Brevet FR3017218A1 — publié le 20150807

ETAT DE L'ART Domaine technique de l'invention La présente invention concerne des procédés et dispositifs de contrôle de la taille de faisceaux lumineux de grandes dimensions, et s'applique notamment au diagnostic de faisceaux lumineux de grandes dimensions et au contrôle optique d'éléments optiques de grandes dimensions. Etat de l'art La caractérisation de faisceaux laser des grandes dimensions (typiquement >100mm de diamètre) nécessite des optiques spécifiques afin de réduire la taille des faisceaux pour les adapter aux appareils de diagnostic. L'utilisation de lentilles standards n'est généralement plus possible pour ces tailles de faisceaux. Il est alors nécessaire d'avoir recours à des systèmes à miroirs d'architecture similaire à celle des télescopes utilisés pour l'astronomie ou à des miroirs paraboliques hors axes. Les télescopes à miroir utilisés pour l'astronomie sont associés à une obstruction centrale qui vient occulter une partie du faisceau qui ne peut être alors mesurée. Les systèmes de type miroir parabolique hors axe n'ont pas d'obstruction centrale mais la difficulté technique de réalisation de cet élément asphérique hors axe est généralement associée à un coût beaucoup plus élevé que celui d'un système de type télescope. En outre, ces systèmes présentent des difficultés d'alignement pour l'utilisateur. Par ailleurs, le faisceau laser après réduction est dans la majorité des cas beaucoup trop intense pour pouvoir être envoyé tel quel sur les systèmes de diagnostic, et il est nécessaire d'avoir recours à des moyens d'atténuation comme des jeux de densités optiques très opaques permettant de diminuer l'intensité du faisceau de facteurs typiques de 104 à plus que 109. Par ailleurs, l'expérience montre que ces jeux de densités très opaques sont une source de danger pour les systèmes de diagnostic qui peuvent être endommagés par le laser si l'utilisateur passe par inadvertance d'une densité très forte à une densité beaucoup plus faible. L'invention propose des systèmes et méthodes de contrôle de la taille de faisceaux de grandes dimensions permettant de palier aux inconvénients précités. RE SUME DE L'INVENTION Selon un premier aspect, l'invention concerne des procédés de réduction des dimensions d'un faisceau lumineux incident de grandes dimensions ou d'agrandissement des dimensions d'un faisceau lumineux incident pour former un faisceau lumineux de grandes dimensions, sans occultation centrale. De façon générale, le procédé selon la présente description comprend l'envoi d'un premier faisceau lumineux vers une lame partiellement réfléchissante de dimensions adaptées aux dimensions du faisceau lumineux de grandes dimensions ; l'envoi sur un élément réflectif convergent d'un deuxième faisceau lumineux issu de la réflexion sur la lame partiellement réfléchissante ou de la transmission à travers la lame partiellement réfléchissante, du premier faisceau lumineux; l'envoi d'un troisième faisceau lumineux issu de la réflexion sur l'élément réflectif du deuxième faisceau lumineux, vers ladite lame partiellement réfléchissante; la transmission du troisième faisceau à travers la lame partiellement réfléchissante lorsque le deuxième faisceau est issu de la réflexion sur la lame partiellement réfléchissante, ou la réflexion du troisième faisceau sur la lame partiellement réfléchissante lorsque le deuxième faisceau est issu de la transmission à travers la lame partiellement réfléchissante, pour former un quatrième faisceau lumineux. Le procédé ainsi décrit permet de contrôler la taille du faisceau incident sans obstruction centrale de celui-ci, avec par ailleurs une atténuation ajustable du faisceau 20 incident fixée notamment par le coefficient de réflexion de la lame partiellement réfléchissante. L'invention peut s'appliquer à la réduction de la taille de faisceaux lumineux incidents de grande taille, par exemple pour des applications de diagnostic des faisceaux lumineux de grandes dimensions, ainsi qu'à des méthodes adaptées à la formation de 25 faisceaux lumineux collimatés de grandes dimensions, par exemple pour le contrôle optique de systèmes optiques de grandes dimensions. Le procédé décrit permet l'utilisation d'éléments réflectifs convergents « on-axis », c'est-à-dire un élément réflectif dont la forme présente une symétrie de révolution, sans obstruction centrale, par exemple des miroirs paraboliques ou sphériques, qui sont en plus 30 achromatiques. Dans ces éléments, l'axe optique est confondu avec l'axe de symétrie. Selon un deuxième aspect, l'invention concerne des dispositifs pour la mise en oeuvre des procédés selon le premier aspect. Le dispositif selon la présente description comprend notamment une lame partiellement réfléchissante de dimensions adaptées aux dimensions du faisceau lumineux de grandes dimensions, et destinée à recevoir le premier faisceau lumineux, et un élément réflectif convergent destiné à recevoir un deuxième faisceau lumineux issu de la réflexion sur la lame partiellement réfléchissante ou de la transmission à travers la lame partiellement réfléchissante du premier faisceau lumineux, et à renvoyer vers la lame partiellement réfléchissante le troisième faisceau lumineux issu de la réflexion du deuxième faisceau par l'élément réflectif convergent. Avantageusement, l'élément réflectif convergent est un miroir convergent on-axis, par exemple un miroir parabolique on-axis. La lame partiellement réfléchissante est par exemple une lame à faces planes et parallèles revêtue d'un traitement optique adapté ou un élément de polarisation. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture de la description, illustrée par les figures suivantes qui représentent: - Figure 1A, un schéma illustrant un exemple de dispositif de contrôle de la taille d'un faisceau de grandes dimensions selon la présente description, appliqué au diagnostic de faisceau laser, dans lequel un faisceau incident de grandes dimensions est transmis puis réfléchi par une lame partiellement réfléchissante ; - Figure 1B, un schéma illustrant une variante du schéma illustré sur la figure 1A, dans laquelle le faisceau incident est réfléchi puis transmis par la lame partiellement réfléchissante ; - Figure 1C, un schéma illustrant une variante du schéma illustré sur la figure 1A, dans laquelle la lame partiellement réfléchissante comprend un polariseur à grille associé à une lame 1/4 d'onde ; - Figure 2, un schéma illustrant un exemple de dispositif de contrôle de la taille d'un faisceau de grandes dimensions selon la présente description, appliqué à la formation de faisceaux lasers collimatés de grandes dimensions; Figure 3, un schéma illustrant un exemple de dispositif de contrôle de la taille d'un faisceau de grandes dimensions selon la présente description, appliqué au contrôle optique d'éléments optiques de grandes dimensions. Par soucis de cohérence, les éléments identiques sont repérés par les mêmes références dans les différentes figures. DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1 A présente un premier exemple de dispositif selon la présente description, pour la mise en oeuvre d'un procédé de réduction des dimensions d'un faisceau lumineux incident de grandes dimensions, notamment à des fins de diagnostic. Le procédé s'applique plus particulièrement aux faisceaux à forte cohérence spatiale, par exemple aux faisceaux laser de grandes dimensions, notamment aux faisceaux laser de forte énergie ou de forte puissance optique. Le dispositif comprend dans cet exemple une lame partiellement réfléchissante 1 de dimensions adaptées aux dimensions d'un faisceau lumineux incident 11 à diagnostiquer (« premier faisceau ») et un élément réflectif convergent 2 destiné à recevoir le faisceau lumineux 12 (« deuxième faisceau ») issu dans cet exemple de la transmission du faisceau lumineux 11 sur la lame partiellement réfléchissante 1. Dans cet exemple, la lame partiellement réfléchissante est par exemple une lame à face planes et parallèles, par exemple une lame en verre, munie d'un traitement optique semi- réfléchissant, traitement qui peut par exemple comprendre un revêtement métallique ou diélectrique. L'élément réflectif convergent est avantageusement un miroir convergent, par exemple un miroir parabolique à symétrie de révolution, ou « on axis » selon l'expression anglo-saxonne ; selon cette variante, l'axe du miroir parabolique est parallèle à l'axe optique 4 du deuxième faisceau 12. Selon une variante, le miroir parabolique peut être remplacé par un miroir sphérique. Les aberrations du système sont alors plus fortes mais peuvent être calibrées. Le faisceau 12' issu de la réflexion du premier faisceau 11 sur la lame partiellement réfléchissante n'est pas utilisé ; il est envoyé vers un élément 5 visant à arrêter le faisceau. Le faisceau 13 issu de la réflexion du deuxième faisceau 12 sur le miroir parabolique 2 (« troisième faisceau ») est un faisceau convergent vers le point focal F du miroir parabolique 2. Le troisième faisceau 13 est réfléchi sur la lame partiellement réfléchissante 1 pour former un quatrième faisceau 14 qui peut être repris par une optique 3 afin de former un faisceau lumineux collimaté de dimensions très réduites par rapport au premier faisceau 11, et atténué, en vue de son diagnostic sur un module de diagnostic 4. Par exemple, et de façon connue, le module de diagnostic 4 peut comprendre un module d'analyse de surface d'onde, un module d'analyse spectrale, un module d'analyse de phase, etc. L'atténuation du premier faisceau résulte dans cet exemple des différents passages des faisceaux en transmission et en réflexion à travers et sur la lame partiellement réfléchissante 1, ainsi que de la réflexion sur le miroir parabolique 2. Ainsi par exemple dans le cas d'un traitement semi-réfléchissant de la lame avec des coefficients de réflexion et de transmission de 50%, la transmission globale du système est inférieure à 25%. Dans le cas d'un traitement réfléchissant de la lame assurant une transmission de 1/10000 et une réflexion élevée (proche de 1), la transmission globale du système est alors inférieure à 1/10000. Le dispositif décrit sur la figure lA et adapté au diagnostic de faisceaux de grandes dimensions est basé sur l'utilisation d'un miroir « on-axis », il est donc intrinsèquement de bonne qualité optique, achromatique, et ne présente aucune obstruction centrale comme c'est le cas sur les télescopes. Par ailleurs, l'atténuation résultant des passages multiples en transmission ou en réflexion sur la lame partiellement réfléchissante ainsi que de la réflexion sur le miroir parabolique permet d'atteindre des atténuations parfaitement contrôlées sans pour autant nécessiter l'utilisation d'un jeu de densités très opaques, ce qui permet une sécurité accrue pour les appareils de diagnostic. Le dispositif décrit sur la figure 1 comprend en outre avantageusement des moyens d'alignement (non représentés sur la figure 1A) du miroir parabolique 2 et de la lame partiellement réfléchissante 1. Le dispositif représenté sur la figure 1B est une variante du dispositif décrit sur la figure 1A, dans laquelle la lame semi réfléchissante est utilisée la première fois en réflexion puis en transmission. Dans cet exemple, le faisceau lumineux 12' non utilisé est le faisceau issu de la transmission du premier faisceau 11 (faisceau incident). On préfèrera cependant la variante de la figure lA dans laquelle le faisceau de petite dimension est réfléchi et le faisceau de grande dimension transmis, pour des raisons de qualité optique. Le dispositif représenté sur la figure 1C est une variante du dispositif décrit sur la figure 1A, dans laquelle les propriétés de polarisation du faisceau sont mises à contribution pour ajuster la transmission du système et permettre une transmission totale proche de 1. La lame semi réfléchissante 1 comprend dans cet exemple un élément de polarisation permettant de transmettre 100% d'une certaine polarisation et de réfléchir 100% d'une autre polarisation. Par exemple la lame partiellement réfléchissante comprend un polariseur à grille auquel est associée une lame quart d'onde 9. La figure 2 présente un présente un deuxième exemple de dispositif selon la présente description, pour la mise en oeuvre d'un procédé de formation de faisceaux optiques collimatés de grandes dimensions (dispositif de collimation). Dans ce dispositif, le premier faisceau 11 incident sur la lame partiellement réfléchissante 1 est un faisceau divergent issu d'une source lumineuse 6 placée au foyer de l'élément réflectif convergent 2, par exemple un miroir parabolique. La source est par exemple une source de forte cohérence spatiale, fibrée ou non, par exemple une diode laser ou une diode laser fibrée. Le premier faisceau est envoyé comme précédemment vers la lame partiellement réfléchissante 1. Le faisceau 12 issu par exemple de la réflexion du premier faisceau 11 sur la lame partiellement réfléchissante 1 (« deuxième faisceau ») est envoyé vers le miroir parabolique 2. Là encore, l'axe du miroir parabolique est parallèle à l'axe optique du deuxième faisceau 12. On obtient ainsi après réflexion sur le miroir parabolique 2 un faisceau 13 collimaté, dont les dimensions dépendent des caractéristiques du miroir parabolique 2. Comme précédemment, il est possible dans cet exemple également de travailler avec un premier faisceau incident transmis par la lame partiellement réfléchissante 1, le faisceau réfléchi par le miroir parabolique 2 étant ensuite réfléchi par la lame partiellement réfléchissante 1. On préfèrera cependant réfléchir un faisceau de petite dimension et transmettre un faisceau de grande dimension pour des raisons de qualité optique. Le dispositif décrit sur la figure 2 comprend en outre avantageusement des moyens d'alignement (non représentés sur la figure 2) du miroir parabolique 2 et de la lame partiellement réfléchissante 1. Dans cet exemple, la lame partiellement réfléchissante est avantageusement une lame semi-réfléchissante présentant une réflexion proche de 50% et une transmission proche de 50% afin de rendre maximal l'intensité optique du faisceau de grandes dimensions en sortie du dispositif. Alternativement, il est également possible de prévoir pour la lame partiellement réfléchissante 1 un élément de polarisation associé à une lame quart d'onde, comme cela a été décrit en référence à la figure 1C. Ce dispositif de collimation peut être avantageusement utilisé pour créer un faisceau d'alignement de grandes dimensions pour le réglage de systèmes optiques, ou appliqué au contrôle d'éléments optiques de grandes dimensions, par exemple des éléments de diamètres supérieurs à 100 mm, voir supérieurs à 300 mm. Le dispositif de la figure 3 illustre ainsi un dispositif adapté au contrôle optique d'un élément optique 100 de grandes dimensions, ou plus généralement d'un système optique. Il comprend un dispositif adapté à la formation de faisceaux lumineux de grandes dimensions tel qu'il a été décrit précédemment. Notamment, un premier faisceau 11, par exemple issu d'une source lumineuse divergente placée au foyer F de l'élément réflectif convergent 2, est envoyé et réfléchi sur la lame partiellement réfléchissante 1 afin de former le deuxième faisceau 12. Le faisceau 12 est réfléchi par le miroir parabolique 2 « on-axis » de telle sorte qu'il en résulte un faisceau collimaté 13 (« troisième faisceau »), d'axe optique parallèle à l'axe du miroir parabolique. Le troisième faisceau 13 est envoyé après transmission à travers la lame partiellement réfléchissante 1 vers l'optique 100 à contrôler. Le faisceau 14 ainsi incident sur l'élément optique 100 est réfléchi par l'optique 100. Le faisceau réfléchi 21 par l'élément optique 100 suit le chemin inverse. Il est transmis à travers la lame partiellement réfléchissante 1 (faisceau 22), réfléchi par le miroir parabolique (faisceau 23), réfléchi par la lame-partiellement réfléchissante 1 (faisceau 24) puis est analysé au moyen d'un module de diagnostic 8. Le module de diagnostic 8 est ici par exemple un module d'analyse de surface d'onde. Avantageusement dans cet exemple, une optique 10 permet d'assurer la conjugaison du plan de détection du module de diagnostic 8 et du plan pupillaire du système optique 100 à contrôler ; sur la figure 3, la conjugaison est indiquée en pointillés courts. Avantageusement dans cet exemple, un élément séparateur 7 permet de séparer les voies optiques du premier faisceau 11 et du faisceau 24 issu de la réflexion sur la lame partiellement réfléchissante. Là encore, le système ainsi décrit est intrinsèquement de bonne qualité optique, achromatique, et ne présente aucune obstruction centrale, permettant un contrôle fiable des optiques de grands diamètres, comme par exemple les miroirs. Bien que décrite à travers un certain nombre d'exemples de réalisation, les procédés et dispositifs de contrôle de la taille de faisceaux lumineux de grandes dimensions comprennent différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme de l'art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention telle que définie par les revendications qui suivent. REVENDICATIONS1. Procédé de réduction des dimensions d'un faisceau lumineux incident de grandes dimensions ou d'agrandissement des dimensions d'un faisceau lumineux incident pour former un faisceau lumineux de grandes dimensions, comprenant : - l'envoi d'un premier faisceau lumineux (11) vers une lame partiellement réfléchissante (1) de dimensions adaptées aux dimensions du faisceau lumineux de grandes dimensions, - l'envoi sur un élément réflectif convergent (2) d'un deuxième faisceau lumineux (12) issu de la réflexion sur la lame partiellement réfléchissante (1) ou de la transmission à travers la lame partiellement réfléchissante (1), du premier faisceau lumineux (11), - l'envoi d'un troisième faisceau lumineux (13) issu de la réflexion sur l'élément réflectif convergent du deuxième faisceau lumineux, vers ladite lame partiellement réfléchissante (1), - la transmission du troisième faisceau (13) à travers la lame partiellement réfléchissante (1) lorsque le deuxième faisceau est issu de la réflexion sur la lame partiellement réfléchissante, ou la réflexion du troisième faisceau (13) sur la lame partiellement réfléchissante (1) lorsque le deuxième faisceau est issu de la transmission à travers la lame partiellement réfléchissante, pour former un quatrième faisceau lumineux (14). 2. Procédé selon la revendication 2 adapté au diagnostic de faisceaux lumineux de grandes dimensions, dans lequel : - le premier faisceau lumineux (11) est un faisceau incident collimaté de grandes dimensions, - le quatrième faisceau (14) issu de la transmission du troisième faisceau (13) à travers la lame partiellement réfléchissante (1), ou de la réflexion du troisième faisceau (13) sur la lame partiellement réfléchissante (1), est un faisceau convergent vers un point focal (F) de l'élément réflectif convergent ; la méthode comprenant en outre : - l'envoi du quatrième faisceau (14) vers un module de diagnostic (4). 3. Procédé selon la revendication 1 adapté à la formation de faisceaux lumineux collimatés de grandes dimensions, dans lequel : - le premier faisceau (11) est un faisceau divergent issu d'une source située à proximité d'un point focal objet (F) de l'élément optique convergent (2), - le quatrième faisceau (14) issu de la transmission du troisième faisceau (13) à travers la lame partiellement réfléchissante (1), ou de la réflexion du troisième faisceau (13) sur la lame partiellement réfléchissante (1), est un faisceau collimaté de grandes dimensions. 4. Procédé selon la revendication 3 adapté au contrôle d'un système optique (100) de grandes dimensions, dans lequel : - les dimensions du quatrième faisceau (14) sont adaptées aux dimensions du système optique (100) à contrôler, la méthode comprenant en outre : - l'envoi du quatrième faisceau (14) vers le système optique à contrôler pour former un faisceau lumineux réfléchi (21) par ledit système optique, - le suivi par ledit faisceau lumineux réfléchi (21) du parcours inverse respectivement des troisième, deuxième et premier faisceaux, et l'envoi du faisceau résultant (24) vers un plan de détection d'un module d'analyse (8). 5. Procédé selon la revendication 4, comprenant en outre la conjugaison du plan de détection du module de diagnostic (8) avec un plan pupillaire du système optique (100) à contrôler. 6. Dispositif optique pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant : - une lame partiellement réfléchissante (1) de dimensions adaptées aux dimensions du faisceau lumineux de grandes dimensions, et destinée à recevoir le premier faisceau lumineux, et - un élément réflectif convergent (2) destiné à recevoir un deuxième faisceau lumineux issu de la réflexion sur la lame partiellement réfléchissante (1) ou de la transmission à travers la lame partiellement réfléchissante (1) du premier faisceau lumineux (11), et à renvoyer vers la lame partiellementréfléchissante le troisième faisceau lumineux (13) issu de la réflexion du deuxième faisceau par l'élément réflectif convergent. 7. Dispositif optique selon la revendication 6, dans lequel élément réflectif convergent (2) est un miroir parabolique on-axis.5