intérieur du disque de demi diamètre optique a = 4 radians , situé dans un plan transversal peu déphasé par rapport au point focal effectif ; plus particulièrement en considérant le disque de demi diamètre optique [3=2,8 rd ( qui fait l'objet d'une attention particulière de 20 la part de la présente invention parce que ce dernier est resserrée autour du disque d'impact d'extension minimale ) et en considérant un faisceau gaussien , le mode fondamental noté Temoo dont la fonction d'amplitude est de la forme Fo.f(ao.t)=Fo-exp(-ao 2 t 2) où 0 3,2 radians,on a utilisé systématiquement les fortes valeurs de bo conformément au concept classique de tâche focale réduite inconditionnelle, ce qui engendre de graves déphasages bo•z dont les conséquences sont analysées dans les lignes qui suivent. 15 La formule suivante est l'oeuvre exclusive de la présente invention où toutes les intégrales ont la même borne inférieure 0, et la même borne supérieure 1 : 1f t•Jo(p•t)•exp(j•bo•z•ta) dt I2=po(p;bo•z)•(4•I Jt•expG•bo•z•t2) dt 1 .1f t.Jo( p.t) dt I2 =go(p;bo•z)•Mu(bo•z)•(J1(p) /p) (EQ.INVENT.U) avec Mu(bo.z)= [ sin(bo•z /2) /(bo.z /2) ] 2 où sin est la fonction trigonométrique sinus, où Jo et 20 Ji sont les fonctions de Bessel de première espèce d'ordre 0 et 1 respectivement. Dans une région du champ de phase focal (4) telle que la fonction io vaut 1 la distribution de l'intensité dans un plan transversal est la même que celle du plan focal à un facteur multiplicateur près, lequel est égal au facteur Mu(bo•z) qui mesure l'effet du déphasage longitudinal bo.z. Les propriétés remarquables suivantes sont intéressantes: uo(13=0;bo•z)=1, go(p;bo•z=0)=1, 25 et de façon quasi exacte go(p;bo•z)=1 dans toute la zone définie par {-0,7 rd angle 8=8o4 où eo est l'an- 5 gle d'attaque focal qui caractérise le système faisceau-lentille" utilisé, où t compris entre 0 et 1 est le paramètre qui permet de désigner le rayon considéré ( par exemple t =1 pour un rayon marginal ). On obtient la valeur de la longueur z' du zigzag déployé : z' = z /cose z /(1-8'/2) = z-(l +Go'•ta/2) A une constante additive indépendante de t prés, laquelle ne joue aucun rôle, le déphasage 10 causé par la longueur z' du parcours méridien est : n• 6o' •z•t'/À=bo.z-t' Pour obtenir la phase pour le rayon considéré et pour le plan transversal situé à la distance z de l'entrée du tunnel, il faut ajouter à sa phase de l'entrée du tunnel le déphasage causé par le parcours en zigzags effectué dans le tunnel, soit au moins bo.z-t`. Voici un exemple pour illus- 15 trer comment les zigzags déforment la fonction de phase : Soit considéré le cas où la position du point focal effectif est enfoncée dans le tunnel jusqu'à une distance z de l'entrée de ce dernier de telle façon qu'un rayon de lumiière laser, à l'exception du rayon axial, c'est à dire indexé par une valeur non nulle du paramètre t, est obligé d'effectuer le parcours en zigzags pour atteindre ladite position focale. Or la phase longitudinale 20 dudit rayon à l'entrée du tunnel est bo.z-t', la phase dudit rayon à la position focale enfoncée est donc au mons 2.bo.z-t' radian. Le comportement des faisceaux gaussiens vis à vis du déphasage est absolument identique. Pour un faisceau monomode gaussien focalisé (3) transportant une puissance P, la fonction f(ao-t) de l'équation (EQ.INT) étant telle que f(ao-t)=exp(-ao'-t'), la fonction d'intensité I(M) en 25 un point M du champ de phase focal (4) est : I(M)=I(r,z)=(4bo /a).(n-ao'-F02).1 Jt•exp(-ao'-t')-Jo(p-t)-exp(j-bo-z-t') dt l' où l'intégrale est à effectuer en faisant passer t de 0 à 1, où j est le nombre imaginaire tel que j'=-1, où Jo est la fonction de Bessel de première espèce d'ordre O. Comme la puissance P, le demi diamètre ao=Do /2 du faisceau mesuré à la sortie immédiate 30 de la "lentille" et l'amplitude Fo dudit faisceau sont liés dans la relation suivante où l'intégrale est à effectuer en faisant passer t de 0 à 1 : P=2rc•ao2-Fo 2 Jt-exp(-2.ao2-t') dt =i .ao'-Fo'•[ 1-exp(-2-ao') l / (2-ao') On a , l'intégrale étant à effectuer en variant t de 0 à 1 : I(M)=I(r,z)=8-bo-ao' If À. [ 1-exp(-2ao') ] }If t-Jo(p.t).exp[-ao 2-t 2-(l-j.bg.z-t 2) l dt I'- P 35 On a la proportionnalité attendue entre l'intensité I et la puissance P de la forme I=lo . P avec : lo=8-bg /{ À- [ 1-exp(-2ao') l } - lit • Jo(p /ao - t) - exp[-t'd1-j-bg-z•t') ] dt I' (EQ.Io.G) où l'intégrale est à effectuer en faisant passer t de 0 à ao, où bg=bo /ao 2 ; Io est l'intensité uni-taire exprimée en watt par cm2 par watt, soit en cm-2. 2903923 38 Du fait de la valeur finie des diamètres extérieurs des faisceaux d'où il résulte une valeur pratique de ao bien inférieure à 2, le faisceau gaussien est tronqué de sa partie périphérique où l'amplitude du faisceau n'est pas encore négligeable si bien que la structure du faisceau focalisé (3) ne coïncide avec une gaussienne qu'à l'intérieur d'une petite zone,définie par le couple 5 de phases transversale et longitudinale (13;.o), du champ de phase focal (4). A fin d'analyse et de contrôle du faisceau, la formule suivante où l'intégrale se fait de t=0 à t=ao est l'oeuvre exclusive de la présente invention : I ft•Jo(p•t /ao)•exp[-t 2 (1-j•bg•z•t') ] dt 12 = ug(p;bg•z) • Mg(bg.z) exp[-2 • [3 2/ao 2 . Mg(bg.z)] (EQ. INVENT.G) 10 où Mg(bg•z) est donnée par l'intégrale suivante, effectuée de t=0 à t=ao : Mg(bg.z) = I f t•exp[-t2•(1-j•bg•z) l dt 12 = [1-2•exp(-ao 2)•cos(bg•z)+exp(-2ao 2) ] /{ 4 . [1 +(bg.z) 2] } La différentielle de la puissance unitaire dPo = lo•d(n•r2) concentrée dans la couronne circulaire infinitésimale d(n•r2) où d(...) est la différentielle de l'expression se trouvant entre parenthèses, établie à partir de (EQ.lo.G) et de (EQ.INVENT.G) pour une valeur de bg•z donnée, c'est à dire dans un plan transversal donné,montre que dans la zone définie par le couple des paramètres optiques (p;bg•z) où p.g=1, la fonction Io coïncide avec une gaussienne : lo•d(n•r2) = ug(p;bgz)•{1/ [1-exp(-2•ao2)] }.exp[-2- (p lao)2•Mg(bg•z)]• d [2•(p/ao)2•Mg(bg•z)l dPo = ..g(p;bg•z) • {1 / [1-exp(-2ao')l } • d {1-exp[-2•(p lao) 2•Mg(bg•z)] } 20 Tableau T.4 I p (rd) 0 1 /(0.1) I /(0,2) I /(0,3) I /(0,4) I /(0,5) I /(0.6) I /(0,7) I /(0,8) I. 1 ug 1 1 11,0012 1 1,0024 11.0036 11,0047 11.0057 11,0068 11,0078 11.00871 1 Io /bo 1 789 1 774 I 760 [ 746 I 732 I 718 I 705 I 691 I 678 [ /09 1 /11 /12 /13 14 /15 /16 /17 1 0096 1 0104 1 0112 1 0120 1 0127 1 0134 1 0140 1 0146 1 0151 1 Io Ibo 1 665 1 653 1 640 1 628 1 616 1 604 1 593 1 581 1 570 I I a 1 /(1.8) I /(1,9) 1 /2 I /(2,1) 1 /(2,2) I /(2.3) 1 /(2.4) I /(2,5) 1 /(2,6) I 1 0156 1 0161 1 0164 1 0168 1 0170 1 0173 0175 0177 1 1 1 0177 1 Io /bo 559 [ 548 I 538 I 527 I 517 I 507 I 497 I 487 I 477 I 30 I R 1 /(2,7) I /(2,8) I /(2,9) I /3 I /(3.1) I /(3.2) I /(3.3) 1 /(3,4) 1 /(3,5) 1 ug 11,0178 11,0178 1 1,0177 1 1.01761 1,0174 11,0172 1 1,0169 11,0166 11. 0162 [ 1 lo /bo 1 468 1 459 1 450 1 441 1 432 1 423 [ 415 1 406 1 398 1 13 1 /(3,6) 1 /(3,7) [ /(3,8) 1 /(3,9) 1 2 1 /(4,1) 1 /(4,2) 1 /(4,3) [ /(4.4) I I ug 1.0158 11,0153 1 1,0147 1 1,0141 1 1.0135 [ 1,0128 1 1,0120 1 1,0112 1 1,01031 35 1 Io /bo 1 390 1 382 [ 374 [ 367 1 359 1 352 1 345 1 337 1 330 1 1 i3 1 /(4.5) 1 /(4,6) 1 /(4.7) 1 /(4.8) 1 /(4.9) 1 /5 I /(5.1) I /(5.2) 1 /(5.3) 1 ug 11.0093 1 1,0083 1 1,0073 1 1,0061 1 1,0050 1 1,0037 1 1,0024 11,0011 10,99961 1 Io Ibo 1 324 l 317 1 310 1 304 1 297 [ 291 1 285 1 279 1 273 1 25 5 10 15 20 25 30 35 2903923 39 I_g 1 /(5,4) I /(5,5) I /(5,6) 1 /(5,7) I /(5,8) I /(5,9) 1 /6 I /(6,1) Il (6 .2) I u9 10,9982 10.9966 10,9950 10,9933 1 0.991 6 1 0,9898 10,9880 10,9861 10, 9841 1 1 Io/bo 1 267 1 262 1 256 1 250 [ 245 1 240 1 235 1 229 1 224 1 1 13 1 /(6.3) I /(6,4) 1 /(6.5) 1 /(6,6) 1 /(6,7) 1 /(6,8) 1 /(6,9) 1 /7 1 /(7,1) 1 1 ug [0,9820 10,9799 10,9778 10,9755 10,973210,9709 10,9685 10,9660 10,9634 1 lo /bo I 220 1 215 1 210 1 205 1 201 1 196 1 192 1 188 1 183 1 13 1 /(7,2) 1 /(7,3) 1 /(7,4) j /(7,5) 1 /(7,6) 1 /(7,7) 1 /(7,8) I /(7,9) 1 /8 I 1.' 1 0.9608 10,9581 10,9554 10.9525 1 0,9497 1 0,9467 10,9437 10,9406 10,93751 1 Io /bo 1 179 1 175 1 171 1 167 1 164 1 160 1 156 1 153 1 149 1 13 1 /(8,1) 1 /(8,2) 1 /(8,3) j /(8.4) 1 /(8.5) 1 /(8,6) 1 /(8,7) 1 /(8,8) 1 /(8.9) 1 1 u9 10,9343 10,9310 10,9277 10,9243 1 0,9208 1 0, 9173 10,9136 10.9100 10.90621 1 Io Ibo 1 146 1 142 1 139 1 136 1 132 1 129 1 126 1 123 1 120 1 13 I 3 1 /(9,1) 1 /(9.2) 1 /(9,3) (/(9,4) 1 /(9,5) 1 /(9,6) 1 /(9,7) 1 /(9.8) 1 u9 10,9024 10.8986 j 0,8946 10,8906 10,886610,8824 10,8782 j 0,8740 10,86961 1 Io /bo 1 117 1 115 1 112 1 109 1 106 1 104 1 101 j 99 1 96 1 l3 1/(9.9) 1 /10 1 /(10.1)1 /(10,2)1/(10.3) 1 /(10,4) 1 /(10,5)1 /(10,6)1/(10.7)1 I ug 10,8652 10,8608 10,8562 10, 8517 1 0,8470 1 0,8423 1 0.8375 10,8326 j 0,82771 1 Io /bo 1 94 1 92 1 89 1 87 1 85 1 83 1 81 1 78 1 76 1 I /(10,8)1 /(10,9)1 /11 1 /(11,1)1/(11.2)1 /(11,3)1 /(11,4)1 /(11,5)1/(11.6)1 1 uq 10,8228 10,8177 10,8126 10,8075 1 0.8022 1 0,7970 10,7916 10,7862 10,78071 1 Io /bo 1 74 1 73 1 71 1 69 1 67 1 65 1 63 1 62 1 60 1 1 I3 1 /(11.7)1 /(11,8)1 /(11,9)1 /12 11(12.1)1 /(12,2) 1 /(12.3)1 /(12,4) 11(12,5)1 ug 10.7752 1 0,7696 10,7640 10,7583 10,7525 10,7467 10,7408 10,7349 10,72891 1 Io /bo 1 59 1 57 1 55 1 54 1 52 1 51 1 50 1 48 1 47 1 1 [3 I /(12,6) 1 /(12,7)1 /(12.8)1 /(12,9)1 /13 1 /(13,1)1 /(13.2)1 /(13,3) (1(13,4)1 u9 10.7228 10,7167 10,7106 10.7044 10,6981 1 0,6918 10.6854 10,6790 10,67261 1 Io /bo 1 45 1 44 1 43 1 42 1 40 1 39 1 38 1 37 1 36 1 1 l3 1 /(13.5)1 /(13,6)1 /(13.7) 1 /(13.8)1/(13,9)1 /14 1 /(14,1)1 /(14,2) (1(14.3)1 0 6661 0 659 0 6529 0 6462 0 6396 0 6328 0 6260 0 6192 0 6123 1 Io /bo 1 35 1 34 1 33 j 32 j 31 1 30 1 29 j 28 1 27 13 I /(14,4)1 /(14,5)1 /(14.6)1 /(14,7)1/(14.8)1 /(14.9)1 /15 1 /(15.1) 11(15.2) 1 I uq j 0.6054 10.5985 1 0.5915 j 0.5845 1 0,5774 1 0,5703 10,5632 10,5560 a 0.5488 I 1 Io /bo 1 26 1 26 1 25 1 24 1 23 1 22 1 22 1 21 1 20 1 13 1 /(15,3)1 /(15,4)1 /(15.5)1 /(15.6) (1(15,7)1 /(15.8)1 /(15,9)1 4 1 u9 10.5416 10,5344 10,5271 10,5198 10,512510,5051 10.4977 j 0.4903 1 1 Io /bo 1 20 1 19 1 18 1 18 1 17 1 16 1 16 j 15 1 Le tableau T.4 est composé pour z=0 c'est à dire pour le plan focal effectif. Etant donné que le noyau focal vérifie la condition :-0,5 radian 3,2 radians) dans laquelle la puissance résiduelle restante n'est plus que de 10%. En même temps que pour l'évaluation du caractère gaussien de la distribution de l'intensité, l'assise physique de (EQ. RPA Bis) est donnée avec la même évaluation dont il faut tenir 25 compte dans l'emploi de (EQ. RPA Bis) comme formule d'ajustement. Tableau T.5 1 bg z I R I 0,5 I 1 I 1.5 1 2 I 2,1 1 2,2 I 2, 3 1 I = I uq 1 1,002 1 1,008 1 1,011 1 1.003 10,999 10,994 10,988 1 0,32 I 5 I 2.4 1 2.5 I 2,6 I 2,7 I 2,8 13 I 3.2 I 30 I 1 >J.g 0,980 1 0.971 10,959 10,946 10,931 1 0,893 10,845 I bg-z 1 13 1 0,25 1 0,5 1 0,75 1 1 1 1,25 1 1,5 1 1,75 1 I = I ug 1 1.000 1 1,002 1 1.004 1 1,006 1 1,008 1 1,008 1 1,005 p I 2 I 2,2 1 2,4 I 2,6 I 2.8 I 3 I 3,2 1 I 1 ua 1 0.998 1 0,988 1 0.973 1 0,953 1 0,925 10,888 10,842 I. 35 1 bg.z I c 0 4 0 8 1 1 2 1 4 1 6 1 8 I = I ug 11,000 11,003 11,003 11,004 11.003 11,001 10,997 1 0, 5 1 R 1 2 1 2,2 1 2.4 1 2,6 1 2,8 1 3 1 3,2 1 I 1 ug 10,990 1 0,979 10,963 10.942 10,915 10.8801 0.837 j 2903923 43 Non seulement le noyau focal, ( tel qu'il a été défini dès la page 2 du présent document c'est à dire un morceau de champ de phase focal (4) d'épaisseur géométrique L dontl'épaisseur optique 4)o=bo.L est inférieure ou égale à 1,4 radian ), y concentre toutes les qualités à la fois de phase, de régularité et de haute performance de toutes les caractéristiques énergétiques, 5 lesdites qualités se prolongeant par continuité mathématique au voisinage dudit noyau focal au delà duquel lesdites propriétés ondulatoires se dégradent progressivement, mais ce qui est remarquable et qui s'avère être d'une supériorité absolue c'est que ledit noyau focal cache en réalité une condition géométrique spéciale qui fait que le long de la longueur L du tunnel logé intégralement dans ledit noyau focal, le faisceau qui s'y chemine pour réaliser la coupe 10 est favorablement prédisposé à y développer les performances les plus élevées par interférence des rayons de lumière laser composant le faisceau lesquels, à l'exception d'une infime minorité, à chaque étape de progression du faisceau dans le tunnel, y arrivent en lignes droites pour bénéficier d'une fonction de phase non déformée de la plus haute qualité d'où résultent intensité et puissance unitaires les plus élevées possibles, ceci de façon constante indépendamme t de la valeur de L, tant que $o=bo-L /(1,25) 2=0,896 rd) , les rayons de lumière laser composant le faisceau ne peuvent pas atteindre le point F en lignes droites dans leur ensemble , ce qui implique qu'ils y arrivent déphasés par suite des réflexions multiples sur les parois du tunnel et que par conséquent ledit point F a perdu sa propriété privilégiée d'être le point focal effectif du système, est achévée comme il fallait. L'examen de la découpe laser classique des métaux, en particulier de sa capacité en terme d'épaisseur L des plaques de métal coupées en fonction de la puissance de faisceau, est le moment cruxial du présent exposé sur le système classique. 30 Le premier point marquant est le plafonnement de la capacité de coupe classique : l'épaisseur maximale connue de coupe de l'acier de construction - qui de plus est faite sous l'assistance de l'oxygène - est entre 3 et 4 centimètres, avec un faisceau laser gaussien à CO2 dans la gamme de 6 kilowatt. On a envisagé de réaliser la coupe d'une plaque d'INOX de 3 cm d'épaisseur à l'aide d'un faisceau gaussien à CO2 de 6 kilowatt, mais à ce jour le résultat n'a 35 pas encore été confirmé ni dans un sens ni dans l'autre. Par ailleurs, bien que les laser de puissance beaucoup plus élevée existent, il n'a pas été fait état d'épaisseurs de coupe plus élevées alors que ce ne sont pas les besoins de coupe qui manquent. Force est de conclure que c'est la capacité de répondre aux besoins qui a fait défaut. Plus exactement,c'est la chute 2903923 50 rapide des caractéristiques énergétiques unitaires c'est à dire de la performance, dans le domaine de coupe des grandes épaisseurs, qui rend le procédé de coupe laser anti-économique à tel point que ce dernier s'est fait éliminer de la compétition technologique devant d'autres procédés traditionnels moins coûteux et jugés acceptables du fait de la carence du système 5 laser classique dans ledit domaine d'épaisseurs de coupe. L'épaisseur maximale de coupe d'une machine laser de puissance donnée est connue, elle est indiquée par le fabricant de la machine sur les fiches techniques souvent sous forme de courbe de performance de coupe représentant la vitesse de coupe portée en ordonnéé en fonction de l'épaisseur d'un métal donné portée en abscisse, pour une puissance donnée du 10 faisceau de longueur d'onde donnée, avec indication de la distance focale utilisée. D'où est déduite la valeur du paramètre bo. L'abscisse du dernier point de la courbe, de vitesse nulle ou quasi nulle, définit l'épaisseur maximale L de la coupe. Le critère de l'épaisseur optique bol associée à chaque coupe préside au présent examen de la coupe classique. Les caractérisques énergétiques de la tâche d'impact de l'extrémité de 15 sortie du tunnel de coupe classique qui ne sont pas calculables à cause de la mise en jeu d'un nombre élevé de paramètres non maîtrisés ( chemins optiques en zigzags compliqués qui dépendent de surcroît de la qualité des parois qui dépend à son tour du hasard et de l'habileté hypothétique et aléatoire de l'opérateur classique, espace minimal de passage dans le tunnel non défini, etc ...) sont évaluées à l'aide de leurs limites supérieures qui ne peuvent pas être 20 atteintes par le système classique. Lesdites limites supérieures sont les caractéristiques énergétiques du disque centré sur l'axe optique focal de demi diamètre optique p=3,6 radians situé dans le plan transversal de l'extrémité de sortie du tunnel de coupe, calculées dans les conditions telles que chaque point dudit disque soit accessible en lignes droites par tous les rayons de lumière laser composant le faisceau depuis la surface d'onde formée à la sortie 25 immédiate de la "lentille". Tout se passe comme si la masse de métal était transparente au faisceau laser ! Lesdites caractéristiques énergétiques limites supérieures sont de ce fait les caractéristiques fictives mais dont l'intérêt réside dans la certitude que leurs valeurs qui sont les fonctions du déphasage et qui sont calculables sont supérieures aux valeurs correspondantes classiques réelles tout en étant les plus proches, ce qui fait d'elles un outil compara- 30 teur de choix pour l'évaluation des conséquences du déphasage donc de l'épaisseur optique bo-L sur la performance de coupe . La puissance d'action unitaire dudit disque terminal est calculée en fonction de l'épaisseur optique bg-L (en radian ) du tunnel (où bg=bo lao' avec ao =1,25) , le plan focal effectif coîncidant avec le plan d'entrée du tunnel . Ses valeurs sont consignées dans le tableau T.11 ci-dessous. 35 Tableau T.11 I bg-L j 0 1 1 I 2 I 3 I 4 j 5 1 827 1 9.92 1 14,88 1. 1 Po 1 0,94 1 0.85 j 0,62 1 0.38 I 0,22 1 0,15 1 0.0593 j 0,04381 0.01981 La lecture du tableau T.11 montre que la puissance unitaire Po qui est le pourcentage de la 2903923 51 puissance P du faisceau focalisé (3) confiné à l'intérieur du disque considéré est nettement décroissante en fonction de l'épaisseur optique bg-L. La dernière colonne du tableau T.11 est éloquente où on peut lire Po=0,0198 pour une longueur optique bo-L=(1,25) 2.14,88=23,25 rd soit 16,61 fois la limite nuccléaire focale. La différence, entre les 94% de la puissance qui ont 5 pénétré dans le tunnel et les 2% qui restent confinés dans le disque de sortie du tunnel , est dispersée partout où celà est possible, c'est à dire sur les parois du tunnel. La coupe laser classique du métal se fait de façon empirique et irrationnelle : l'utilisation de l'oxygène appliquée à la coupe de l'acier dit noir, de l'acier innoxydable et même de l'aluminium en est l'illustration. La coupe laser sous l'assistance de l'oxygène est hasardeuse dans 10 le sens que ses résultats ne se recoupent pas de façon reproductible, c'est pourquoi il n'y a pas d'intérêt à la présenter ici sauf pour dire que même aidée par l'énergie provenant de la combustion, la coupe laser de l'aluminum n'a pas amélioré sa performance qui est d'une médiocrité notoire. Trois cas de coupe de l'INOX sous jet de gaz d'azote sont examinés correspondant aux trois 15 dernières colonnes du tableau T.11. Les valeurs limites supérieures des puissance d'action P' /A (watt /cm) doivent permettre de révéler, à travers leur concordance ou divergence apparente, le contenu physique et circonstancielle de la coupe laser classique. 1) Coupe de l'INOX sous 15 bars d'azote [ d'après les fiches techniques de PRC LASER ] ; puissance du faisceau P=2200 watt ; faisceau gaussien ; diamètre à 1 /e' Dg=1,5 cm ; 20 diamètre extérieur Do=1,8 cm ; ao=1,811,5=1,2 ; longueur d'onde À-0,00106 cm ; distance focale effective f=5.2,54=12,7 cm ; d'où bg=10,34 radians /cm ; capacité de coupe L = 0,8 centimètre. D'où bg-L=8,27 radians. Le tableau T.11 donne : Po=0,0593 Po/A=7,21 cm-1 P'/A=15871 watt /cm. Remarque : pour la totalité des calculs du présent document, la valeur de ao est prise égaleà 25 la moyenne courante 1,25. On peut s'assurer que la variation de toutes les caractéristiques énergétiques en fonction de ao étant très lentes, de petites fluctuations des valeurs pratiques de ao autour de 1, 25 n'altèrent en rien l'exactitude des résultats. 2) Coupe de l'INOX sous 15 bars d'azote ; puissance du faisceau P=3500 watt ; faisceau gaussien de longueur d'onde À=0,00106 cm ; diamètre à 1 /e' Dg=1,8 cm ; diamètre extérieur 30 Do=2,2 cm ; ao=2,2 /1,8=1,22 ; distance focale effective f=7,5.2,54=19,05 cm ; d'où bg=6,615 rd /cm ; capacité de coupe L=1,5 cm ; d'où bg-L=9,92 radians . Le tableau T.11 donne : Po = 0,0438 Po/A= 4,26 cm-1 P'/A=14913 watt /cm. 3) Coupe de l'INOX sous 15 bars d'azote avec le même faisceau doté de la même puissan-35 ce P=3500 watt qu'en 2); distance focale effective f=5.2,54=12,7 cm ; d'où bg=14,88 rd /cm ; capacité de coupe L=1 cm ; d'où bg-L=14,88 radians . Le tableau T.11 dpnne : Po = 0,0198 b Po /A = 2,89 cm-1 P' /A = 10116 watt /cm. Ce qui ressort avec force est l'extrême faiblesse de la valeur des performances représentées 2903923 52 par les puissances d'action unitaires Po /A , et ces dernières ramenées sous la forme (...) //L ( où le symbole " / " représente l'opération mathématique de racine carrée) à fin de comparaison avec la valeur 25 /VL obtenue par le système à noyau focal de la présente invention, sont pour les trois cas, L étant exprimée en cm , respectivement de : 5 6,45 i/L 5,22 /VL 2,89 //L (en cm-1 ) Le troisième cas prsente une valeur P' /A qui est de 10116 watt /cm et qui s'écarte d'environ 50% des deux cas précédents. Ce dernier cas est aussi celui où la dispersion de la puissance laser sur les parois du tunnel de coupe est la plus forte à cause de la plus forte valeur de l'épaisseur optique bg-L qui est de 14,88 rd . La logique inhérente et sous-jacente à cette discordance apparente implique que cette dernière doit être contre balancée par le fait que la convection gazeuse de l'azote a joué un rôle dans la récupération de la chaleur dispersée sur les parois du tunnel pour la projeter sur la tâche d'impact. Etant donné que les valeurs de n-K•To /E correspondant à la température To de fusion des différentes catégories de l'INOX sont comprises entre 25000 watt /cm et 40000 watt /cm, il en 15 résulte que la valeur du facteur y mentionné à la page 12 du présent document est nettement supérieur à 2, dans les conditions bien particulières propres à la coupe laser classique caractérisée par une grande dispersion de l'énergie laser sur les parois du tunnel de coupe. Il faut tout de suite dissiper l'illusion sur le rôle et l'efficacité de la convection gazeuse. Car son rôle est dû à la grande quantité d'énergie disponible ! sur les parois et à la circonstance d'une 20 longueur de tunnel assez petite, son innefficacité est évidente devant la conductivité thermique des métaux contre laquelle seule une concentration suffisante de puissance, c'est à dire une puissance d'action P' /A suffisante telle que prévue par l'équation d'ajustement ( EQ.RPA Bis) et parfaitement maîtrisée tout le long du tunnel, est capable de lutter efficacement pour obtenir une coupe de qualité contrôlée avec une vitesse prévisible (à partir de la seule con- 25 naissance des paramètres physiques accessibles des matériaux et des métaux) . En conclusion du présent exposé sur le système classique, la défaillance de ce dernier est imputée au concept de " tâche focale réduite inconditionnelle " dont le rôle est néfaste dans la fixation du système conceptuel classique et qui est parfaitement illustré par les trois cas de coupe de l'INOX sous haute pression d'azote où on a pu noter dans le dernier cas la limite 30 tolérable de l'incohérence, ladite limite étant concrétisée par l'extrême faiblesse de la fraction de la puissance ( moins de 2%) restant confinée dans la tâche d'impact de sortie du tunnel , ce qui explique la limite de capacité de coupe classique au delà de laquelle la coupe est bloquée, une augmentation de la puissance P étant quasi inopérante. Le tableau T.12 doit permettre de connaître la valeur numérique du maximum théorique mais 35 irréalisable de (Po /A)-VL sur le disque de sortie du tunnel de longueur L donnée. Tableau T.12 141 I 1 I 2 I 3 I 4 1 5 1 S I I (Po /A) •/ L f 32.19 I 33,03 1 24.81 1 16,84 1 12,65 1 10,58 l 2903923 53 Une remarque préliminaire : les valeurs des puissances d'action unitaires Po /A du tableau T.12 ainsi que la valeur maximale 25 //L obtenue pour le système à noyau focal pour la puissance d'action unitaire du disque de sortie du tunnel de longueur L, ont été calculées pour la longueur d'onde du laser à CO2 soit 0,00106 cm ; pour toute autre longueur d'onde A. (en 5 centimètre ) il suffit de mutiplier par V(0,00106 /À) les valeurs desdites puissances d'action unitaires pour obtenir les valeurs des grandeurs homologues correspondant à la longueur d'onde À pour les mêmes valeurs des épaisseurs optiques bo-L Par exemple, les valeurs des puissances d'action unitaires Po /A pour le laser YAG de longueur d'onde À=0,000106 cm sont /10 fois celles calculées pour le laser à CO2 sus mentionnées. 10 Le tableau T.12 utilisant les valeur de la puissance unitaire Po du tableau T.11 représente les valeurs des puissances d'action unitaires Po /A du disque de sortie de demi diamètre optique 5=3,6 radians du tunnel de longueur L, qui ne pourraient être obtenues que si tous les rayons de lumière laser composant le faisceau pouvaient cous et sans aucun entrave ri empêche-ment par aman deux attendre en lignes droites n'importe quel pont du critique de salie du 15 tunnel sans même avoir à passer pr rentrée duit tunnel par certains deux qui autrement auraient soit à subir des déphasages agravés dûs au cheminement en zigzags vrillants comprimés à l'intérieur du tunnel, soit simplement manqué leur destination par empêchement ou snpossi*é géométrique. Vue la nature physiquement surréaliste des conditions qui accompagnent leur réalisation, 20 lesdites valeurs des puissances d'action unitaires sont seulement des valeurs calculables mais physiquement irréalisables. Le but de leur présentation est de faire connaître leur maximum absolu soit 33 //L Or force est de constater que, d'une part ce maximum absolu n'est pas de valeur plus élevée que la valeur de Po /A obtenue par le système à noyau focal pour le disque d'impact d'extension minimale à l'entrée du tunnel de coupe ( pour 4o=bo-L=1 radian ) 25 soit 32,3 //L et d'autre part ledit maximum absolu n'est supérieur à la valeur 25 //L ( obtenue pour .4)0=1 rd) pour le disque de sortie du tunnel de coupe qu'en étant séparé par un fossé de largeur raisonnablement modérée, par ailleurs réductible par un relèvement circonstanciel de régime de fonctionnement au dessus du régime minimal comme expliqué quelques lignes plus bas. Ledit fossé s'explique par l'impossibilité d'accession à des zones plus étendues du 30 disque de sortie du tunnel pour une partie des rayons de lumière laser les plus marginaux, ( voir le paragraphe suivant consacré au faisceau dans le tunnel) , ce qui implique une puissance unitaire Po moindre, d'où résulte naturellement une valeur moindre de la puissance d'action unitaire soit 25 //L En fin de compte, la valeur 25 //L s'avère être la plus grande va- leur possible de la puissance d'action unitaire physiquement réalisable sur le disque de sortie 35 du tunnel de longueur L donnée, ce qui démontre la supériorité absolue du système à noyau focal pour la coupe. La démonstration vaut pour tous les laser de puissance notamment pour le laser YAG d'après la remarque préliminaire faite ci-dessus. Il faut noter que la valeur 25 //L se réfère à un régime de fonctionnement minimal utilisant une 2903923 54 puissance P de faisceau juste suffisante pour réaliser la coupe d'épaisseur L donnée. Au cas où pour de multiples raisons le régime de fonctionnement se trouve relevé au-dessus du régime minimal de fonctionnement utilisant une puissance de faisceau P beaucoup plus élevée par rapport à la valeur minimale requise, l'excès de puissance disponible pourrait contri- 5 buer à élargir quelque peu le volume de passage dans le tunnel par rapport à l'espace minimal de passage prévu ( voir paragraphe suivant ), ce qui contribue à ce qu'un nombre plus élevé de rayons de lumière laser les plus marginaux qui étaient dans l'impossibilité géométrique de le faire en régime minimal de fonctionnement, de participer à l'interférence constructive, ce qui en fin de compte contribue à relever au-dessus de 25 //L ( cm-1 ) la valeur de la puissance 10 d'action unitaire du disque de sortie du tunnel , ce qui réduit positivement le petit fossé qui la sépare du maximum absolu, la puissance excédentaire étant convertie en accroissement de vitesse de coupe. La valeur de l'épaisseur optique (po du noyau focal (co 46//L 1 la forte inégalité se maintient pour toutes les valeurs pratiques possibles de L (en centimère ), 20 devient encore plus forte pour une longueur d'onde plus courte comme celle du laser YAG par exemple laquelle est dix fois plus courte que celle du laser à CO2 . La hauteur O'o du tronçon de cône EE'Q est telle que : EE' /O'o = Do / (f-L /2 + O'o) - Do If = 2-eo c O'o - bo =1,4 radian (=1,2 radian pour un faisceau à structure spatiale uniforme). O'o n'est autre que la limite nucléaire focale Lo . 25 La coupe selon le système à noyau focal de la présente invention est telle que la réalisation du tunnel par le faisceau vise impérativement ( toute condition nécessaire et suffisante qui est réduite à la fourniture d'une valeur minimale de la puissance P du mode fondamental du faisceau, étant préalablement satisfaite) la réalisation d'un espace minimal de forme tronconique dont le disque d'amont a pour demi diamètre optique [3=2,8 radians et le disque d'aval, en 30 chaque point duquel interfèrent les rayons qui arrivent en lignes droites depuis la surface d'on-de à la sortie immédiate de la " lentille ", qui est le disque d'impact d'extension minimale de l'extrémité de sortie du tunnel a un demi diamètre optique de l'ordre de 0,6 =1,68 radian . L'évaluation de ladite condition nécessaire et suffisante à satisfaire se ramène à l'évaluation des caractéristiques énergétiques comme de la puissance d'action unitaire sur le disque de 35 sortie du tunnel . Voici comment : Avec 4)0=1 rd, (il faut se reporter à la figure Fig.9) le cône O0'EE'SS'o découpe dans le plan de sortie P2 du noyau focal le disque SS' dont le demi diamètre optique [3 est de R=0,8 radian d'après un calcul de géométrie élémentaire. En chaque point dudit disque SS' l'amplitude d'où 2903923 57 résulte l'intensité provient de l'interférence constructive de la totalité des rayons de lumière laser composant le faisceau qui y arrivent tous en lignes droites. Mais en un point P " du plan P2 situé à l'extérieur du disque SS' , seule une partie des rayons composant le faisceau laser qui pénètrent dans le tunnel de coupe peuvent arriver en lignes droites pour y interférer. Ladite 5 partie est d'autant plus réduite que le point P " considéré est plus éloigné de l'axe optique. En rapportant le plan P2 à un repère orthonormé (x ; y) centré en O " tel que le point P " considéré a pour coordonnées (0 ; n -8o) où n est un nombre positif plus petit que l'unité et so est le demi diamètre géométrique du trou d'entrée du tunnel EE' , il s'avère que peuvent atteindre en lignes droites ledit point P " du plan P2 ceux des rayons de lumière laser qui proviennent de la 10 zone notée Zq du plan tangent à la surface d'onde située à la sortie immédiate de la " lentille " et constituée ( comme illustrée sur la figure Fig.11) par deux demi disques DP et DG accolés par leur diamètre commun situé dans le plan (O"x, F) et parallèle à l'axe O"x ; DP qui est plus petit, est situé du même côté que le point P " par rapport au plan (O"x, F) et a pour diamètre q-Do , q étant un nombre compris entre zéro et un ; DG situé du côté opposé à P " a le même 15 diamètre Do que le faisceau entier , q et n étant liés par la relation suivante : n=1 -(L/Lo)-q=1 -(80/1,4)-q=1-q/1,4 En effet, soit P un point quelconque appartenant à la zone Zq et soit P ' le point d'intersection du plan Pt avec le segment de droite PP ", la présente invention révèle que le point P ' appartient au disque d'entrée du tunnel EE' centré en O' dont le demi diamètre est noté 6o. Par rap- 20 port au repère orthonormé (x ; y ; z) centré en O", l'axe des z étant porté par l'axe focal O"F, les coordonnées des trois points P " , P ' et P sont notées respectivement comme suit : P": (0;n-8o; 0). P': (x;y;L). P : (X;Y;f'-i-L/2). En exprimant que P"P et P"P' sont parallèles et en négligeant L /f ' devant l'unité, ce qui est légitime dans le cas présent d'après une démonstration précédente, il se fait que : 25 x=(L/f')-X et y=rl-so+(L/f')-Y d'où résulte l'expression attendue du carré de la distance O'P' : x2+y2=(L/f')2-(X2+Y2)+n2-802+2-n-6o-(L/f')-Y (EQ.INEQ) - Ou bien P appartient à DP de diamètre q-Do , ce qui fait que 0 1,12 rd , celle qui apparemment pourrait poser le plus de problème est la valeur (1)0=1,4 rd. Même pour ce cas 10 limite, l'analyse minutieuse de l'équation (EQ. INEQ) révèle que c'est seulement pour une infime partie des rayons, ceux provenant de deux zones symétriques proches du diamètre commun et de la circonférence du demi disque DG , que le point P' où le rayon de lumière laser PP " rencontre le plan d'entrée du tunnel Pt ne satisfait pas l'inégalité O'P' normale sur la figure ). De ce système résultent la surface d'onde émergeante QQ' tangeante au point O de l'axe optique à la "lentille" (2) et le faisceau focalisé (3) baignant 35 dans le champs de phase focal (4) (qui est la totalité de l'espace en aval de la surface d'onde QQ'). De ce système résultent le point focal effectif F, la distance focale effective OF et l'angle d'attaque focal eo, formé par l'axe optique focal OF et un rayon marginal QA" orthogonal à la surface d'onde QQ' (en pratique eo = Do 42-OF1 ). Le phénomène d'aberration sphérique y 2903923 62 est représenté : un rayon marginal QA" orthogonal à la surface d'onde QQ' au lieu de converger en le point focal effectif F converge en A", A"F est la longueur de la caustique axiale (notée L' dans le texte); tout autre rayon convergeant ( orthogonal à la surface d'onde QQ') moyen tel que M'M" converge en un point M" appartenant au segment A"F. 5 En vue du calcul des propriétés optiques et énergétiques, un point quelconque M du champ de phase focal (4) est représenté par sa distance r à l'axe optique focal HM=r avec HF=jzI (=valeur absolue de z, dans les formules expliquées dans le texte z est compté positivement quand H est en amont de F et négativement quand H est en aval de F). Un point générique quelconque M' de la surface d'onde est représenté par sa distance y à l'axe optique focal 10 H'M'=y. Lorsque le point M' n'appartient pas au même plan méridien que le point M comme sur la figure Fig.5 actuelle, un autre paramètre est nécessaire pour le définir, l'angle azimutal w défini par w=(HM,H'M')=(HM,HoMo) où Mo est l'intersection du rayon convergent M'M" avec la surface de sortie de la " lentille " (2). La figure Fig.6 est un graphique représentant la puissance d'action unitaire Po /A du disque 15 d'impact centré sur l'axe optique focal de demi diamètre géométrique A, situé dans le plan focal effectif du système faisceau laser (1) -"lentille" (2) pour le cas où le faisceau (1) est monomode gaussien, (ce qui en réalité revient à isoler les propriétés physiques découlant du mode fondamental du faisceau gaussien réel qui est rarement monomode ), portée en ordonnée en unité arbitraire en fonction du demi diamètre optique R ( exprimé en radian ), A et p 20 étant liés par : A=F3/2-/( À/[rc-bol) où À est la longueur d'onde du faisceau laser (1) exprimée en centimètre et bo est le paramètre fondamental de structure instrimentale du système faisceau (1) - "lentille" (2) exprimé en radian par centimètre, bo = n -(eo) a /À. Le rapport de troncature ao du faisceau (1) a été pris 25 égal à 1,25 qui est une valeur pratique courante. Le graphique est caractéristique : Po /A est croissante en partant de zéro pour [3=0, croît jusqu'à une valeur maximun pour (3=(3m=2,5 radian environ, puis décroît très lentement. La valeur de (3m est pratiquement constante en fonction de ao, quelque soit la valeur de bo du système utilisé, ce qui est d'une importance fondamentale. [3m est le demi diamètre optique du disque d'impact d'extension minimale. 30 La figure Fig.7 est une représentation identique à la figure Fig.6, pour le cas où le faisceau (1) est à structure spatiale uniforme. La ressemblance est frappante entre les deux figures. j3m=2,1 radian sur la figure Fig.7, ce qui constitue la seule différence entre les deux cas, par ailleurs nullement essentielle : La focalisation transcende les particularités des structures spatiales des faisceaux (1). 35 La figure Fig.8 signifie que pour que le point focal effectif F conserve ses propriétés optiques de point focal de l'espace libre lorque ledit point F se trouve enfoncé à une profondeur z sous la surface du métal à couper, il faut que tous les rayons composant le faisceau (3) puissent atteindre ledit point F en lignes droites en détruisant la matière métallique et que avant tççut 2903923 63 le faisceau (3) soit capable de faire un trou d'entrée de diamètre EE' à la surface du métal tel que le demi diamètre optique p associé ait pour valeur 5=2 - bo - z. La présente description a montré que cela n'est possible, en utilisant une puissance de faisceau raisonnable, que si la valeur de z ne soit pas trop grande par rapport à la limite nucléaire focale Lo du système utili- 5 sé ( par la présente définition Lo est telle que bo-Lo=1,4 radian ). Un exemple a été donné, pages 47-49, pour une valeur de z telle que bg-z=3 radians, qui montre les difficultés pour une raison de dépense énergétique extraordinaire exigée et l'impossibilité pratique de réaliser un trou de telle dimension dont le demi diamètre optique associé est 5=9,375 radians. La figure Fig.9 présente le contenu géométrico-ondulatoire de la condition définissant le noyau 10 focal au sein du champs de phase focal (4), à savoir : bo - L REVENDICATIONS 1) Conçu pour la totalité des tâches industrielles de l'usinage laser lequel relève du domaine technique utilisant à sa base l'impact du faisceau laser appliqué sur un corps solide tel une plaque métallique pour faire augmenter sa température localisée essentiellement dans le dis-que d'impact, l'usinage pouvant être, soit non pénétrant comme c'est le cas lorsque ledit im- pact vise seulement à produire ses effets thermiques limités dans des couches superficielles dudit corps solide, soit pénétrant comme c'est le cas du perçage, du soudage, de la coupe d'une plaque d'une certaine épaisseur Ep ou du marquage à la surface de ladite plaque jus-qu'à une certaine profondeur Ep; Système faisceau (1)- "lentille" (2), constitué d'un faisceau laser (1) arrivé en incidence sur la "lentille" (2), de l'action focalisatrice de laquelle émerge le faisceau laser focalisé (3) se dirigeant vers le point focal effectif F dudit système, autour duquel règne le champs de phase focal (4) du système où ledit faisceau focalisé (3) est utilisé pour produire l'augmentation de température du corps sous impact proportionnelle à la puissance d'action P' /A (en watt par centimètre soit w /cm ) portée par le disque d'impact. - la lentille" (2) désigne tout dispositif ayant une fonction focalisatrice : par exemple, ce peut être une lentille ordinaire plan-convexe, ce peut être un miroir à surface sphérique ou parabolique, ce peut être une combinaison réalisée à partir des dispositifs élémentaires de focalisation tel le dispositif à distance focale variable connu sous le nom de zoom, etc.... Dans tous les cas, la lentille" (2) est caractérisée par une distance focale notée f. - le faisceau laser (1) est caractérisée par sa longueur d'onde notée À (en centimètre noté cm ). Ledit faisceau (1), au moment d'arriver en incidence sur la "lentille" (2) et juste en amont immédiat de cette dernière peut être, soit une onde sphérique de rayon de courbure algébrique R positif ou négatif selon que ladite onde sphérique est divergeante ou convergeante dans le sens de propagation du faisceau laser (1), soit une onde plane auquel cas correspond une onde sphérique de rayon de courbure R infiniment grand. la structure spatiale du faisceau (1) qui est sa fonction d'amplitude sur le front d'onde (sur-face d'onde) dudit faisceau peut être quelconque, gaussienne ou uniforme ou autre, mono-mode ou multimode. - au niveau de la "lentille" (2), le faisceau laser (1) en amont et le faisceau laser (3) qui en émerge en aval sont caractérisés en commun par leur diamètre Do (en cm), lequel est le dia-mètre du disque inscrit dans le contour extérieur limitant la zone d'onde laser interceptée par le plan orthogonal à l'axe optique focal et tangeant au front d'onde laser reconstitué en aval immédiat de la " lentille "(2), zone à l'extérieur de laquelle l'intensité (watt /cm2) du mode fondamental est au plus égale à deux pourcent (2%) de sa valeur maximale. Do est pratique- ment égal au diamètre des deux cercles contigus et réciproquement images (AoAô)(1)(2) et (QQ')(3), les distances AoQ et Ao'Q' étant très petites. Le remplissage d'onde dudit disque 2903923 72 peut être total ou partiel c'est à dire que dans le premier cas la valeur de la fonction d'amplitude y est partout non nulle et que dans le deuxième cas il existe à l'intérieur dudit disque au moins une zone dans laquelle la fonction d'amplitude est nulle, ce qui correspond au masquage en ladite zone du faisceau laser comme dans le cas d'un faisceau laser observé à la sortie 5 d'un résonateur connu, nommé selon la terminologie consacrée : " confocal positif instable ". - chaque système faisceau (1) - "lentille"(2) est caractérisé par sa distance focale effective f ' qui est liée à f et à R par la formule classique suivante : 1 If'+1 /R=1 /f d'où résulte l'angle d'attaque focal eo (en radian) défini par : 10 eo = Do /(2f ') d'où résultent les deux paramètres fondamentaux bo et p du champs de phase focal (4) ; bo est le déphasage longitudinal unitaire exprimé en radian par centimètre, présentement appelé paramètre fondamental de structure instrumentale, est défini par : bo - (80)2 /À 15 13 est le déphasage transversal (en radian) pour un point M se trouvant à la distance r de l'axe optique focal, présentement appelé demi diamètre optique du disque (de demi diamètre géométrique r ); (3 est défini par : (3 = 2-n-8o-r /À alors que le déphasage longitudinal en M (en radian ) est : 20 bo - z où z est la coordonnée du point M considéré par rapport à l'axe focal FO originé en F; ( où n est le nombre réel irrationnel valant 3,1415..., (0o) 2 est le carré du nombre eo; le point - est la multiplication; la barre inclinée / représente la division arithmétique.) Ledit système faisceau (1) - "lentille" (2) étant en outre caractérisé en ce que la valeur du 25 paramètre fondamental de structure instrumentale bo est une valeur non nulle inférieure ou égale à 6,25 radians par centimètre,c'est à dire une valeur (en rd /cm) de l'intervalle ) 0 ; 6,25 ) et,ce qui est absolument équivalent, en ce que la limite nucléaire focale Lo (Lo est définie par la relation bo - Lo =1,4 radian ) est une valeur finie supérieure ou égale à 0,224 centimètre, c'est à dire une valeur en cm de l'intervalle [ 0,224 ; 00 [; chaque valeur instrumentale bo etant 30 destinée à s'accoupler à une valeur L (cm) choisie pour être l'épaisseur géométrique du tronçon de champs de phase (4) tel l'espace contenant en son milieu le point focal effectif F et en-cadré par les deux plans Pi et P2, orthogonaux à l'axe optique focal FO, Pi étant à L/2 en amont et P2 à U2 en aval du point focal effectif F, de telle façon que ledit tronçon de champs soit un noyau focal au sens que son épaisseur optique associée 4)o = bo - L prenne une valeur 35 chosie au plus égale à 1,4 radian, le choix optimal étant 4)o = 1 radian pour le cas, présente-ment exposé à titre d'illustration concrète, où le faisceau (1) a une structure spatiale gaussienne, dont la puissance du mode fondamentale est notée P (en watt) et dont la longueur d'onde est notée À (en centimètre) ( À=0,00106 cm pour le laser à CO2 ), les effets techniques atten- 2903923 73 dus ayant les propriétés géométrico ondulatoires suivantes : - A la surface d'un plan P orthogonal à l'axe optique focal placé entre Pi et P2, il se forme une tâche de diffraction qui demeure pratiquement inchangée, tant pour sa dimension géométrique que pour la distribution d'énergie à travers l'étendue de ladite tâche, parce que la phase bo-z 5 est faible (-0,5 bo-z 2,8 radians ) énergétique-15 ment moins dure, le disque central de demi diamètre géométrique A (en centimètre) défini par 5=2,8 radians soit : A=1,4-(A-L/n)=Lo-8o possède la double fonction, d'une part optico énergétique ( 5 = 2,8 radian) d'être d'une efficacité maximale en vue de la mise en fusion métallique dudit disque tout entier, et d'autre part 20 géométrico ondulatoire (le plan P étant positionné en PI à l'entrée du noyau focal et L choisie égale à l'épaisseur Ep de la plaque, à percer par exemple et positionnée de façon à faire coincider ses faces extérieures avec les plans Pi et P2 entre lesquels le déphasage bo-z est modéré à souhait : -0,5 L puisque Lo /L =1,4 I(>o =1,4) le noyau focal, enfermant de ce fait le faisceau focalisé (3) dans la prédisposition la plus favorable, d'une part géométriquement en disposant du plus grand nombre de rayons laser pénétrant par le trou d'entrée EE' et d'autre part ondulatoire-ment en disposant d'un déphasage extrêmement modérée entre lesdits rayons laser, pour 30 produire le r+ésu at qui sort : inexorablement, se dégage par le faisceau laser focalisé (3) ( sous l'action de la seule loi ondulatoire) à travers le corps métallique ( étant entendu que l'éjection simultanée du résidu liquide métallique gênant est assurée, par un jet de gaz notamment) un passage contenant un espace minimal de forme tronconnique dont les deux bases sont respectivement le disque 35 EE' du plan PI d'entrée et le disque ZZ' de sortie du plan P2 de demi diamètre géométrique égal à n A = 0,625-A environ ( dont le demi diamètre optique est 5 = 0,625 - 2,8 =1,75 radian), ledit passage minimal tronconnique étant réciproquement associé à ce que la puissance d'action unitaire Po/A, ( qui est, par définition, la puissance d'action P' /A lorsque P est mise égale 2903923 74 à un watt, autrement dit : P' /A = [ Po /A ] - P ), atteigne la valeur maximale ( très lentement décroissante d'amont en aval, allant de l'entrée EE' à la sortie ZZ') pour chacun des disques transversaux tout au long dudit passage minimal tronconnique, ladite valeur maximale étant 32 I.1 - [ 4(10,6 - 10-4 /À) ] (cm-1) pour le disque d'entrée EE' et 25 /SIL -[-NI(10,6.10-4 /À) ] 5 (cm-1) pour le disque de sortie ZZ'; ledit résultat avec efficacité maximale associée étant effectif à la condition ( l'unique condition qu'est le coût du perçage) que soit fournie en quantité suffisante en watt, la puissance P, la-dite valeur suffisante de P pouvant être déterminée, - soit analytiquement autour de la valeur X en watt donnée par l'équation (type EQ.RPA Bis) : 10 (25/'L)-[1(10,6.10-4/À)]-X=1,4.1,7-[0,81 •(n•K-To/E)] (typeEQ.RPABis) où K est la conductivité termique du métal en watt par centimètre par degré celsius, To est en degré celsius la différence de température entre le point de fusion du métal et la température ambiante, E est le coefficient d'absorption du métal pour le laser utilisé. - soit expérimentalement en réalisant l'expérience suivante ( dont l'intérêt réside en ce qu'elle 15 reproduit la situation exacte réelle du perçage : les rayons laser qui atteignent ZZ' pour contribuer à la valeur de 25 NL -['1(10,6 - 10-4 /À) ] cm-1 de la puissance d'action unitaire dans le cas réel sont les mêmes que dans la présente expérience) : Le plan P1 rendu opaque au faisceau laser (3) ne laisse passer ce dernier qu'à travers le trou à bord mince de même dimension que le disque EE' ; entre P1 et P2 la plaque métallique est 20 retirée pour être déplacée d'une distance égale à L jusqu'à ce qu'une de ses faces destinée à recevoir l'impact laser coïncide avec le plan P2 ; on lâche le faisceau laser en augmentant progressivement la valeur de P jusqu'à l'apparition des premières gouttes de liquides métalliques couvrant la totalité d'une étendue identique à celle du disque ZZ', c'est la valeur minimale de P cherchée (au delà de laquelle toute augmentation se convertit en vitesse de perçage ). ^ 25 ^ Remarque : le trou de même dimension que EE' peut être construit par le faisceau focalisé (3) lui-même avec la même précision que pour la réalisation de EE', il suffit de mettre dans le plan P1 une plaque de même métal que la plaque à couper mais d'épaisseur beaucoup plus mince - le but étant ici uniquement de faire le trou - que cette dernière, puis on lâche le faisceau en augmentant progressivement sa puissance P jusqu'à l'apparition des premières 30 gouttes liquides dans ZZ', etc.. 2) Système (1)-(2) selon la revendication 1) caractérisé en ce que, lorsque la "lentille" (2) est un miroir à reflexion totale M2, l'angle d'inclinaison a formé par l'axe dudit miroir M2 avec le faisceau incident (1) soit faible afin de minimiser les distorsions de phase sur le faisceau focalisé (3), que par conséquent a soit inférieur à 25 degré d'angle : par exemple avec a = 7 35 degré d'angle, la déformation de phase du faisceau (3) a été rendue très négligeable.