FR2517131A1 - Dispositif pour faire varier la puissance d'un laser - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIF POUR FAIRE VARIER LA PUISSANCE DE SORTIE D'UN LASER, CARACTERISE EN CE QU'IL COMPREND UNE SOURCE POUR ENGENDRER UN FAISCEAU LASER, AU MOINS UNE PLAQUE A FACES PARALLELES 23, PRESENTANT UNE CARACTERISTIQUE DE TRANSMISSION POUR LE FAISCEAU LASER ET DISPOSEE DE MANIERE QUE LE FAISCEAU LASER Y PENETRE SELON UN ANGLE DE BREWSTER TH PAR RAPPORT A L'AXE OPTIQUE, DES MOYENS 24 POUR FAIRE TOURNER LA PLAQUE AUTOUR DE SON AXE OPTIQUE, ET UN CORPS 26 POUR ABSORBER LE FAISCEAU LASER REFLECHI A PARTIR DE LADITE PLAQUE.
Description
l 2517131 La présente invention est relative à un dispositif de changement
de puissance d'un laser, permettant de modifier la puissance de sortie d'un laser
avec stabilité.
Récemment, les lasers ont été utilisés sur une large échelle dans des domaines d'application variés Dans les domaines médicaux et dans des appli-
cations à des usinages de pièces délicates, on utilise un laser à gaz CO 2, pré-
sentant une puissance de sortie de l'ordre de plusieurs dizaines de watts, pour un laser typique Dans un tel laser à gaz, il est nécessaire de modifier
la puissance de sortie provenant de son oscillateur, en fonction de l'utilisa-
tion particulière du laser.
Un tel laser à gaz CO 2 est utilisé avec un mode d'oscillation compor-
tant une excitation par décharge luminescente dans un mélange de gaz à faible pression (de quelques milliers de Pascals), la puissance de sortie de l'oscillateur du laser étant rendue variable par modification de la quantité du courant de décharge Cependant, de tels moyens connus pour modifier la puissance de sortie du laser présentent les inconvénients suivants: a) le circuit de commande de courant de haute tension (de quelques k V à plusieurs dizaines de k V) est nécessaire pour contrôler et commander
le courant de décharge, et il en résulte des éléments de circuit de com-
mande du courant de grandes dimensions et de prix de revient important, pour des tensions aussi élevées; b) dans un laser à gaz à faible pression, avec une excitation par décharge, tel que le laser à gaz CO 2, la région d'oscillation sûre du laser n'est pas toujours positionnée sur la région de stabilisation de la décharge, et il en résulte que la modification du courant de décharge provoque un défaut
de stabilisation de la décharge, et donc de l'oscillation du laser Par con-
séquent, il est préférable de fixer à une valeur mieux appropriée la ten-
sion et le courant de décharge; c) en raison des motifs conduisant à l'inconvénient mentionné en b), on peut obtenir un changement stable de la puissance de sortie du laser par le contrôle du courant de décharge, mais seulement dans des régions de faible puissance de sortie correspondant à environ 30 % de la puissance de sortie maximale du laser;
d) les éléments de commande et de contrôle du courant de décharge de-
viennent un facteur déterminant, en ce qui concerne la durée de vie du
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dispositif. Il est connu qu'un laser à puissance de sortie élevée, à oscillation en ondes entretenues, présente une puissance de sortie très supérieure à celle
obtenue dans les lasers du type décrit ci-dessus, cependant, ces lasers à puis-
sance de sortie élevée, par exemple du type CO, HF ou DF, présentent encore les mêmes problèmes que les lasers selon la technique antérieure, étant donné qu'il est nécessaire d'en faire varier la puissance de sortie élevée en fonction
des applications Cependant, il n'a jamais été mis au point de moyens appro-
priés pour modifier la puissance de sortie de ces lasers à puissance de sortie
très élevée.
La présente invention se propose d'apporter des moyens permettant de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus des dispositifs de changement
de puissance de sortie des lasers selon la technique antérieure.
Un autre but de l'invention est d'apporter un dispositif de modification de la puissance de sortie d'un laser, permettant d'obtenir des modifications
stables de cette puissance à l'aide d'un système de réalisation et de fonctionne-
ment simple.
La présente invention vise en conséquence un dispositif pour faire varier
la puissance de sortie d'un laser qui comprend une source engendrant un fais-
ceau laser, au moins une plaque plate parallèle présentant une caractéristique de transmission pour le faisceau laser, et qui est disposée de manière que ce faisceau laser pénètre sur un axe optique de cette plaque selon un angle de Brewster, des moyens pour faire tourner la plaque autour de l'axe optique, et un corps d'absorption pour absorber le faisceau laser réfléchi à partir de la
dite plaque.
Selon la présente invention, les moyens pour faire tourner la plaque plate parallèle détectent l'augmentation de température du corps d'absorption du faisceau laser, déterminent arithmétiquement la puissance de sortie du laser traversant ladite plaque, et font tourner cette plaque sous l'action d'une puissance de sortie obtenue par comparaison de la valeur mesurée avec une
puissance de sortie de consigne du dispositif Selon l'invention, le corps ab-
sorbant le faisceau laser est pourvu de moyens de refroidissement Selon une autre caractéristique de l'invention, la plaque plate parallèle, les moyens de rotation de cette plaque et le corps absorbant le faisceau laser sont disposés
dans un résonateur de laser.
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D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront
de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés, qui en il-
lustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif Sur les dessins: la Figure 1 représente schématiquement le principe d'un dispositif pour faire varier la puissance de sortie d'un laser selon la présente invention; la Figure 2 est une vue schématique destinée à faire comprendre le principe de fonctionnement du dispositif représenté sur la Figure 1; la Figure 3 a est une vue schématique, en coupe partielle, illustrant un premier mode de réalisation d'un dispositif selon la présente invention;
la Figure 3 b est une vue en élévation latérale représentant un dispo-
sitif de commande de rotation du dispositif selon la présente invention repré-
senté sur la Figure 3 a
la Figure 4 est une vue schématique, partiellement en coupe, repré-
sentant un second mode de réalisation du dispositif selon la présente invention; la Figure 5 est une vue schématique, en coupe partielle, illustrant un troisième exemple de réalisation du dispositif selon l'invention; la Figure 6 est une vue schématique, en coupe partielle, illustrant un quatrième exemple de réalisation du dispositif selon l'invention; et, la Figure 7 est une vue schématique, partiellement en coupe, d'un
cinquième exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention.
On se réfère en premier lieu à la Figure 1, qui illustre un schéma de
principe d'un dispositif selon l'invention pour faire varier la puissance de sor-
tie d'un laser Sur cette Figure, la référence 1 désigne un oscillateur d'un laser à gaz CO 2, ou un résonateur présentant une fenêtre Il à angle de Brewster' et un miroir 12, pour dévier le faisceau de sortie du laser L'oscillateur 1 engendre un faisceau laser unique, polarisé linéairement 2 Dans cet exemple de réalisation, les composants polarisés 2 ' du faisceau laser oscillant sont constitués par de la lumière polarisée linéairement, ne présentant que des
composantes parallèles.
Une plaque plane 3, présentant deux faces parallèles et ayant des caractéristiques de passage du faisceau laser, telles que celles obtenues à
l'aide de Ge, Zn Se, est disposée sur un axe optique du faisceau laser 2 en-
gendré par l'oscillateur 1 La plaque plane 3 est disposée de manière que le faisceau laser 2 soit incident sur la plaque 3, selon un angle de Brewster B
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par rapport à la longueur d'onde d'oscillation.
Avec une telle disposition, on obtient un facteur de transmission du faisceau laser 2 vers la plaque plate à faces parallèles 3 égal à 100 5 o, par
suite de la loi de Brewster En d'autres termes, le faisceau laser Z est inci-
dent sur la plaque 3, dans un état correspondant à 100 % de condition de lu- mière polarisée Dans de telles conditions, on fait tourner la plaque 3 autour
de l'axe optique du faisceau laser 2, de manière à faire tourner la surface in-
cidente de ce faisceau laser par rapport à la plaque 3 (dans ces conditions, l'angle de rotation est O), on diminue les composantes P du faisceau laser 2 par rapport à la plaque 3, et on augmente les composantes S de façon qu'elles deviennent 100 % pour une valeur de O = 900 Par conséquent, le facteur
de transmission du faisceau laser 2 est minimal, dans ces conditions.
Le facteur de transmission de l'énergie, pour la plaque 3, peut s'ex-
primer sous la forme de l'expression ci-après, basée sur les formules de Fresnel T= o 2 sin 2 Q Bsin 2 ( B 7 J/2) 2 T =cos 9 e + _ x sin 1 sin r/2 formule dans laquelle O B = tg N (n étant l'indice de réfraction de la
plaque à faces parallèles 3).
Il en résulte que l'on peut changer le facteur de transmission du faisceau laser en faisant tourner la surface incidente de ce faisceau laser 2 par rapport à la plaque à faces parallèles 3 selon l'angle de rotation ce qui modifie la valeur du faisceau traversant la plaque 3 Par exemple, si l'on considère que l'on utilise un faisceau laser au CO ayant une longueur d'onde de 10, 6,um, et si l'on utilise une plaque à faces parallèles 3 du type Ge ( N = 4), si l'angle de rotation q de la plaque à faces parallèles 3 varie de O à 90 , le facteur de transmission de cette plaque variera de 100 % à 22 %, comme on peut le voir sur la courbe représentée sur la Figure 2, quillustre les variations du facteur de transmission de la plaque 3 en fonction de l'angle de rotation ói Dans ce cas, la longueur d'onde du laser à gaz CO se situe dans la région de l'infrarouge, de manière que l'indice de réflexion d'un élément transparent, tel que la plaque 3, dans la région de l'infrarouge, soit plus élevé que dans une région visible Il en résulte que le facteur de transmission,
pour / = 90 (entrée polarisée en mode S) est considérablement diminué.
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On décrira maintenant un exemple de réalisation d'un dispositif pour faire varier la puissance de sortie d'un laser selon la présente invention, en
se référant aux Figures 3 a et 3 b.
Sur la Figure 3 a, la référence 21 désigne l'oscillateur d'un laser à gaz Co 2 ayant une fenêtre 211 à angle de Brewster, et un miroir 212 pour dévier
le faisceau de sortie du laser L'oscillateur 21 engendre un faisceau laser 22.
Un élément transparent, constitué par exemple par une plaque plane à faces parallèles 23 en Ge, Zn Se, et comportant une caractéristique appropriée de transmission du faisceau laser, est prévu sur l'axe optique du faisceau laser 22 La plaque à faces parallèles 23 est montée sur un support 24, avec une certaine inclinaison, qui est choisie de manière que le faisceau laser 22 soit incident selon l'angle de Brewster GB.
Le support 24 présente une forme cylindrique, et l'une de ses extrémi-
tes ouvertes supporte la plaque 23, cependant que son autre extrémité ouverte est pourvue d'un mécanisme de commande de rotation 25 Ce mécanisme de commande 25 entraîne enl rotation le support 24 autour de l'axe optique, ce qui se traduit par une rotation de la plaque à faces parallèles 23 autour de l'axe
optique Comme on peut le voir sur la Figure 3 b, le mécanisme d'entralne-
ment 25 est constitué par un pignon 251, monté sur le support 24, et par une
crémaillère 252, en prise avec le pignon 251.
Un corps absorbant le faisceau laser 26, constitué par exemple sous la forme d'une brique, est disposé sur la périphérie du support 24 Ce corps 26 est choisi de ma'nière à absorber le faisceau laser réfléchi par la plaque à
faces parallèles 23 Le corps absorbant 26 est muni de moyens de refroidisse-
ment, par exemple sous la forme d'une chemise 27 à circulation d'eau, afin
d'éliminer l'énergie calorifique engendrée dans ce corps 26 De l'eau de re-
froidissement est délivrée à la chemise 27.
On expliquera maintenant le fonctionnement du dispositif décrit ci-
dessus en référence aux Figures 3 a et 3 b.
Le faisceau laser 22 engendré par l'oscillateur 21 est incident sur la surface de la plaque à laces parallèles 23 Lorsque l'angle de rotation e de la surface incidente du faisceau laser 22, par rapport à la plaque 23, est
égal à 0 ^, le facteur de transmission de la plaque à faces parallèles 23 de-
vient égal à 100 %, si bien que l'on peut obtenir un facteur de transmission
de 100 %, en ce qui concerne le faisceau laser 22 ' traversant la plaque 23.
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Lorsque le mécanisme d'entraînement 25 fait tourner le support 24, et
par conséquent la plaque à faces parallèles 23, autour de l'axe optique, c'est-
à-dire lorsque l'angle de rotation S varie dans un domaine compris entre O' et 90 ', on modifie le facteur de transmission de la plaque 23, de manière à pouvoir obtenir un faisceau laser transmis 22 ', correspondant au facteur de
transmission, et le faisceau laser réfléchi 22 " est absorbé par le corps ab-
sorbant 26 Si l'on utilise un laser à gaz CO 2 présentant une puissance de sortie de 100 W, le faisceau laser réfléchi présente une puissance de 80 W pour 1 = 90 Le corps absorbant 26 est réalisé sous la forme d'une brique, présentant d'excellentes propriétés réfractaires, et l'eau de refroidissement
délivrée à la chemise 27 permet d'éliminer de façon positive l'énergie calori-
fique provenant du faisceau réfléchi.
Comme on l'a décri t précédemment, on peut, en variante, modifier la puissance de sortie du faisceau laser en faisant tourner le support 24 et la
plaque à faces parallèles 23, par l'action du mécanisme d'entraînement 25.
Lorsque la plaque 23 est constituée de Ge (n = 4, O), la puissance de sortie du faisceau laser peut 8 tre modifiée dans un domaine de facteur de transmission
compris entre 100 % et 22 %o.
Selon une telle réalisation, la plaque à faces parallèles est disposée de manière que le faisceau laser soit incident sur l'axe optique du faisceau, selon un angle de Brewster, et la plaque est entraînée en rotation autour de l'axe
optique, de manière a pouvoir modifier la puissance de sortie du faisceau laser.
On obtient ainsi un dispositif de construction et de fonctionnement simples.
L'angle de rotation de la plaque à faces parallèles est de 90 e Mais, même si l'on augmente la valeur de cet angle, la puissance de sortie du laser change uniquement dans la région variable, si bien que l'on peut supprimer un mécanisme d'arrêt (butée), ce qui simplifie la construction du dispositif Par ailleurs, le réglage d'angles relativement importants se traduit par un réglage très fin de la puissance de sortie du faisceau laser et par une grande précision
mécanique.
La modification de la puissance de sortie du faisceau laser est obtenue indépendamment de l'oscillateur du laser, si bien que ce dernier est utilisé dans les meilleures conditions de stabilité (courant et pression du gaz, dans
le cas d'un laser à gaz) Il est donc inutile de prévoir des circuits de com-
mande stabilisés en courant, dans la source d'alimentation de l'oscillateur
ce qui permet de réaliser un oscillateur de faibles dimensions et peu coûteux.
On se réfère maintenant à la Figure 4, qui illustre un second exemple
de réalisation d'un dispositif selon la présente invention Dans ce mode d'exé-
cution, le corps absorbant le faisceau laser 26 est fixé au support 24, et il est donc entraîné en rotation avec ce support autour de l'axe optique Les autres
éléments de ce dispositif sont identiques à ceux du dispositif décrit cidessus.
Dans un tel exemple de réalisation, les dimensions du corps absorbant 26 peuvent être faibles, de manière que le spot du faisceau laser réfléchi 22 "
soit incident sur le corps 26.
La Figure 5 illustre un autre exemple de réalisation d'un dispositif selon la présente invention Dans cette variante, la puissance de sortie du laser peut être réglée automatiquement à une valeur de consigne Dans ce but,
le corps 26 absorbant le faisceau laser joue le rôle de détecteur de tempéra-
ture, de façon que toute augmentation de température du corps 26, due au
faisceau laser réfléchi 22 " à partir de la plaque 23, soit détectée par un cir-
cuit 30, que la puissance de sortie du faisceau laser 22 ' traversant la plaque 23 soit déterminée arithmétiquement en fonction de la température détectée, et que la puissance de sortie ainsi déterminée soit affichée sur un système de
visualisation ou d'affichage 31 Simultanément, la sortie du circuit de détec-
tion 30 est délivrée à un circuit de comparaison 32 qui compare cette sortie à une sortie provenant d'une unité de détermination de sortie 33, qui fixe la
valeur de la puissance de sortie du laser à une quantité prédéterminée.
La sortie comparée du comparateur 32 est délivrée au mécanisme de
commande de rotation 25 par l'intermédiaire d'un circuit d'entrarnernent 34.
Le mécanisme de commande 25 entrarne le support 24, ce qui a pour résultat
de régler le faisceau laser 22 ' traversant la plaque 23 à la valeur de consigne.
Grâce à une telle réalisation, on peut automatiquement régler la puis-
sance de sortie du laser à la valeur de consigne déterminée au cours d'une
opération particulièrement simple.
On se réfère maintenant à la Figure 6, qui illustre un autre exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention Dans cette variante, la région variable de puissance de sortie peut être importante A cet effet, une pluralité de plaques à faces parallèles 231, 232 (dans l'exemple illustré par le dessin on a représenté deux plaques) sont disposées de manière que le faisceau laser 22 soit incident sur l'axe optique selon un angle de Brewster B Les plaques
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à faces parallèles 231, 232 sont montées sur un support commun 24, et elles sont entraînées en rotation autour de l'axe optique par l'action d'un mécanisme d'entraînement 24 Les références 261 et 262 désignent des corps absorbant
le faisceau laser réfléchi par chaque plaque parallèle 231, 232, respectivement.
Grâce à une telle réalisation, le facteur de transmission peut être modifié par chaque plaque 231, 232, si bien que la région variable de puissance de sortie du laser peut être importante Par exemple, si l'on suppose que l'on
utilise des plaques à faces parallèles 231, 232 en Ge (n = 4, 0), la région va-
riable de puissance de sortie peut être large pour la région comprise entre 4 et 100 qo Si l'on utilise des plaques 231, 232 en Zn Se (n = 2,4), la région de
puissance de sortie peut être large pour la région comprise entre 12 et 100 %.
L'utilisation de deux plaques à faces parallèles 231 et 232 se traduit par une correction de l'écart d'axe optique et par une puissance de sortie appropriée
du faisceau laser.
La Figure 7 illustre une variante du dispositif selon l'invention qui est disposée de façon indépendante à la sortie de l'oscillateur du laser Cependant,
ce dispositif peut être placé à l'intérieur du résonateur du laser Dans ce dis-
positif, on retrouve les mêmes composants que dans l'exemple selon la Figure
3, notamment une fenêtre 211 à angle de Brewster et un miroir 212 pour dé-
vier le faisceau de sortie du résonateur Grâce à une telle variante, la rotation du support 24 modifie les pertes du résonateur, ce qui permet de régler la
sortie oscillée.
Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux divers exemples de réalisation décrits et représentés ici, mais qu'elle en
englobe toutes les variantes.
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Claims (4)
1 Dispositif pour faire varier la puissance de sortie d'un laser, caractérisé en ce qu'il comprend une source pour engendrer un faisceau laser,
au moins une plaque à faces parallèles ( 3; 23; 231-232), présentant une carac-
téristique de transmission pour le faisceau laser, et disposée de manière que le faisceau laser y pénètre selon un angle de Brewster (OB) par rapport à 1 'axe optique, des moyens ( 24) pour faire tourner la plaque autour de son axe optique, et un corps ( 26; 26 '; 261-262) pour absorber le faisceau laser réfléchi
à partir de ladite plaque.
2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour faire tourner la plaque à faces parallèles détectent l'augmentation de
température du corps absorbant le faisceau laser ( 26), déterminent arithméti-
quement la puissance de sortie du faisceau laser qui traverse ladite plaque, et
font tourner cette plaque sous l'effet d'une sortie obtenue en comparant le ré -
sultat de la mesure avec une valeur de consigne du dispositif.
3 Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce
que le corps absorbant le faisceau laser réfléchi est muni de moyens de re-
froidis sement.
4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caracté-
risé en ce que la plaque à faces parallèles ( 23), les moyens de rotation de la plaque ( 24) et le corps absorbant le faisceau laser réfléchi sont montés dans
un résonateur du laser.
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