EP1252543A1 - Dispositif de balayage d'un foyer de faisceau de laser - Google Patents

Dispositif de balayage d'un foyer de faisceau de laser

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EP1252543A1
EP1252543A1 EP01905856A EP01905856A EP1252543A1 EP 1252543 A1 EP1252543 A1 EP 1252543A1 EP 01905856 A EP01905856 A EP 01905856A EP 01905856 A EP01905856 A EP 01905856A EP 1252543 A1 EP1252543 A1 EP 1252543A1
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EP
European Patent Office
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membrane
laser beam
mirror
scanning
beam focus
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Withdrawn
Application number
EP01905856A
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German (de)
English (en)
Inventor
Jacques Paris
Patrick Rouannet
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Publication date
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/046—Automatically focusing the laser beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
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    • G02B26/0825—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a flexible sheet or membrane, e.g. for varying the focus
    • G—PHYSICS
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    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B18/18—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves
    • A61B18/20—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser
    • A61B2018/2035—Beam shaping or redirecting; Optical components therefor
    • A61B2018/20351—Scanning mechanisms
    • A61B2018/20359—Scanning mechanisms by movable mirrors, e.g. galvanometric

Definitions

  • This invention is a device for scanning a laser beam focus.
  • Power lasers make it possible to focus a strong light energy in a focal point of reduced volume and can find applications in physics for the study of particles, the confinement of plasmas, the machining or the section of organic tissues in surgery. Most of these applications require moving the focus so that it scans a path, which is difficult to achieve in a simple way.
  • the laser itself is bulky, it is preferable to leave it stationary and to move only the beam. This is possible by passing it through an optical fiber, but not in all cases, and especially not at frequencies outside the visible spectrum, while infrared lasers are very popular because of their power.
  • Another way to move a beam is to pass it through a rotating mirror, but movement of the focus in all directions can only be obtained with a succession of mirrors rotating around different axes, which poses considerable problems. control of the position of the mirrors, since a rotation of a mirror requires moving all the mirrors located downstream so that the beam continues to pass through them. In addition, a significant part of the energy ends up being lost. This is why it is proposed here to sweep a trajectory through a focal point of the laser beam without displacing the beam, but by modifying its focal distance. This is achieved by means of a mirror at variable curvature, the variation in curvature of which is associated with a variation in the focusing of the light rays; the flexibility of the membrane allows significant deformations and therefore long scanning lengths.
  • the invention relates in its most general form to a device for scanning a laser beam focus, comprising a flexible and taut membrane on which the beam is projected and reflected upstream of the focus, adjustable means variation in the curvature of the membrane and of the means for cooling the membrane.
  • the means for varying the curvature are double and include a means for applying pressure distributed over the membrane and a means for applying pressure concentrated over the membrane.
  • the means for applying distributed pressure is a means for varying the pressure of a closed chamber delimited by the membrane, and the means concentrated pressure application is an electrical circuit with generator of direct voltage between the membrane and an electrode adjacent to a central portion of the membrane.
  • the membrane cooling means are essential for removing the incident heat from the laser. They can include gas blowing means in front of a face of the membrane, and these means can consist of a circuit for renewing the gaseous content of the closed chamber.
  • tilting devices for the membrane can make it possible to adjust the orientation of the mirror and therefore the position of the focal point of the beam in other directions.
  • Figure 1 is a general view of the device, • Figure 2 illustrates the mirror," and Figure 3 is a curve giving experimental results.
  • FIG. 1 illustrates a laser 1 which projects a beam 2 towards a mirror 3 which reflects it and focuses it; the focal point of the beam 2 bears the reference 4.
  • the mirror 3 is a flexible membrane of small thickness which may be made of metal, ceramic or composite material, possibly covered with a reflective coating 5 on the face opposite to the beam 2 if the basic material is not.
  • the foil, metallized carbon and alumina-based ceramics are proposed as examples, noting that the choice will often depend on the wavelength of the reflected light.
  • the membrane is stretched over a drum 6 which defines with it and a bottom wall 7 a closed chamber 8.
  • Means described below and mainly present in the closed chamber 8 make it possible to modify the curvature of the mirror 3 and therefore the distance from the focus 4, which sweeps the direction X coincident with that of the beam 2 downstream of the mirror 3.
  • the beam 2 is projected at the center of the membrane 3, whose average orientation is invariable, it is not deflected when the curvature of the mirror 3 is modified, but a deflection of beam 2 in a perpendicular direction Y is possible by rotating the mirror 3: provision is then made to mount the drum 6 on an axis of rotation 9 passing through the center of the mirror 3 and perpendicular to the direction Y.
  • the axis 9 will be driven by a motor not shown.
  • a second adjustable pump 14 which opens out to extract a part of the contents of the closed chamber 8 and subject it to a vacuum which results in a depression of the mirror 3.
  • the adjustment of the vacuum of the pump 14 varies the curvature of the membrane, the focusing of the beam 2 and the position of the focal point 4.
  • An electrical circuit 16 connects the electrode 15 to the mirror 3 by means of the bottom wall 7 and the drum 6.
  • the electrical circuit 16 comprises a DC voltage generator 17, a rheostat 18 which varies the voltage applied to the terminals of the circuit, and a sinusoidal voltage generator 19 in series with the previous one and which can be started or stopped by a switch not shown.
  • the electrostatic charges of opposite signs created by the generator 17 between the membrane and the electrode 15 also produce an attraction and a curvature thereof.
  • the rheostat 18 makes it possible to vary the electrostatic attraction.
  • the start-up of the sinusoidal voltage generator 19 produces a periodic variation in the quantity of electric charges and therefore an oscillation of the mirror 3, welcome in certain applications such as the welding of thick parts, where the hearth 4 is brought to different depths of the joint. .
  • the electrode 15 can be fine or, on the contrary, widen into a plate 20, depending on whether one wishes to concentrate or better distribute the electrostatic forces on the surface of the mirror 3; it can be hollow and serve as an extension to one of the discharge and suction conduits 10 and 11; when the plate 20 exists, it too is then hollow and provided with holes 21 for the passage of gas on its front face, which directs and distributes the cooling circuit well on the rear face of the mirror 3.
  • FIG. 3 illustrates the variations of a focal distance f as a function of a depression P expressed in natural logarithms.
  • the amplitude of the focal distance f which it is possible to apply between a zero depression and an asymptotic minimum distance obtained at high depressions is very large in relative value as in absolute value; the focal length f is expressed in meters and was obtained with a drum 30 mm in diameter and a membrane 0.5 mm thick. Thinner membranes should further reduce the minimum focal length.
  • the pressure or the blowing of gas to achieve the curvature or the cooling can be applied to the external face of the mirror 3. It is possible to focus the beam 2 in a line instead of a point if the mirror 3 is elongated and stretched between two long sides of a rectangular frame replacing the circular drum 6.
  • the mirror 3 can take other geometric shapes depending on the result to be obtained. Similarly, it can be assigned a variable thickness, for example smaller in the center: the radius of curvature determining the focusing of the beam 2 is then smaller without the mechanical resistance of the mirror 3 being much affected. As the beam 2 generally only reaches a relatively small central portion of the mirror 3, the curvature of which is roughly uniform, the focusing is almost perfect.

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Abstract

La distance focale (f) d'un faisceau (2) de laser (1) est ajustée en projetant le faisceau (2) au centre d'un miroir (3) à courbure variable et commandé par un circuit de dépression ou des forces électrostatiques. On peut ainsi déplacer le foyer (4) dans une direction inaccessible aux moyens usuels tels que les miroirs tournants mais rigides.

Description

DISPOSITIF DE BALAYAGE D'UN FOYER DE FAISCEAU DE LASER
DESCRIPTION
Cette invention ressortit à un dispositif de balayage d'un foyer de faisceau de laser. Les lasers de puissance permettent de focaliser une forte énergie lumineuse dans un foyer de volume réduit et peuvent trouver des applications en physique pour l'étude des particules, le confinement des plasmas, l'usinage ou la section de tissus organiques en chirurgie. La plupart de ces applications imposent de déplacer le foyer pour qu'il balaye une trajectoire, ce qui est difficile à réaliser de façon simple. Comme le laser lui-même est volumineux, on préfère de le laisser immobile et de ne déplacer que le faisceau. Cela est possible en le faisant passer par une fibre optique, mais pas dans tous les cas, et notamment pas aux fréquences hors du spectre visible, alors que les lasers à infrarouge sont très appréciés en raison de leur puissance. Un autre moyen de déplacer un faisceau consiste à le faire passer par un miroir tournant, mais un mouvement du foyer dans toutes les directions ne peut être obtenu qu'avec une succession de miroirs tournant autour d'axes différents, ce qui pose des problèmes considérables d'asservissement de la position des miroirs, puisqu'une rotation d'un miroir impose de déplacer tous les miroirs situés en aval pour que le faisceau continue de passer par eux. De plus, une partie importante de l'énergie finit par être perdue . C'est pourquoi il est proposé ici de faire balayer une trajectoire par un foyer de faisceau de laser sans déplacer le faisceau, mais en modifiant sa distance focale. On y parvient au moyen d'un miroir à courbure variable, dont la variation de courbure est associée à une variation de focalisation des rayons lumineux ; la souplesse de la membrane autorise des déformations importantes et donc de grandes longueurs de balayage. Il est à noter que de tels miroirs sont déjà connus dans des télescopes ou d'autres dispositifs optiques, mais la variation de longueur focale était plutôt utilisée pour régler l'appareil et donner une image nette d'un rayonnement naturel (cf. le brevet français 2 662 512). La déformation est commandée souvent par des réseaux de capteurs piézoélectriques dont les déplacements déterminent un profil bidimensionnel de la membrane, mais de tels actionneurs n'ont qu'une étendue de déplacement réduite et leur commande simultanée à des déplacements tous différents est dispendieuse. Ils conviennent mal pour imposer des courbures régulières (plutôt que des déplacements locaux) , surtout si la membrane est soumise à de grands déplacements d'ensemble. Un exemple d'un tel art antérieur est dans US-4 934 803-A.
Pour résumer, l'invention est relative sous sa forme la plus générale à un dispositif de balayage d'un foyer de faisceau de laser, comprenant une membrane souple et tendue sur laquelle le faisceau est projeté et réfléchi en amont du foyer, des moyens réglables de variation de courbure de la membrane et des moyens de refroidissement de la membrane. De plus grandes possibilités de réglages de focalisation peuvent être obtenues si les moyens de variation de courbure sont doubles et comprennent un moyen d'application de pression répartie sur la membrane et un moyen d'application de pression concentrée sur la membrane. Le moyen d'application de pression répartie est un moyen de variation de pression d'une chambre close délimitée par la membrane, et le moyen d'application de pression concentrée est un circuit électrique à générateur de tension continue entre la membrane et une électrode adjacente à une portion centrale de la membrane. Les moyens de refroidissement de la membrane sont essentiels pour évacuer la chaleur incidente du laser. Ils peuvent comprendre des moyens de soufflage de gaz devant une face de la membrane, et ces moyens peuvent consister en un circuit de renouvellement du contenu gazeux de la chambre close.
Enfin, des dispositifs d'inclinaison de la membrane peuvent permettre de régler 1 ' orientation du miroir et donc la position du foyer du faisceau dans d'autres directions. L'invention sera maintenant décrite en liaison aux figures suivantes qui en représentent une réalisation favorite :
" la figure 1 est une vue générale du dispositif, • la figure 2 illustre le miroir, " et la figure 3 est une courbe donnant des résultats expérimentaux.
La figure 1 illustre un laser 1 qui projette un faisceau 2 vers un miroir 3 qui le réfléchit et le focalise ; le foyer du faisceau 2 porte la référence 4. Le miroir 3 est une membrane souple de faible épaisseur qui peut être en métal, en céramique ou en matière composite, éventuellement recouverte d'un revêtement réfléchissant 5 sur la face opposée au faisceau 2 si la matière de base ne l'est pas. On propose le clinquant, le carbone métallisé et les céramiques à base d'alumine à titre d'exemples, en faisant remarquer que le choix dépendra souvent de la longueur d'onde de la lumière réfléchie. La membrane est tendue sur un tambour 6 qui délimite avec elle et une paroi de fond 7 une chambre close 8. Des moyens décrits ci-dessous et présents pour l'essentiel dans la chambre close 8 permettent de modifier la courbure du miroir 3 et donc la distance du foyer 4, qui balaye la direction X confondue avec celle du faisceau 2 en aval du miroir 3. Comme le faisceau 2 est projeté au centre de la membrane 3, dont l'orientation moyenne est invariable, il n'est pas dévié quand la courbure du miroir 3 est modifiée, mais une déviation du faisceau 2 dans une direction Y perpendiculaire est possible en faisant tourner le miroir 3 : on prévoit alors de monter le tambour 6 sur un axe de rotation 9 passant par le centre du miroir 3 et perpendiculaire à la direction Y. L'axe 9 sera entraîné par un moteur non représenté. Il est aussi possible de déplacer le faisceau 2 suivant une troisième direction Z en montant le miroir 3 sur un cardan. On ne s'étendra pas sur de tels dispositifs, qui sont connus dans l'art pour orienter des miroirs plans, et on passe plutôt au commentaire de la figure 2. Débouchent dans la chambre close 8 un conduit de refoulement 10 et un conduit d'aspiration 11 d'une pompe 12 reliée à une source froide 13 : l'air de la chambre close 8 est soumis à un recyclage par la pompe 12 où il est refroidi, ce qui maintient le contenu de la chambre close 8 ainsi que le miroir 3, pourtant chauffé par le faisceau 2, à une température acceptable. La pompe 12 fonctionne en circuit fermé et n'a donc pas d'influence sur la pression dans la chambre close 8. On ne peut en dire autant d'une deuxième pompe 14 réglable et qui débouche à l'extérieur afin d'aspirer une partie du contenu de la chambre close 8 et de la soumettre à une dépression qui se traduit par un enfoncement du miroir 3. Le réglage de la dépression de la pompe 14 fait varier la courbure de la membrane, la focalisation du faisceau 2 et la position du foyer 4.
Un effet analogue est obtenu avec une électrode 15 située en face du centre de la membrane et qui pénètre dans la chambre close 8 en traversant la paroi de fond 7. Un circuit électrique 16 relie l'électrode 15 au miroir 3 par l'intermédiaire de la paroi de fond 7 et du tambour 6. Le circuit électrique 16 comprend un générateur de tension continue 17, un rhéostat 18 qui fait varier la tension appliquée aux bornes du circuit, et un générateur de tension sinusoïdale 19 en série avec le précédent et qui peut être mis en marche ou arrêté par un interrupteur non représenté. Les charges électrostatiques de signes opposés créées par le générateur 17 entre la membrane et l'électrode 15 produisent elles aussi une attraction et une courbure de celle-là. On peut utiliser l'un ou l'autre des systèmes en pratique, mais il est à noter que si la dépression de la pompe 14 est appliquée uniformément sur toute la superficie de la membrane, les forces électrostatiques sont plutôt concentrées au centre de celle-ci, ce qui peut produire une déformation différente ; selon le cas, on pourra préférer l'un ou l'autre de ces procédés ou une combinaison des deux pour obtenir de meilleurs résultats : le moyen à la pompe 14, qui commande une courbure régulière, sera préféré en général comme donnant des résultats plus précis, puisque la focalisation sera indépendante du lieu de réflexion du faisceau 2, mais l'électrode 15 offrira une focalisation localement plus forte et pourra être préférée pour les états extrêmes de déformation du miroir 3.
Un autre intérêt du moyen de commande double, surtout avec une commande électrostatique de faible inertie, est donné ci-après. Le rhéostat 18 permet de varier l'attraction électrostatique. La mise en route du générateur de tension sinusoïdale 19 produit une variation périodique de la quantité de charges électriques et donc une oscillation du miroir 3 , bienvenue dans certaines applications comme le soudage de pièces épaisses, où le foyer 4 est porté à différentes profondeurs du joint.
L'électrode 15 peut être fine ou au contraire s'élargir en un plateau 20, selon qu'on souhaite concentrer ou mieux répartir les forces électrostatiques à la surface du miroir 3 ; elle peut être creuse et servir de prolongement à un des conduits de refoulement et d'aspiration 10 et 11 ; quand le plateau 20 existe, lui aussi est alors creux et muni de trous 21 de passage de gaz à sa face avant, ce qui dirige et répartit bien le circuit de refroidissement sur la face arrière du miroir 3.
La figure 3 illustre les variations d'une distance focale f en fonction d'une dépression P exprimée en logarithmes népériens. On voit que l'amplitude de la distance focale f qu'il est possible d'appliquer entre une dépression nulle et une distance minimale asymptotique obtenue aux fortes dépressions est très grande en valeur relative comme en valeur absolue ; la distance focale f est exprimée en mètres et a été obtenue avec un tambour de 30 mm de diamètre et une membrane de 0,5 mm d'épaisseur. Des membranes plus fines devraient permettre de réduire encore la distance focale minimale.
La pression ou le soufflage de gaz pour réaliser la courbure ou le refroidissement peuvent être appliqués sur la face externe du miroir 3. Il est possible de focaliser le faisceau 2 en une ligne au lieu d'un point si le miroir 3 est allongé et tendu entre deux grands côtés d'un cadre rectangulaire remplaçant le tambour 6 circulaire.
Le miroir 3 peut prendre d'autres formes géométriques en fonction du résultat à obtenir. De même, on peut lui attribuer une épaisseur variable, par exemple plus faible au centre : le rayon de courbure déterminant la focalisation du faisceau 2 est alors plus petit sans que la résistance mécanique du miroir 3 soit beaucoup affectée. Comme le faisceau 2 n'atteint généralement qu'une portion centrale relativement petite du miroir 3, dont la courbure est à peu près uniforme, la focalisation est presque parfaite.
D'autres circuits de refroidissement sont envisageables ainsi que d'autres fluides, et notamment des liquides.
Enfin, d'autres moyens pour déformer le miroir 3 sont concevables, mais les moyens sans contact solide sont préférés et probablement nécessaires pour que la courbure soit régulière et sans couplage notable entre les deux moyens, dont les actions peuvent être réglées indépendamment et se superposent sans trouble pour l'opérateur. De plus, la courbure du miroir 3, qui régit la focalisation, ne peut être commandée directement que par des champs de forces ou des fluides, alors que les actionneurs solides commandent plutôt des déplacements .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de balayage d'un foyer de faisceau de laser, comprenant une membrane (3) souple et tendue sur laquelle le faisceau (2) est projeté et réfléchi en amont du foyer (4) , des moyens réglables de variation de courbure de la membrane et des moyens de refroidissement de la membrane caractérisé en ce que les moyens de variation de courbure sont doubles et comprennent un moyen d'application de pression répartie sur la membrane et un moyen d'application de pression concentrée sur la membrane, et le moyen d'application de pression répartie est un moyen de variation de pression (14) d'une chambre close (8) délimitée par la membrane, et le moyen d'application de pression concentrée est un circuit électrique (16) à générateur de tension continue (17) entre la membrane (3) et une électrode (15) adjacente à une portion centrale de la membrane .
2. Dispositif de balayage d'un foyer de faisceau de laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit électrique comprend encore un générateur de tension oscillante entre la membrane et 1 ' électrode .
3. Dispositif de balayage d'un foyer de faisceau de laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement de la membrane comprennent des moyens de soufflage de gaz devant une face de la membrane.
4. Dispositif de balayage d'un foyer de faisceau de laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de soufflage de gaz comprennent un circuit (10, 11, 12) de renouvellement de contenu gazeux de la chambre close (8) .
5. Dispositif de balayage d'un foyer de faisceau de laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'orientation (9) de la membrane .
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