Brevet FR3036050A1 — publié le 20161118

DESCRIPTION La présente invention concerne le domaine des équipements, procédés et installations de traitement utilisant un rayonnement laser de puissance, ce pour des applications industrielles, médicales, artistiques ou autres. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de traitement laser, une station de travail comprenant un tel dispositif et un procédé de traitement utilisant un tel dispositif. L'utilisation d'un faisceau laser pour effectuer un traitement au niveau d'une pièce, d'un article ou d'un matériau est bien connue de 10 l'homme du métier et de nombreux dispositifs et systèmes ont déjà été proposés dans ce contexte technologique. Toutefois, dans le cadre des applications nécessitant une précision de travail de l'ordre du !am et une densité de puissance moyenne délivrée au niveau de la zone de travail de l'ordre de 1012 W/m2 en mode 15 pulsé (densité de puissance crête d'environ 1016 W/m2), il existe une demande non satisfaite pour une solution simple, économique et adaptative en termes d'acheminement du faisceau sur la zone de travail. Un moyen connu de l'homme du métier pour transporter un faisceau laser jusqu'à une zone de travail est la fibre optique, laquelle peut 20 être munie à son extrémité libre d'un moyen de focalisation du faisceau laser projeté. Ainsi, par le document EP 2 056 144 par exemple, on connaît un élément d'extrémité pour fibres optiques sous forme d'embout rapporté, réalisé en un matériau identique à celui du coeur de la fibre et destiné à 25 focaliser le faisceau. Néanmoins, le montage de l'embout doit être extrêmement précis, ce qui le rend complexe et délicat à réaliser. De plus, il en résulte une rigidification de l'extrémité de la fibre, limitant ses possibilités d'orientation du faisceau émis. La tenue à des flux laser important n'est pas assurée. 30 Par les documents "Photonic nanojet focusing for hollow-core photonic crystal fiber probes" ("Focalisation de nanojet photonique pour fibre à cristaux photoniques à coeur creux"), Petru Ghenuche et al., Applied Optics, Vol. 51, N° 36, 20 décembre 2012, Optical Society of America, et "Optical-fiber-microsphere for remote fluorescence correlation 3036050 - 2 - spectroscopy" ("Microsphère pour fibre optique pour spectroscopie de corrélation par fluorescence lointaine"), Heykel Aouani et al., OPTICS EXPRESS, Vol. 17, N° 21, 12 octobre 2009, OSA, on connaît par ailleurs la mise en oeuvre de fibres optiques creuses ou partiellement évidées, sur les 5 extrémités libres desquelles sont rapportées des microsphères destinées à focaliser le flux lumineux émis. Toutefois, comme précédemment, ce montage est délicat à réaliser et résulte en une interface de transmission entre le coeur de la fibre et la microsphère, dont les propriétés ne peuvent pas toujours être déterminés précisément et qui nécessairement génère des 10 pertes. De plus, le type de fibres mises en oeuvre dans ces deux documents ne permet pas l'application de puissances élevées. Enfin, le document JP 63-98977 divulgue, dans le domaine des communications optiques, la mise en oeuvre de fibres optiques comportant une extrémité hémisphérique obtenue par simple fusion du matériau de 15 l'extrémité de ces fibres. Le but de cette conformation particulière du bout des fibres est uniquement de limiter le retour de lumière réfléchie et aucune focalisation du faisceau, ni application de puissance n'est mentionnée. Le but principal de l'invention consiste à fournir un dispositif fonctionnel de traitement laser avec une tête laser à structure simple, aisée à 20 fabriquer, supportant des puissances élevées et apte à fournir un faisceau de travail de dimension micrométrique, ledit dispositif devant, en outre, pouvoir exploiter de manière optimisée cette tête laser. A cet effet, l'invention concerne un dispositif de traitement laser comprenant, d'une part, une tête laser essentiellement constituée par 25 un module d'injection apte et destiné à être alimenté par une source laser et par une fibre optique formée d'un coeur entouré d'au moins une gaine, reliée audit module d'injection et se terminant par un embout de concentration du faisceau et, d'autre part, un système de support d'une pièce, d'un article ou d'un matériau comportant au moins une zone à traiter par la tête laser, ou 30 zone de travail, l'embout de concentration et la pièce, l'article ou le matériau pouvant être positionnés et déplacés relativement l'un par rapport à l'autre de manière contrôlée, dispositif caractérisé en ce que l'embout de concentration est formé d'un seul tenant avec la fibre optique, du type à coeur plein, en tant 35 que partie façonnée de la portion d'extrémité libre de cette dernière, opposée à son extrémité connectée au module d'injection, en ce que l'embout de concentration présente une symétrie de révolution axiale et, vu 3036050 - 3 - en section selon un plan contenant l'axe médian ou de symétrie de la portion d'extrémité libre de la fibre optique, une forme délimitée extérieurement par une courbe convexe sensiblement semi-elliptique avec un premier demi-axe a, s'étendant perpendiculairement à l'axe médian, qui est tel que a = Dc/2 et 5 un second demi-axe b, aligné avec l'axe médian, qui est tel que Dc/4 D,>40 À, où D, est le diamètre du coeur de la fibre optique et À est la longueur d'onde du rayonnement laser injecté, et en ce que la distance d entre la pointe de l'embout de concentration et la zone de travail est telle que 5D,>d>50 À, la géométrie et le positionnement de 10 l'embout étant tels que la tête laser génère un faisceau laser concentré et faiblement divergent sous forme de jet photonique, avec un diamètre D au niveau de la zone de travail de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde À. L'invention concerne également une station de travail et un procédé de traitement mettant en oeuvre ce dispositif. 15 L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci- après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels : la figure 1 est une représentation symbolique d'un dispositif de 20 traitement laser selon l'invention monté dans une station de travail selon l'invention ; la figure 2 est une représentation de détail à une échelle différente de l'extrémité libre de la fibre optique faisant partie du dispositif représenté figure 1 (détail A de cette figure) ; 25 les figures 3A et 3B sont des représentations graphiques de deux exemples de courbes pouvant définir la forme extérieure de l'embout de concentration de la fibre représentée partiellement sur la figure 2 ; la figure 4 est une représentation schématique de détail illustrant un dispositif de couplage optique entre la source laser et la fibre 30 optique, faisant partie du dispositif représenté figure 1, et, la figure 5 est une représentation schématique d'une possible configuration constructive des principaux éléments constitutifs du dispositif représenté figure 1. Les figures 1, 4 et 5 illustrent un dispositif 1 de traitement laser 35 comprenant, d'une part, une tête laser 2 essentiellement constituée par un module d'injection 3 apte et destiné à être alimenté par une source laser 4 et par une fibre optique 5 formée d'un coeur 10 entouré d'au moins une gaine 3036050 - 4 - 10', 10", reliée audit module d'injection et se terminant par un embout 6 de concentration du faisceau et, d'autre part, un système 7 de support d'une pièce, d'un article ou d'un matériau 8 comportant au moins une zone 9 à traiter par la tête laser 2, ou zone de travail, l'embout de concentration 6 et 5 la pièce, l'article ou le matériau 8 pouvant être positionnés et déplacés relativement l'un par rapport à l'autre de manière contrôlée. Conformément à l'invention, et comme le montrent plus précisément la figure 2 en association avec la figure 1, ce dispositif est caractérisé en ce que l'embout de concentration 6 est formé d'un seul tenant avec la fibre optique 5, du type à coeur plein, en tant que partie façonnée de la portion d'extrémité libre 5' de cette dernière, opposée à son extrémité connectée au module d'injection 3. De plus, l'embout de concentration 6 présente une symétrie de révolution axiale et, vu en section selon un plan contenant l'axe médian ou de symétrie AM de la portion d'extrémité libre 5' de la fibre optique 5, une forme délimitée extérieurement par une courbe convexe 6' sensiblement semi-elliptique avec un premier demi-axe a, s'étendant perpendiculairement à l'axe médian, qui est tel que a = Dc/2 et un second demi-axe b, aligné avec l'axe médian AM, qui est tel que Dc/4 D,>40 À, où D, est le diamètre du coeur 10 de la fibre optique 5 et À est la longueur d'onde du rayonnement laser injecté. Enfin, la distance d entre la pointe 6" de l'embout de concentration 6 et la zone de travail 9 est telle que 5D,>d>50 À, la géométrie et le positionnement de l'embout 6 étant tels que la tête laser 2 génère un faisceau laser concentré et faiblement divergent 11 sous forme de jet photonique, avec un diamètre Di au niveau de la zone de travail 9 de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde À. La combinaison particulière des dispositions techniques précitées, relatives à la fois à la nature, à la conformation, au dimensionnement et au positionnement par rapport à la zone de travail 9 de l'embout de concentration 6, permet à l'invention d'atteindre le but recherché. En particulier, ces différentes dispositions spécifiques permettent de générer, directement en sortie de fibre 5, un jet photonique 11 avec une densité de puissance moyenne élevée (typiquement supérieure à 1012 wim2 ) sur une surface de très faible dimension (typiquement un spot avec un diamètre Dj de l'ordre du !am) et à une distance d suffisante (typiquement entre 50 et 500 !am selon la nature du matériau) évitant un 3036050 - 5 - encrassement de l'embout 6 par d'éventuelles projections de matériau arraché ou de dépôts de gaz de sublimation. En outre, l'utilisation d'une fibre 5 avec un coeur 10 de grande dimension (typiquement avec une dimension transversale Dc de l'ordre de 5 plusieurs dizaines à plusieurs centaines de !am) et plein, autorise non seulement le transport d'un flux lumineux de forte puissance, mais également la concentration de ce flux pour générer un jet photonique 11 à distance et une limitation de la fragilisation de l'extrémité libre 5' de la fibre 5, résultant de la refusion et du façonnage structurel de l'extrémité du coeur 10 10 aboutissant à l'embout de concentration 6. En accord avec une caractéristique de l'invention, autorisant une reproductibilité fiable de l'un des paramètres essentiels de l'invention, il est avantageusement prévu que la forme extérieure de l'embout de concentration 6 soit décrite paramétriquement par une fonction de Bézier 15 rationnelle Z(R) telle varie que : de 0 à R(t) Z(t) (1- t2)Po +2w0(1- t)tPi + t2P2 où t 0 b points de 1, où = tel que 0,4 Dc>40 )4 préférentiellement 100 À>Dc>40 )4 25 - Dc/4 REVENDICATIONS1) Dispositif de traitement laser comprenant, d'une part, une tête laser essentiellement constituée par un module d'injection apte et destiné à être alimenté par une source laser et par une fibre optique formée d'un coeur entouré d'au moins une gaine, reliée audit module d'injection et se terminant par un embout de concentration du faisceau et, d'autre part, un système de support d'une pièce, d'un article ou d'un matériau comportant au moins une zone à traiter par la tête laser, ou zone de travail, l'embout de concentration et la pièce, l'article ou le matériau 10 pouvant être positionnés et déplacés relativement l'un par rapport à l'autre de manière contrôlée, dispositif (1) caractérisé en ce que l'embout de concentration (6) est formé d'un seul tenant avec la fibre optique (5), du type à coeur plein, en tant que partie 15 façonnée de la portion d'extrémité libre (5') de cette dernière, opposée à son extrémité connectée au module d'injection (3), en ce que l'embout de concentration (6) présente une symétrie de révolution axiale et, vu en section selon un plan contenant l'axe médian ou de symétrie (AM) de la portion d'extrémité libre (5') de la fibre optique 20 (5), une forme délimitée extérieurement par une courbe convexe (6') sensiblement semi-elliptique avec un premier demi-axe a, s'étendant perpendiculairement à l'axe médian, qui est tel que a = Dc/2 et un second demi-axe b, aligné avec l'axe médian (AM), qui est tel que Dc/4 D,>40 À, où D, est le diamètre du coeur (10) de la fibre 25 optique (5) et À est la longueur d'onde du rayonnement laser injecté, et en ce que la distance d entre la pointe (6") de l'embout de concentration (6) et la zone de travail (9) est telle que 5D,>d>50 À, la géométrie et le positionnement de l'embout (6) étant tels que la tête laser (2) génère un faisceau laser concentré et faiblement divergent (11) sous forme 30 de jet photonique, avec un diamètre Di au niveau de la zone de travail (9) de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde À. 2) Dispositif de traitement laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme extérieure de l'embout de concentration (6) 3036050 - 12 - est décrite paramétriquement par une fonction de Bézier rationnelle Z(R) telle que : R(t) (1- t2)P0 +2w0(1-t)tPi +t2P2 Z(t) (1- t2) + 2wo(1-t)t+t2 où t varie de 0 à 1, où le poids de la fonction de Bézier wo est tel que 0,4 3) Dispositif de traitement laser selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la fibre optique (5) est du type multimode, préférentiellement une fibre à double gaine optique (10'), entourée d'une gaine mécanique (10"), ou une fibre à gaine mécanique semi-transparente. 4) Dispositif de traitement laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fibre optique (5) présente une forme cylindrique, préférentiellement à section circulaire et une structure flexible autorisant un cintrage avec un rayon de courbure minimal jusqu'à au moins 20 mm, préférentiellement jusqu'à 10 mm. 5) Dispositif de traitement laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que 500 À>Dc>40 préférentiellement 100 À>Dc>40 À, et en ce que À/2 6) Dispositif de traitement laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le second demi-axe (b) est tel que Dc/4 7) Dispositif de traitement laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le module d'injection (3) comprend un moyen (3') de raccordement rapide de l'extrémité d'entrée (5") de la fibre optique (5), assurant une protection de la section d'entrée de cette dernière, et un moyen (3") de micro-positionnement tridimensionnel, apte et destiné à disposer ladite section d'entrée au point focal de l'optique de focalisation (3"') dudit module (3). 8) Station de travail pour l'usinage de pièces, d'articles ou de matériaux, en particulier pour le traitement de surface, la gravure, la taille, la découpe ou le perçage, comprenant une source laser de puissance, à émission pulsée ou continue, une unité de commande, reliée à des capteurs, à des actionneurs, à la source laser et éventuellement à une interface de pilotage et/ou de programmation, un dispositif de traitement laser accouplé 3036050 - 13 - à la source laser et contrôlé par l'unité de commande et une structure ou un châssis support, station de travail (12) caractérisée en ce que le dispositif de traitement laser (1) correspond à un dispositif selon l'une quelconque des 5 revendications 1 à 7, le positionnement et le déplacement relatifs entre l'embout de concentration (6) façonné sur la portion d'extrémité (5') de la fibre optique (5) et la pièce, l'article ou le matériau (8) à traiter étant contrôlés par l'unité de commande (13) par l'intermédiaire de capteurs et d'actionneurs correspondants équipant la tête laser (2) et/ou le système de 10 support (7). 9) Station de travail selon la revendication 8, caractérisée en ce que le déplacement relatif, continu ou intermittent, entre la pièce, l'article ou le matériau (8), d'une part, et la tête laser (2) ou la fibre optique (5), d'autre part, est piloté par l'intermédiaire de l'unité de commande (13) en 15 mettant en oeuvre un asservissement garantissant un contrôle de la distance d entre l'embout de concentration (6) et la zone de travail (9), soit en conservant une valeur initialement réglée, soit en réalisant un ou des ajustement(s) de cette distance, au cours d'un tel déplacement relatif, correspondant à un cycle ou à une phase effective de traitement. 20 10) Station de travail selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que la source laser (4) est une source laser de puissance, avec une puissance efficace supérieure à 100 mW, préférentiellement au moins de l'ordre du Watt ou de la dizaine de Watts. 11) Procédé de traitement d'un article, d'une pièce ou d'un 25 matériau mettant en oeuvre un dispositif de traitement laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, faisant préférentiellement partie d'une station de travail selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, procédé caractérisé en ce qu'il consiste, préalablement à un cycle ou à une phase effective de traitement, à fixer une fibre optique (5) 30 présentant un embout de concentration (6), façonné d'un seul tenant et apte et destiné à produire un jet photonique (11), sur la pièce, l'article ou le matériau 8 dans la zone de travail (9), à ajuster le positionnement relatif de la section d'entrée de la fibre (5) pour optimiser l'injection, à conformer éventuellement la fibre (5) en fonction de la forme de la pièce, de l'article 35 ou du matériau (8) à traiter, de la localisation de la zone de travail (9), du trajet à parcourir pour effectuer le cycle de traitement ou de considérations géométriques et/ou topologiques analogues, à régler notamment la 3036050 - 14 - puissance de la source laser (4), la distance d optimale entre l'embout (6) et la pièce, l'article ou le matériau (8) et la vitesse de déplacement relatif, ce en fonction au moins de la nature de ladite pièce, dudit article ou dudit matériau (8) ou de sa surface et, enfin, à démarrer le traitement sous le 5 contrôle de l'unité de commande (13), en suivant préférentiellement un trajet ou un cycle de traitement préprogrammé.