FR2654842A1 - Dispositif de diminution de la divergence d'un faisceau lumineux. - Google Patents

Abstract

Il comprend des moyens optiques (22, 24) qui sont aptes à déformer le faisceau lumineux (divergent) et à l'allonger suivant une direction perpendiculaire à l'axe (Z) de propagation du faisceau, ce qui diminue la divergence du faisceau parallèlement à cette direction. Application au soudage de pièces mécaniques par faisceaux lasers de puissance.

Description

DESCRIPTION
La présente invention concerne un dispositif de diminution de la divergence d'un faisceau lumineux (divergent). Elle trouve des applications notamment dans le domaine des traitements (soudage, découpage, marquage, traitement de surface ou encore brasage, par exemple) de pièces mécaniques au moyen de lasers de puissance, par exemple de type VAG.

Il est connu de traiter une pièce mécanique 2 (figure 1) au moyen d'un laser de puissance 4 qui est par exemple un laser YAG pulsé.

A cet effet, on peut utiliser le faisceau lumineux du laser 4 directement à la sortie du résonateur de ce laser et focaliser le faisceau sur la pièce 2 au moyen d'une lentille convergente cLassique de longueur focale positive f, la pièce 2 étant à la distance f de la lentille 6.

En théorie, le faisceau lumineux directement issu du laser est spatialement cohérent et Les rayons lumineux de ce faisceau sont donc parallèles. De ce fait, il est possible de Les focaliser directement sur
La pièce 2. On obtient ainsi, au point focaL, une densité surfacique d'énergie supérieure à ceLle que l'on obtiendrait si le faisceau issu du laser était transporté par une fibre optique avant d'être focalisé sur la pièce. Ceci est dû au fait :
- qu'il n'y a pas de perte d'énergie (de
L'ordre de 20 à 25X), comme il s'en produit dans une fibre optique, et
- que le faisceau lumineux est spatialement plus cohérent qu'un faisceau issu d'une fibre optique et peut donc être focalisé sur une surface beaucoup plus petite.

Ainsi est-on conduit, notamment dans le cas d'un soudage au moyen du faisceau directement issu du laser, à utiliser le principe connu de la sousfocalisation (ou de la sur-focalisation) pour réduire la densité surfacique d'énergie sur la pièce à souder.

Ce principe sera expliqué par la suite.

On a indiqué plus haut que, en théorie, les rayons du faisceau lumineux directement issu du laser étaient parallèles. Malheureusement, en pratique, ceci n'est pas vrai lorsqu'on utilise un laser de puissance par exemple de type YAG : un tel laser fournit un faisceau lumineux divergent pour des raisons physiques liées au pompage du milieu actif que comporte ce laser.

La divergence du faisceau varie de façon approximativement proportionnelle à la puissance lumineuse fournie au milieu actif (barreau-laser) pour le pompage de celui-ci. Ainsi, à une puissance requise pour obtenir une soudure ayant la profondeur de pénétration souhaitée correspond une divergence.

Ceci pose un problème notamment en ce qui concerne La position du point focal. En effet, en considérant par exemple une Lentille 6 plan-convexe de longueur focale f positive, il est connu qu'un faisceau lumineux de divergence t négative par convention, qui arrive sur la lentille suivant l'axe optique de celLeci, est focalisé dans un plan situé à une distance L, supérieure à f, de la lentille et donc plus éloigné de cette lentille que le plan focal théorique.

La distance L est donnée par la formule suivante :
L = D.f/(D + (f.t)) (1) où D est le diamètre du faisceau incident, au niveau de la lentille, pour un faisceau cylindrique présentant une symétrie de révolution autour de L'axe optique de la Lentille.

La distance L est donc une fonction de la divergence t du faisceau, ce qui est très gênant notamment dans le domaine du soudage
- lorsqu'on désire travailler à surface d'impact constante du faisceau sur la pièce 2, il convient de réajuster la distance de tir (distance séparant la lentille de focalisation 6 de la pièce 2) pour chaque valeur de la puissance Lumineuse fournie au milieu actif du laser 4 (cette puissance étant choisie, entre autres, suivant la profondeur de pénétration désirée) ;
- lorsqu'on désire travailler à distance de tir constante, il est difficile de maîtriser le faciès des soudures ainsi que la profondeur de pénétration de celles-ci étant donné que la densité surfacique d'énergie au point d'impact sur La pièce 2 suit les fluctuations de L.

En effet, cette densité surfacique d'énergie
DE est égale au rapport E/S où E est L'énergie d'une impulsion lumineuse fournie par le laser pulsé 4 et S est la surface du point d'impact. Il en résuLte que, à distance de tir constante, S et donc DE suivent les fluctuations de L.

On voit donc que la divergence du faisceau lumineux émis par un laser de puissance constitue un inconvénient.

Pour remédier à cet inconvénient, il est connu de faire subir une expansion au faisceau, à sa sortie du laser, c'est-à-dire de muLtiplier le diamètre de ce faisceau par un facteur n (supérieur à 1) grâce à des moyens appropriés.

Une telle expansion a pour effet de diviser
la divergence du faisceau par le facteur n : à la sortie des moyens d'expansion, la divergence du faisceau n'est plus égale à t mais à t/n.

A titre d'exemple, on considère un faisceau qui, à la sortie du résonateur du laser, a un diamètre de 6,35 mm et une divergence de -12 mrd et qui est focalisé par une lentille de longueur focale f=200 mm.

Sans les moyens d'expansion, la formule (1) conduit à une valeur de L égale à 321,5 mm.

Avec des moyens d'expansion correspondant à n=3, la divergence devient égale à -4 mrd et la formule (1) conduit à une valeur de L égale à 208,7 mm.

Les moyens d'expansion permettent donc de ramener L à des valeurs proches de f et d'atténuer les variations de la position du point de focalisation du faisceau issu du laser de puissance.

Ces moyens d'expansion sont plutôt utilisés pour des traitements tels que le découpage ou le perçage de pièces par exemple, qui nécessitent des densités surfaciques d'énergie très élevées.

L'obtention de densités surfaciques d'énergie très élevées résulte du fait que le diamètre du point focal est sensiblement inversement proportionnel au diamètre du faisceau incident sur la lentille de focalisation, comme on le verra plus loin.

Sur la figure 2, on a représenté schématiquement des moyens d'expansion connus. Ceux-ci sont composés de lentilles classiques, à savoir une lentille classique 8 de type plan-concave et une lentille classique 10 de type plan-convexe qui ont un foyer commun F. Les lentilles 8, 10 et 6 sont placées dans cet ordre à La sortie du laser 4 et ont le même axe optique Z.

On notera que Les lentilles 8 et 10 conservent la section transversale circulaire du faisceau : ce dernier a, de sa sortie du laser jusqu'au point de focalisation, une section transversale circulaire.

Avec le système schématiquement représenté sur la figure 2, comprenant le laser de puissance 4, par exemple de type YAG pulsé, ainsi que les moyens d'expansion 8, 10 et la lentille de focalisation 6, on arrive à créer au point focal les températures de vaporisation de la pièce.

Ces températures de vaporisation, qui sont utiles pour des opérations de découpage, sont gênantes pour le soudage. En effet, on met alors en oeuvre des cycles thermodynamiques générateurs de projections de matière en fusion, projections qui sont incompatibles avec la notion de soudure saine que l'on recherche.

Il est alors nécessaire de trouver un réglage de la lentille de focalisation, permettant d'obtenir les températures qui conduisent aux objectifs de pénétration que l'on se fixe tout en garantissant l'obtention d'une soudure saine.

On peut alors avoir recours à une sousfocalisation ou à une sur-focalisation, ce qui est schématiquement illustré par la figure 3.

Sur cette figure 3, on voit qu'en réglant la distance d séparant la lentille de focalisation 6 de La pièce à souder 2, on fait varier directement la surface du faisceau sur la pièce 2, encore appelée surface image".

La maîtrise de cette distance d, qui constitue la distance de tir, est donc un moyen efficace pour moduler la densité surfacique d'énergie déposée sur la pièce 2.

Dans le cas d'une sous-focalisation (figure 3-A), d est inférieur à f et la surface-image est notée S'i ; dans le cas d'une focalisation (figure 3-B), d est égal à f et la surface-image est notée Si, S'i étant supérieur à Si ; enfin, dans le cas d'une surfocalisation (figure 3-C), d est supérieur à f et la surface-image est notée Si, S"i étant également supérieur à Si.

La figure 4 illustre schématiquement le principe de réalisation d'un cordon de soudure sur la pièce 2, au moyen d'un laser de puissance pulsé.

Sur La figure 4, on voit un plan de joint 12 qui sépare deux éléments 14 et 16 de la pièce 2 que l'on veut souder l'un à l'autre. Le sens de progression de la soudure est représenté par une flèche F qui est parallèle au plan de joint 12. Les points de soudure 18 sont juxtaposés avec un pas d'avance p adéquat pour garantir la continuité du cordon de soudure pour une pénétration donnée.

On suppose qu'on a recours à une sousfocalisation du faisceau sur la pièce 2. On travaille donc avec une image dont la surface S'i est supérieure à Si.

En considérant le repère xOy dont l'axe y est parallèle au plan de joint 12 et perpendiculaire à l'axe Z et dont L'axe x est perpendicuLaire à Z et à y et coupe cet axe y en O, on remarque :
- que L'augmentation, selon l'axe y, du diamètre du faisceau sur La pièce 2 est utile étant donné que cette augmentation (due à la sousfocalisation) permet de souder, à chaque impact, un plus long segment de plan de joint, et
- que l'augmentation, selon L'axe x, du diamètre du faisceau lumineux sur la pièce 2, augmentation qui résulte également de la sousfocalisation, est inutile et même nocive puisqu'elle implique une déformation plus importante de la pièce.

La présente invention a pour objet un dispositif permettant de diminuer la divergence d'un faisceau lumineux divergent, tout en permettant de se passer de sur- ou de sous-focalisation dans le cas du traitement d'une pièce mécanique par un faisceau lumineux issu d'un laser de puissance et aussi de diminuer le temps de traitement de la pièce par rapport à un système du genre de celui de La figure 2.

En particulier, dans le cas d'un soudage, on diminue le temps de soudage en diminuant le nombre de points de soudure, pour une même longueur de plan de joint de soudure.

De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de diminution de la divergence d'un faisceau lumineux divergent se propageant suivant un axe, ce dispositif comprenant des premiers moyens optiques d'expansion du faisceau lumineux, dispositif caractérisé en ce que les premiers moyens optiques sont aptes à déformer le faisceau lumineux et à L'allonger suivant une direction perpendiculaire à l'axe, ce qui diminue la divergence du faisceau parallèlement à cette direction.

Le dispositif objet de L'invention peut être placé à la sortie du résonateur d'un laser de puissance notamment de type VAG, pour compenser, de façon uniaxiale, La divergence du faisceau produit par te laser.

Dans la présente invention, on peut utiliser des premiers moyens optiques qui sont aptes à déformer le faisceau lumineux divergent de telle façon que le faisceau divergent déformé ait, dans un plan qui est perpendiculaire à l'axe de propagation du faisceau, une section transversale sensiblement en forme d'ellipse dont le grand axe est supérieur aux dimensions transversales du faisceau à L'entrée des premiers moyens optiques.

SeLon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, les premiers moyens optiques comprennent :
- une lentille cylindrique plan-concave qui est prévue pour allonger le faisceau lumineux suivant une direction perpendiculaire aux génératrices de cette
Lentille cylindrique plan-concave, et
- une lentille cylindrique plan-convexe dont les génératrices sont parallèles aux génératrices de la lentille cylindrique plan-concave et qui est placée à la suite de cette dernière de façon que les deux lentilles aient un foyer commun.

Le dispositif objet de la présente invention peut comprendre en outre des deuxièmes moyens optiques qui sont placés à la suite des premiers moyens optiques et qui sont aptes à focaliser le faisceau Lumineux déformé par ces premiers moyens optiques.

Comme on le comprendra mieux par la suite, dans le cas d'une application au soudage, la présente invention permet alors, à densités surfaciques d'énergie DE égales, d'augmenter la longueur des segments de plan de joint que l'on soude (longueur comptée suivant l'axe y), tout en maintenant la largeur du cordon de soudure (comptée suivant l'axe x) égale à
La valeur du diamètre de La surface Si, ce qui minimise les déformations de la pièce que l'on soude.

Enfin, comme on l'a déjà vu, le faisceau lumineux peut être un faisceau laser de puissance, notamment dans le cas d'une application de la présente invention au soudage.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après à titre purement indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif connu de focalisation d'un faisceau Laser et a déjà été décrite,
- la figure 2 illustre schématiquement des moyens connus d'expansion d'un faisceau lumineux, et a déjà été décrite,
- La figure 3 illustre schématiquement une sous-focalisation, une focalisation et une surfocalisation d'un faisceau lumineux sur une pièce et a déjà été décrite,
- La figure 4 illustre schématiquement la réalisation d'un cordon de soudure au moyen d'un faisceau laser de puissance sous-focalisé, et a déjà été décrite,
- La figure 5 illustre schématiquement la réalisation d'un cordon de soudure au moyen d'un faisceau laser de puissance issu d'un dispositif conforme à l'invention,
- la figure 6 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de
L'invention,
- la figure 7 illustre schématiquement la configuration du faisceau lumineux qui est focalisé par le dispositif représenté sur la figure 6,
- la figure 8 illustre schématiquement un faisceau lumineux focalisé, et
- La figure 9 illustre schématiquement la rotation apparente d'un faisceau lumineux elliptique obtenu par un dispositif conforme à L'invention, permettant la focalisation du faisceau, la rotation apparente ayant lieu entre La sortie du faisceau hors du dispositif et Le point de focalisation.

La figure 5 illustre schématiquement la réalisation d'un cordon de soudure à l'aide d'un laser de puissance pulsé et d'un dispositif conforme à
L'invention, ce dispositif comportant une lentille de focalisation et permettant d'obtenir une tache focale elliptique sur la pièce 2.

On voit, sur la figure 5, des points de soudure juxtaposés 20 de forme elliptique.

On utilise ici une focalisation (c'est-à-dire qu'on travaille au point de focalisation), contrairement au cas de la figure 4, et l'on travaille avec des impulsions lumineuse d'énergie E et une surface S'i équivalente à la surface S'i dont il a été question dans La description de la figure 4, c'est-àdire qu'on travaille avec la même densité surfacique d'énergie DE.

De plus, on voit que la surface S'i de La figure 5 est délimitée par une ellipse dont le grand axe est parallèle à l'axe y et dont le petit axe est égal au diamètre du cercle qui délimite la surface Si mentionnée plus haut (plus petit diamètre que l'on puisse obtenir avec La lentille de focalisation du fait de la divergence et des aberrationgde de cette lentille).

La forme elliptique du point-image permet :
- selon l'axe y, La soudure d'un segment de plan de joint encore plus long que dans la configuration représentée sur la figure 4, le pas d'avance P obtenu dans le cas de la figure 5 étant supérieur à p, et
- selon l'axe x, le maintien de la Largeur du cordon de soudure à la valeur du diamètre du cercle qui délimite la surface Si, ce qui limite les déformations de la pièce soudée.

Sur la figure 6, on a représenté schématiquement un dispositif conforme à l'invention.

Ce dispositif comprend des lentilles 22, 24 et 26 qui ont un axe optique commun Z, la lentille 24 étant comprise entre les lentilles 22 et 26.

Les trois lentilles peuvent être montées dans un corps creux non représenté, de forme allongée, qui est ouvert en ses deux extrémités et dont l'axe est
l'axe Z.

On monte le dispositif de La figure 6 en regard d'une source de lumière apte à produire un faisceau lumineux dont l'enveloppe présente sensiblement une symétrie de révolution autour d'un axe, de telle façon que ce dernier soit L'axe Z.

L'ensemble des lentilles 22 et 24 est prévu pour former un moyen d'expansion elliptique du faisceau et La lentille 26 est prévue pour focaliser le faisceau expansé
En tant que source, on utilise par exemple un
Laser de puissance 4 de type YANG. Sur la figure 6, on voit Le miroir-avant 28 du résonateur du laser 4. Le disositif est placé à la suite de ce miroir-avant 28.

Le faisceau qui sort de ce miroir-avant 28 est divergent et son enveloppe a sensiblement une forme de tronc de cône d'axe Z.

En variante, les deux lentilles 22 et 24 peuvent être montées dans Le laser, à la sortie du résonateur de celui-ci, de sorte que la lentille 22 suit le miroir-avant 28. Dans ce cas, ces lentilles 22 et 24 sont dans un carter 30 de protection du laser, que l'on aperçoit sur la figure 7 et qui comporte bien entendu une ouverture 32 en regard du miroir-avant 28.

Alors, on monte La lentille 26 en regard de l'ouverture 32 du carter 30.

On considère, en plus de l'axe Z, un axe X qui est perpendiculaire à cet axe Z et qui coupe ce dernier en un point O, ainsi qu'un axe Y qui passe par
O et qui est perpendiculaire à X et à Z.

La lentille 22 est une lentille divergente, de longueur focale négative, prévue pour expanser le faisceau lumineux incident divergent, de section transversale circulaire, et le transformer en un faisceau lumineux divergent dont la section transversale est délimitée par une ellipse dont le grand axe est parallèle à l'axe Y et va en augmentant jusqu'à la lentille suivante qui porte la référence 24.

En tant que lentille 22, on utilise une lentille cylindrique plan-concave dont les génératrices sont parallèles à l'axe X.

La lentille 24 est une lentille convergente, de longueur focale positive, prévue pour former, à partir du faisceau elliptique divergent qui arrive sur elle, un faisceau dont la section transversale est également délimitée par une ellipse de grand axe parallèle à Y mais dont la divergence selon l'axe Y est inférieure à celle dudit faisceau incident. En tant que lentille 24, on utilise une lentille cylindrique planconvexe dont les génératrices sont également parallèles à l'axe X et dont le foyer F1 (figure 7) est confondu avec le foyer de la lentille 22.

La lentille 26, qui suit la lentille 24, est une lentille convergente classique, de type planconvexe, prévue pour focaliser le faisceau lumineux qui lui parvient en provenance de la lentille 24.

On obtient ainsi une tache focale elliptique dans le plan focal de la lentille 26 mais on verra plus loin que certains rayons lumineux du faisceau qui arrive sur la lentille 26 sont focalisés au-delà de ce plan focal.

A titre purement indicatif et nullement limitatif, pour un faisceau de 6,35 mm issu du laser, on utilise des lentilles 22, 24 et 26 dont les longueurs focales sont respectivement égales à -60 millimètres, 300 millimètres et 200 millimètres.

Le dispositif schématiquement représenté sur
la figure 6 peut également comprendre une lame 34 qui est transparente au faisceau lumineux issu du laser et transmis par les différentes lentilles. Cette lame 34 est montée perpendiculairement à l'axe Z à la suite de la lentille 26. La lame 34 a pour fonction de protéger la lentille 26 des projections qui sont susceptibles de se produire lors de l'utilisation du dispositif, par exemple lors du soudage d'une pièce mécanique.

Sur la figure 6, la trace dans le plan OZX, du faisceau lumineux qui se propage à travers le dispositif représenté sur cette figure 6, est matérialisée et porte la référence I. La trace de ce faisceau lumineux dans te plan OZY est également matérialisée et porte la référence Il. On voit également la section transversale de ce faisceau en divers points de l'axe Z.

Sur la figure 7, on a représenté la configuration du faisceau lumineux issu du laser 4 et transmis successivement par les lentilles 22, 24 et 26.

Les rayons lumineux qui se propagent dans le plan YOZ (Il) sont partiellement hachurés tandis que les rayons qui se propagent dans le plan XOZ (I) sont hachurés à partir de la lentille 22 et ramenés dans le plan YOZ pour une question de commodité de repésentation.

Les traits interrompus symbolisent l'enveloppe des trajets optiques qu'engendrerait un faisceau incident idéal, c'est-à-dire sans divergence.

Dans ce cas, tous les rayons seraient focalisés dans le plan focal théorique PFT de la lentille 26, ce plan PFT étant situé à la distance fi de la lentille 26 où fi est la distance focale de cette lentille 26.

Les traits continus symbolisent l'enveloppe des trajets optiques engendrés lorsqu'un faisceau lumineux divergent, de divergence totale t (et donc de demi-divergence t/2), arrive sur la lentille 22 en provenance du résonateur du laser.

Le facteur de grandissement n selon l'axe or est par exemple égal à 5. Ainsi, à la sortie de la lentille 24, la divergence du faisceau est divisée par 5 et vaut donc t/n=t/5, ceci pour les rayons qui sont situés dans le plan roz et dans les plans parallèles à ce dernier.

Pour les rayons situés dans le plan XOZ, la divergence reste égale à t.

On voit sur la figure 7 que les rayons situés dans le plan roz et dans les plans parallèles à ce dernier sont focalisés à une distance du plan PFT, qui n'est que très légèrement supérieure à ~1. Au contraire, les rayons situés dans le plan XOZ sont focalisés dans un plan PFS situé à une distance Il de la lentille 26, Il étant supérieure à fl, avec :
Il = Dl.fl/(Dl + fl.t) (2) où D1 est le grand axe du faisceau à son arrivée sur la lentille 26.

L'augmentation de la densité d'énergie au point focal F2, qui est très proche du plan PFT, augmentation qui résulte de l'expansion suivant l'axe or, est peu marquée et ce pour deux raisons :
- cette augmentation compense la noncontribution des rayons situés dans le plan XOZ à la formation du point focal situé sensiblement à la distance f1 puisque ces rayons sont focalisés dans un plan plus lointain du fait de la divergence,
- le principe de proportionnalité inverse qui existe entre le diamètre du point focal fourni par une lentille convergente classique et le diamètre du faisceau tombant sur cette dernière ne s'applique plus à un point mais à un segment sur lequel sont focalisés les rayons du plan YOZ et des plans parallèles à ce dernier, ce qui limite La densité d'énergie à une "valeur-tampon".

Dans le cas d'un soudage, la pièce à souder est placée au voisinage du plan PFT.

Avec un faisceau de 6,35 mm de diamètre, de divergence -12 mrd, dilaté 5 fois suivant OY, la lentille 26 reçoit un faisceau elliptique qui, sur la lentille 26, a un grand axe de l'ordre de 31,75 mm, la divergence de ce faisceau étant égale à -12/5=-2,4 mrd.

D'après la formule (2), le point focal relatif aux rayons du plan YOZ et des plans parallèles à ce dernier est à 203 mm de la lentille 26 (avec f1=200 mm).

Trois essais ont été effectués avec des lentilles 22, 24 et 26 de distances focales respectives -60 mm, 300 mm et 200 mm ; la distance de tir a été fixée à 203 mm ; on a réalisé trois cordons avec des divergences différentes.

Ci-après, l'énergie de chaque impulsion lumineuse issue du laser VAG pulsé utilisé, la durée de chacune de ces impulsions et la fréquence de récurrence de ces impulsions sont respectivement notées E, T et fr La divergence du faisceau issu du laser est notée t et la puissance lumineuse moyenne fournie par le laser est notée Pf.

Essai 1
T = 4 ms ; E = 9 J ; fr = 5 Hz
Pf = 45 W ; t = -5 mrd
Essai 2
T = 4 ms ; E = 9J ; fr = 7,5 Hz
Pf = 67,5 w ; t = -8 mrd
Essai 3
T = 4 ms ; E = 9J ; fr = 10 Hz
Pf = 90 W ; t = -12 mrd
Ces essais ont montré une bonne stabilité des profondeurs de pénétration maximale PM et minimale pm (PM : hauteur maximale de la zone fondue relative à un seul point de soudure ; pm : hauteur de la zone fondue à la jonction de deux points de soudure adjacents) :
Essai 1 : PM = 0,32 mm pm = 0,3 mm
Essai 2 : PM = 0,35 mm pm = 0,32 mm
Essai 3 : PM = 0,34 mm pm = 0,3 mm
Cette stabilité existe malgré l'augmentation de la divergence d'un essai au suivant.

Un essai comparatif avec un dispositif classique, du genre de celui de la figure 2, montre que
L'invention permet, à longueur à souder égale, de faire beaucoup moins de tirs que dans le cas d'une focalisation classique (par exemple de l'ordre de 3 fois moins).

On explique ci-après que le faisceau elliptique, focalisé à partir de la lentille 26, diminue plus dans le plan YOZ qu'il ne diminue dans le plan XOZ de sorte que l'ellipse qui délimite la tache focale a un grand axe qui est parallèle à l'axe X et un petit axe qui est parallèle à l'axe Y, d'où une "rotation" apparente de 900 de l'ellipse, entre la lentille 26 et la tache focale.

En effet, considérons (figure 8) un faisceau lumineux qui arrive sur La lentille convergente 26 de longueur focale positive f1 et dont L'enveloppe est un cylindre de révolution autour de t'axe Z, ce faisceau étant supposé, pour simplifier, de type gaussien et ayant une divergence théorique Th.

En notant R le rayon du faisceau incident et ro le rayon de la tache focale (dans le plan focal), on peut écrire :
Th = Q.LO/(2.R) où Q est un coefficient de proportionnalité qui est égal à 2/pi, pi étant le nombre bien connu qui vaut approximativement 3,1416, et LO est la longueur d'onde de la Lumière utilisée, qui vaut par exemple 1064 nanomèt res.

On peut également écrire ro = L0.fl/(pi.R)
On voit donc que le rayon de la tache focale est inversement proportionnel au rayon du faisceau tombant sur la lentille 26.

On considère maintenant un faisceau lumineux d'enveloppe elliptique, qui arrive sur la lentille 26, comme on le voit sur la figure 9. Sur cette lentille 26, le faisceau incident est délimité par une ellipse 36 dont le grand axe est parallèle à l'axe Y et dont le petit axe est parallèle à L'axe X. La moitié de la longueur du grand axe est notée RY et la moitié de la longueur du petit axe est notée RX.

La tache focale est également délimitée par une ellipse 38 qui résulte de la transformation de l'ellipse 36.

Un axe de l'ellipse 38 est parallèle à l'axe
Y et la moitie de sa longueur est notée roY. L'autre axe de l'ellipse 38 est parallèle à l'axe X et la moitié de sa longueur est notée roX.

La quantité RY est supérieure à la quantité
RX et on peut écrire : roY = fl.LO/(pi.RV) roX = fî.LO/(pi.RX)
Il en résulte que roY est inférieur à roX.

On explique ainsi, en appliquant le même raisonnement à tous les rayons lumineux de l'ellipse 36, la "rotation" de 900 de L'image que constitue la tache focale.

Bien entendu, il convient de tenir compte de cette rotation lors du positionnement du dispositif de la figure 6 par rapport à une pièce que l'on veut traiter. Dans le cas d'un soudage par exemple, on oriente le dispositif de façon que le grand axe de l'ellipse du point-image sur la pièce soit superposé avec le plan de joint à souder, ce qui est possible en faisant tourner le dispositif autour de son axe Z.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de diminution de la divergence d'un faisceau lumineux divergent se propageant suivant un axe (Z), ce dispositif comprenant des premiers moyens optiques d'expansion du faisceau lumineux, dispositif caractérisé en ce que les premiers moyens (22, 24) optiques sont aptes à déformer le faisceau lumineux et à L'allonger suivant une direction perpendiculaire à l'axe (Z), ce qui diminue la divergence du faisceau parallèlement à cette direction.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers moyens optiques (22, 24) sont aptes à déformer le faisceau lumineux divergent de telle façon que le faisceau divergent déformé ait, dans un plan qui est perpendiculaire à l'axe (Z), une section transversale sensiblement en forme d'ellipse dont le grand axe est supérieur aux dimensions transversales du faisceau à L'entrée des premiers moyens optiques (22, 24).

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premiers moyens optiques (22, 24) comprennent :

- une lentille cylindrique plan-concave (22) qui est prévue pour allonger le faisceau lumineux suivant une direction perpendiculaire aux génératrices de cette lentille cylindrique plan-concave, et

- une lentille cylindrique plan-convexe (24) dont les génératrices sont parallèles aux génératrices de La lentille cylindrique plan-concave et qui est placée à la suite de cette dernière de façon que les deux lentilles aient un foyer commun (F1).

4. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des deuxièmes moyens optiques (26) qui sont placés à la suite des premiers moyens optiques (22, 24) et qui sont aptes à focaliser le faisceau lumineux déformé par ces premiers moyens optiques (22, 24).

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le faisceau lumineux est un faisceau laser de puissance.