FR2702891A1 - Compact laser. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un laser compact. Dans ce dispositif laser (1), qui comprend une région de gain excitée (9) confinée entre deux électrodes refroidies (6, 7) en forme de feuilles minces, avec une configuration d'excitation en ligne triplaque, il est prévu un résonateur formé d'un miroir de focalisation et d'un second plan réflecteur comprenant différentes zones ayant des réflectivités différentes de sorte qu'une trajectoire repliée comportant six ou un plus grand nombre de "segments" est la seule distribution interne de rayonnement maintenue a l'intérieur de la cavité du laser. Application notamment aux machines d'usinage, de coupe ou de perçage dans un dispositif de positionnement commandé par ordinateur.The invention relates to a compact laser. In this laser device (1), which comprises an excited gain region (9) confined between two cooled electrodes (6, 7) in the form of thin sheets, with a three-plate in-line excitation configuration, a formed resonator is provided. a focusing mirror and a second reflector plane comprising different areas having different reflectivities so that a folded path with six or more "segments" is the only internal distribution of radiation maintained within of the laser cavity. Application in particular to machining, cutting or drilling machines in a computer-controlled positioning device.
Description
La présente invention concerne un dispositif laser à gaz compact etThe present invention relates to a compact gas laser device and
robuste du type à configuration d'excitation en ligne triplacue et qui peut remplacer du point de vue physique l'unité à broche ou l'outil d'usinage/de coupe/de perçage dans un dispositif de posi- robust type of triplacue in-line excitation configuration and which can physically replace the spindle unit or the machining / cutting / drilling tool in a position device.
tionnement commandé par ordinateur. computer controlled operation.
Dans des dispositifs de gravure, de coupe et de perçage classiques utilisant un laser de faible puissance (inférieur à 100 W), on utilise des lasers fixes ayant un système (système optique mobile) de délivrance du faisceau qui est constitué par une série de miroirs, de lentilles et/ou de fibres, qui transmettent le faisceau depuis l'ouverture du laser jusqu'à la position variable désirée sur la pièce à usiner Ces systèmes peuvent être d'une nature très complexe et requièrent souvent un réétalonnage et un réglage et d'une manière générale augmententconsidérablement l'investissement initial et le coût de maintenance, tout en augmentant la surface de base du système (L'autre option consiste à déplacer l'ensemble de la pièce à usiner, et les inconvénients du In conventional engraving, cutting and piercing devices using a low power laser (less than 100 W), fixed lasers having a beam delivery system (mobile optical system) consisting of a series of mirrors are used. , lenses and / or fibers, which transmit the beam from the opening of the laser to the desired variable position on the workpiece These systems can be of a very complex nature and often require recalibration and adjustment and Generally, the initial investment and the cost of maintenance are significantly increased, while increasing the base area of the system (the other option is to move the whole workpiece, and the disadvantages of
procédé sont souvent même plus importants). process are often even more important).
La nature fixe du laser dans des systèmes classiques est requise par les dimensions importantes et le poids important du laser à gaz, ainsi que par leur construction relativement fragile D'autre part, de petits lasers robustes possèdent des puissances trop faibles pour le traitement des matériaux ou tendent à produire des faisceaux de mauvaise qualité, que l'on ne peut pas focaliser pour obtenir des densités de flux de puissance maximales (Des lasers à l'état solide situés dans le domaine du proche de l'infrarouqe ou dans le domaine du visible permettent d'éliminer ces deux inconvénients, mais The fixed nature of the laser in conventional systems is required by the large dimensions and the significant weight of the gas laser, as well as by their relatively fragile construction. On the other hand, small, robust lasers have powers that are too low for the treatment of materials. or tend to produce poor quality beams, which can not be focused to obtain maximum power flux densities (solid-state lasers in the near-infrared range or in the visible can eliminate these two disadvantages, but
sont actuellement d'un prix onéreux prohibitif>. are currently prohibitively expensive.
On peut concevoir des lasers à gaz extrêmement compacts et refroidis par conduction en utilisant une configuration en ligne triplacue, dans laquelle la région de gain excitée est confinée entre deux électrodes refroidies possédant la géométrie d'une feuille mince (voir la figure 2 (a) annexée à la présente demande) Dans une telle configuration, la puissance par unité de longueur est proportionnelle à la dimension latérale de la feuille et n'est pas indépendante de la section transversale de la région de gain (comme dans le cas de régions de gain cylindriques refroidies le long de la phériphérie) ces lasers peuvent par conséquent être agencés de manière à produire des puissances élevées à partir de dispositifs très compacts. Dans le cas de l'utilisation d'un résonateur optique à boîtier en I, comportant un réflecteur de focalisation à réflexion totale et un coupleur de sortie planar, la configuration laser en ligne triplaque produit un faisceau qui prend la forme de la section transversale de la région de gain, c'est-à-dire une bande mince Extremely compact, conduction-cooled gas lasers can be designed using a triplet-in-line configuration, in which the excited gain region is confined between two cooled electrodes having the geometry of a thin sheet (see Figure 2 (a)). appended to this application) In such a configuration, the power per unit length is proportional to the lateral dimension of the sheet and is not independent of the cross section of the gain region (as in the case of gain regions). These lasers can therefore be arranged in such a way as to produce high powers from very compact devices. In the case of using an I-box optical resonator, having a total reflection focusing reflector and a planar output coupler, the in-line laser configuration produces a beam which takes the form of the cross section of the plane. the gain region, i.e. a thin band
allongée De telles configurations de faisceaux sont indési- such beam configurations are undesirable
rables dans la perspective d'applications, étant donné que le faisceau limité par diffraction dans le plan focal d'un système de focalisation posséderait une forme dissymétrique et que la profondeur focale serait faible Un procédé permettant d'extraire un faisceau étroit à partir de régions de gain à géométrie en forme de barreau consiste à utiliser un résonateur hybride à longueurs d'onde instables, c'est-à-dire que la cavité optique est constituée par un résonateur instable dans la dimension latérale (longitudinale), alors que la configuration en guide d'ondes stable est conservée dans la direction transversale (en travers de l'interstice) Les deux types de branches positive et négative de résonateurs instables (figure 4) ont déjà été décrits (brevet US in the perspective of applications, since the diffraction beam in the focal plane of a focusing system would have an asymmetrical shape and the focal depth would be weak A method for extracting a narrow beam from regions of bar-shaped geometry gain consists in using a hybrid resonator with unstable wavelengths, that is to say that the optical cavity consists of an unstable resonator in the lateral (longitudinal) dimension, whereas the configuration in stable waveguide is maintained in the transverse direction (across the gap) The two types of positive and negative branches of unstable resonators (Figure 4) have already been described (US Patent
N 04 719 639 branche positive, et brevet US N 05 048 048 - N 04 719 639 positive branch, and US Patent No. 05 048 048 -
branche négative).negative branch).
Pour des lasers compacts de faible puissance, le résonateur instable pose deux problèmes Tout d'abord, le faisceau sortant d'un résonateur de ce type possède un espacement des modes axiaux dans la gamme des fréquences de c/2 L, c étant la vitesse de la lumière et L la longueur du résonateur Pour des lasers très courts, cet espacement devient important et il est souvent difficile d'adapter le For low-power compact lasers, the unstable resonator poses two problems First, the beam exiting a resonator of this type has axial mode spacing in the frequency range of c / 2 L, where c is the velocity of light and L the length of the resonator For very short lasers, this spacing becomes important and it is often difficult to adapt the
maximum d'un mode axial au maximum de la courbe de gain. maximum of one axial mode to the maximum of the gain curve.
En outre, en particulier pour des lasers de courte longueur, pour l'obtention d'un gain d'aller-retour supérieur à l'unité, les pertes totales (y compris les pertes de couplage) doivent être maintenues à une valeur minimale Pour réduire les pertes de couplage du résonateur In addition, especially for short-length lasers, in order to obtain round-trip gain greater than unity, total losses (including coupling losses) must be kept to a minimum value. reduce the coupling losses of the resonator
instable, il faut réduire l'ouverture du faisceau sortant. unstable, it is necessary to reduce the opening of the outgoing beam.
Ceci conduit à une réduction de la qualité du faisceau de This leads to a reduction in the quality of the beam of
sortie sous l'effet de la diffraction. output under the effect of diffraction.
Un autre procédé pour l'extraction de faisceaux Another method for beam extraction
focalisés à partir d'un système à configuration en liqne tri- focussed from a system with three-dimensional configuration.
plaque a été développé par la société Synrad Inc, sous la plate was developed by Synrad Inc., under the
forme de leurs réseaux lasers C 02 Micro-miniatures "Poly- shape of their C 02 micro-miniature laser networks "Poly-
Lase" série 22, modèles D 22-1 et M 22-1 Ces lasers sont Lase "series 22, models D 22-1 and M 22-1 These lasers are
réellement compacts, fournissent des puissances relative- really compact, provide relative powers
ment élevées et sont constitués par une configuration en ligne triplaque, la plaque étant subdivisée dans le sens de la longueur en trois régions, par des entretoises céramiques Le rayonnement sortant se présente sous la forme de trois faisceaux distincts, sans aucune cohérence entre les faisceaux La focalisation d'un tel système est complexe et on ne peut pas obtenir des densités de flux high and consist of a triplate line configuration, the plate being subdivided lengthwise into three regions, by ceramic spacers The outgoing radiation is in the form of three distinct beams, without any coherence between the beams. focus of such a system is complex and one can not obtain flux densities
maximum avec une profondeur focale importante. maximum with a large focal depth.
Synrad décrit des applications appropriées pour ce laser, Synrad describes appropriate applications for this laser,
comme étant des applications 'dans lesquelles le facteur ulti- as applications in which the ultimate factor
me en MY {qualité du mode ou diamètre du spot) n'est pas requis". Dans des articles précédents (Optics Letters Vol. 14, N 023, ( 1989), pp 1309-1311 et SPIE, Vol 1276, CO 2 Lasers and Applications II ( 1990), pp 98-105), les inventeurs à l'originede ce brevet ont décrit une solution préliminaire au problème de l'extraction d'un faisceau gaussien à partir de la zone de gain large de la configuration en liqne triplaque On a obtenu une trajectoire repliée pour le mode M en plaçant une butée à l'intérieur d'une cavité semi-confocale du résonateur, me in MY {mode quality or spot diameter) is not required. "In previous articles (Optics Letters Vol 14, N 023, (1989), pp 1309-1311 and SPIE, Vol 1276, CO 2 Lasers and Applications II (1990), pp 98-105), the original inventors of this patent have described a preliminary solution to the problem of extracting a Gaussian beam from the wide gain zone of the linear configuration. Triplate A folded trajectory has been obtained for the mode M by placing a stop within a semi-confocal cavity of the resonator,
à proximité du miroir de focalisation, qui réalise une ré- near the focusing mirror, which realizes a
flexion totale, afin de supprimer la formation d'autres modes Il y a trois inconvénients au système à cavité optique dans le mode M: 1 La trajectoire dans ce système comporte seulement quatre segments et par conséquent ne convient pas pour des régions d'excitation ayant une étendue latérale importante étant donné qu'il n'échantillonne pas de façon efficace la région excitée Ceci empêche l'utilisation du mode M pour des puissances très total bending, to suppress the formation of other modes There are three disadvantages to the optical cavity system in the M mode: 1 The path in this system has only four segments and therefore is not suitable for excitation regions having a significant lateral extent since it does not effectively sample the excited region This prevents the use of the M mode for very high power
élevées par unité de longueur.high per unit length.
2 Lrinsertion d'une butée entre les électrodes et les miroirs (ce qui accroît la distance entre ces éléments) entraîne une réduction importante de la puissance et du rendement, en raison des pertes importantes par diffraction au niveau du bord des électrodes Cet effet est même plus accusé lorsque l'écartement entre les électrodes est faible (comme cela est nécessaire pour 2 The insertion of a stop between the electrodes and the mirrors (which increases the distance between these elements) leads to a significant reduction of the power and the efficiency, because of the significant losses by diffraction at the edge of the electrodes This effect is even more pronounced when the spacing between the electrodes is low (as is necessary for
des puissances élevées).high powers).
3 La région de butée est située au niveau du miroir sphérique à réflexion totale, ce qui impose que le miroir plan et le miroir sphérique soient des composés optiques faits sur mesure Ceci accroît le coût des 3 The abutment region is located at the level of the total reflection spherical mirror, which requires that the plane mirror and the spherical mirror are optical compounds made to measure This increases the cost of
éléments de la cavité.elements of the cavity.
La présente invention concerne un dispositif laser à gaz compact et robuste, dans lequel la région de gain excitée est confinée entre deux électrodes refroidies ayant une géométrie en forme de feuille mince et produisant des puissances élevées à partir d'un dispositif très compact, ledit laser à gaz émettant un faisceau focalisé symétrique de type gaussien, tout en échantillonnant d'une manière efficace la région de gain étendue ayant une The present invention relates to a compact and robust gas laser device in which the excited gain region is confined between two cooled electrodes having a thin sheet-shaped geometry and producing high powers from a very compact device, said laser gas emitting a Gaussian symmetric focused beam, while effectively sampling the extended gain region having a
configuration d'excitation en ligne triplaque et dans le- configuration of excitation in line triplaque and in the-
quel ledit laser à gaz est caractérisé en ce qu'il comporte un résonateur constitué par un miroir de focalisation et un second plan réflecteur comprenant différentes zones ayant des réflectivités différentes de sorte qu'une trajectoire repliée comportant six ou un plus grand nombre de "segments" est la seule distribution interne de rayonnement maintenue which said gas laser is characterized in that it comprises a resonator constituted by a focusing mirror and a second reflector plane comprising different zones having different reflectivities so that a folded trajectory comprising six or a greater number of "segments "is the only internal radiation distribution maintained
à l'intérieur de la cavité du laser. inside the laser cavity.
Ledit dispositif peut être utilisé comme unité à 1 î broche ou outil d'usinage/de coupe/de perçage dans un Said device can be used as a spindle unit or a machining / cutting / drilling tool in a machine.
dispositif de positionnement commandé par ordinateur. computer-controlled positioning device.
L'invention concerne également un résonateur du dispositif laser à gaz Ledit résonateur est constitué par un miroir de focalisation et un second plan réflecteur comprenant différentes zones ayant des réflectivités différentes de sorte qu'une trajectoire repliée comportant six ou un plus grand nombre de segments est la seule distribution de rayonnement interne maintenue The invention also relates to a resonator of the gas laser device Said resonator is constituted by a focusing mirror and a second reflective plane comprising different zones having different reflectivities so that a folded trajectory comprising six or more segments is the only internal radiation distribution maintained
à l'intérieur de la cavité laser. inside the laser cavity.
En outre, la présente invention concerne également un faisceau sortant d'un tel résonateur parallèle à l'axe optique, avec un espacement des modes axiaux six fois supérieur ou plus à celui d'un faisceau délivré par un In addition, the present invention also relates to a beam emerging from such a resonator parallel to the optical axis, with an axial mode spacing six times greater than or greater than that of a beam delivered by a beam.
résonateur usuel.usual resonator.
Le but de la présente invention est de fournir un The object of the present invention is to provide a
laser à gaz robuste apte à résister aux forces d'accéléra- robust gas laser capable of withstanding the accelerating forces
tion intervenant lors d'un déplacement, tout en conservant sa performance (c'est-à-dire la puissance de sortie, la during a trip, while maintaining its performance (ie the power output, the
qualité du mode, le rendement).quality of the mode, the output).
En outre, le laser décrit est compact et léger, ce qui facilite son déplacement par un dispositif de positionnement de faibles dimensions, commandé par In addition, the laser described is compact and lightweight, which facilitates its movement by a small positioning device controlled by
ordinateur (c'est-à-dire le bras d'un robot, un pantogra- computer (that is, the arm of a robot, a pantom-
phe, etc).phe, etc.).
En outre, le laser est compatible à la fois du point de vue de la forme et des dimensions avec des machines existantes de coupe, de perçage ou de gravure commandées par ordinateur, et est à même de remplacer physiquement l'outil d'usinage existant ou l'ensemble à broche existant, ce qui associe les capacités mécaniques actuelles à celles d'un laser et permet une commande dynamique de la zone de la dimension uu point d'impact du zaisceau sur la pièce à In addition, the laser is both formally and dimensionally compatible with existing computer-controlled cutting, piercing or engraving machines and is able to physically replace the existing machining tool. or the existing spindle assembly, which combines the current mechanical capabilities with those of a laser and allows a dynamic control of the area of the dimension uu point of impact of the beam on the piece to
usiner, au moyen de l'axe z du dispositif de positionnement. machining, by means of the z-axis of the positioning device.
Un autre but de la présente invention est de fournir un laser possédant un faisceau d'excellente qualité (c'est-à-dire un faisceau symétrique, gaussien, de faible largeur centrale), que l'on peut focaliser pour obtenir des densités de flux maximales et un facteur M 2 maximum, tout en échantillonnant encore de façon efficace la région Another object of the present invention is to provide a laser having a beam of excellent quality (i.e. a symmetric, Gaussian, low center width beam), which can be focused to obtain densities of flows and a maximum M 2 factor, while still sampling the region efficiently
de gain large du milieu excité.wide gain of the excited medium.
En outre, les pertes de couplage du résonateur optique conforme à la présente invention peuvent être réduites de plus en plus, sans que ceci n'affecte de façon In addition, the coupling losses of the optical resonator according to the present invention can be reduced more and more, without this affecting in any way
nuisible la qualité du faisceau sortant. damaging the quality of the outgoing beam.
En outre, la configuration du réseau optique du laser est particulièrement appropriée pour sa courte longueur, avec un espacement des modes axiaux correspondant In addition, the optical network configuration of the laser is particularly suitable for its short length, with corresponding axial mode spacing.
à une cavité de laser six fois ou plus supérieure à la lon- to a laser cavity six or more times greater than the
gueur actuelle de la cavité laser Ceci permet une plus grande densité des modes axiaux dans une gamme donnée de fréquences et facilite la mise en correspondance des maxima This allows a higher density of axial modes in a given range of frequencies and facilitates the matching of maxima.
des modes axiauxavec le maximum de la courbe de gain du mi- axial modes with the maximum of the gain curve of the
lieu excité.excited place.
En outre le caractère compact et solide de la présente invention ainsi que sa puissance relativement élevée (par unité de longueur) et son faisceau focalisé symétrique permettent d'insérer le système selon l'invention dans des dispositifs de positionnement existants, à la place de l'outil d'usinage, de perçage, de In addition, the compact and solid nature of the present invention as well as its relatively high power (per unit length) and its symmetrical focused beam make it possible to insert the system according to the invention into existing positioning devices, in place of the tool for machining, drilling,
gravure ou de coupe ou de l'ensemble de broches. engraving or cutting or set of pins.
D'autres caractéristiques et avantages de la Other features and benefits of the
présente invention ressortiront de la description donnée present invention will emerge from the description given
ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 (a) représente le schéma de la coupe transversale de la tête du laser, qui constitue la première forme de réalisation de la présente invention; la figure 1 (b) représente la configuration interne des électrodes et des entretoises; la figure 2 (b), dont il a déjà été fait mention, représente une vue en élévation latérale schématique du résonateur optique de la présente invention ainsi qu'une représentation de la distribution interne du rayonnement et du faisceau sortant; la figure 3 représente la forme de réalisation du résonateur optique selon la présente invention; la figure 4 (a) représente un résonateur instable à branche positive; et la figure 4 (b) représente un résonateur Hereinafter with reference to the accompanying drawings, in which: Fig. 1 (a) is a schematic of the cross-section of the laser head, which is the first embodiment of the present invention; Figure 1 (b) shows the internal configuration of the electrodes and spacers; Fig. 2 (b), already mentioned, shows a schematic side elevational view of the optical resonator of the present invention as well as a representation of the internal distribution of the radiation and the outgoing beam; Fig. 3 shows the embodiment of the optical resonator according to the present invention; Figure 4 (a) shows an unstable resonator with positive branch; and Figure 4 (b) shows a resonator
instable à branche négative.unstable to negative branch.
La figure l(a) représente un schéma de la coupe transversale de la tête du laser Deux électrodes parallèles ( 6, 7) sont maintenues en position par des Figure 1 (a) shows a diagram of the cross-section of the laser head. Two parallel electrodes (6, 7) are held in position by
entretoises céramiques ( 2, 3, 4) et une vis de serrage ( 5). ceramic spacers (2, 3, 4) and a clamping screw (5).
Une électrode ( 6) est isolée électriquement par rapport à l'autre électrode ( 7) et par rapport à la feuille métallique enveloppante ( 1) Une tension HF est appliquée entre les deux électrodes et une décharge est formée dans le gaz, dans la région ( 9) présente entre ces électrodes Les électrodes sont refroidies au moyen d'une circulation d'eau dans des canaux ( 8) s'étendant à l'intérieur des électrodes La feuille métallique 1 forme une paroi servant à renfermer de façon étanche le gaz dans le laser et agit également en tant que cage de Faraday pour réaliser une protection vis-à-vis du rayonnement HF et réduire la fuite du bruit HF La figure 1 (b) représente les électrodes et les entretoises sans le boîtier métallique enveloppant. La région de gain dans ce laser est une feuille An electrode (6) is electrically insulated from the other electrode (7) and with respect to the surrounding foil (1). RF voltage is applied between the two electrodes and a discharge is formed in the gas in the region. (9) present between these electrodes The electrodes are cooled by means of a circulation of water in channels (8) extending inside the electrodes The metal sheet 1 forms a wall for sealing the gas in the laser and also acts as a Faraday cage to provide protection against HF radiation and reduce HF noise leakage. Figure 1 (b) shows the electrodes and spacers without the wraparound metal housing. The gain region in this laser is a leaf
mince confinée entre les deux électrodes (figure 2 (a)). thin confined between the two electrodes (Figure 2 (a)).
Étant donné que la configuration de la cavité en iqne tri plaque est longue et mince et que l'on peut supposer que les équations de Maxwell pour la distribution du rayonnement dans la cavité du laser peuvent être séparées pour la direction (y) parallèle aux électrodes et la direction (x) perpendiculaire aux électrodes, on peut considérer la cavité essentiellement selon un système bidimensionnel en tenant compte de la distribution du rayonnement dans la direction y La distribution bidimensionnelle actuelle est un hybride du mode de guide d'ondes dans la direction x, et du mode spatial libre, dont on va maintenant discuter, dans la direction y Étant donné que le nombre de Fresnel (n = a 2/ÀL) est élevé, un résonateur optique à boîtier en I (miroirs possédant une r Ufléctivit C uniforme sur la hauteur a de la région de gain), le diagramme de rayonnement optique est une superposition d'un grand nombre de modes hermitiques-gaussiens incluant des modes H-G d'ordre supérieur, qui prennent essentiellement la forme de la section de la coupe transversale de la région de gain Since the configuration of the tri-plate cavity is long and thin and it can be assumed that the Maxwell equations for the radiation distribution in the laser cavity can be separated for the direction (y) parallel to the electrodes. and the direction (x) perpendicular to the electrodes, the cavity can be considered essentially in a two-dimensional system taking into account the radiation distribution in the y direction. The current two-dimensional distribution is a hybrid of the waveguide mode in the x-direction , and the free space mode, which will now be discussed, in the y direction Since the number of Fresnel (n = 2 / λL) is high, an optical resonator with an I-case (mirrors having a uniform U-reactivity) on the height a of the gain region), the optical radiation pattern is a superposition of a large number of Hermitic-Gaussian modes including HG modes of order which take essentially the shape of the section of the cross-section of the gain region
(un rectangle de hauteur a et de largeur b). (a rectangle of height a and width b).
La longueur de la cavité, le rayon de courbure des miroirs et la distribution de pertes à l'intérieur de la cavité peuvent être choisis de telle sorte que certains modes H-G sont favorisés On peut se rendre compte également de cela de façon intuitive dans le cas d'un traitement conforme à l'optique de rayonnement (géométrique) La figure 2 (b) représente un résonateur comportant un miroir plan ( 1) et un miroir de focalisation ( 2) possédant une Longueur focale égale au double de la distance L entre les miroirs Un faisceau, qui part d'un point Pl situé sur le miroir plan ( 1) et se déplace parallèlement à l'axe optique, est réfléchi par le miroir de focalisation ( 2), rencontre le miroir plan au point P 2, puis atteint le centre du miroir sphérique Son trajet se poursuit symétriquement par rapport à l'axe et passe par le point P 3 et le point P 4, au niveau duquel il retourne en suivant le même trajet Cette trajectoire est fermée, c'est-à-dire que le faisceau revient dans la même position et dans la même direction au bout d'un nombre fini de The length of the cavity, the radius of curvature of the mirrors and the distribution of losses inside the cavity can be chosen in such a way that certain HG modes are favored. This can also be intuitively understood in the case FIG. 2 (b) shows a resonator comprising a plane mirror (1) and a focusing mirror (2) having a focal length equal to twice the distance L between the mirrors A beam, which starts from a point P1 situated on the plane mirror (1) and moves parallel to the optical axis, is reflected by the focusing mirror (2), meets the plane mirror at the point P 2, and then reaches the center of the spherical mirror Its path continues symmetrically with respect to the axis and passes through point P 3 and point P 4, at which point it returns following the same path This path is closed, that is, to say that the beam returns in the same position and in the same direction after a finite
passages à l'intérieur de la cavité ( 12 dans ce cas). passages inside the cavity (12 in this case).
Cette discussion est compatible avec l'analyse de la matrice de rayonnement ABCD d'une cavité optique (qui est valable pour des faisceaux gaussiens ainsi que pour des rayons géométriques), dans laquelle un miroir est sphérique et l'autre plan La matrice pour une cellule unité partant au niveau du miroir plan (Laser Electronics, J T. Verdeyen, Prentice-Hall, 1981, pp 35-41) est fournie par 1 2 Ll 1 O È 1-2 L/f 2 L This discussion is compatible with the analysis of the ABCD radiation matrix of an optical cavity (which is valid for Gaussian beams as well as for geometrical rays), in which one mirror is spherical and the other is the matrix. Starting unit cell at the plane mirror (Laser Electronics, J T. Verdeyen, Prentice-Hall, 1981, pp 35-41) is provided by 1 2 Ll 1 O È 1-2 L / f 2 L
T= ( 1)T = (1)
l O11 -1/f 1 -1/f 1 _ Dans la configuration décrite ici avec f = 2 L, on a -OZ 2 T = l ( 2) La position du rayon après S traversées de la cellule unité est fournie par la relation rs = rmaxsin(s O + a) ( 3) Dans le plan S = 0, un faisceau se déplaçant parallèlement à l'axe et à une distance rmax de cet axe est déclenché Dans ce cas, on obtient a immédiatement comme égal à n/2 O est fourni par la relation A + D cos O = = 1/2 ( 4) In the configuration described here with f = 2 L, -OZ 2 T = 1 (2) The position of the radius after S traverses of the unit cell is provided by the relation rs = rmaxsin (s O + a) (3) In the plane S = 0, a beam moving parallel to the axis and at a distance rmax of this axis is triggered In this case, we obtain a immediately as equal to n / 2 O is provided by the relation A + D cos O = = 1/2 (4)
O = ( 5)O = (5)
Ainsi, la position après un aller retour est fournie par rs = rmax Sin(sn/3 + n/2) ( 6) A l'évidence, cette fonction se répète après six allers retours ou douze réflexions, comme cela a été Thus, the position after a round trip is provided by rs = rmax Sin (sn / 3 + n / 2) (6) Obviously, this function is repeated after six round trips or twelve reflections, as was
indiqué précédemment.indicated previously.
On insère une butée ( 3) dans la cavité pour supprimer toutes les autres distributions de rayonnement ou trajectoires fermées qui, sinon, pourraient être maintenues An abutment (3) is inserted into the cavity to suppress all other radiation distributions or closed trajectories which otherwise could be maintained.
dans la cavité.in the cavity.
Étant donné que le rayonnement recoupe le miroir plan en des points distincts Pl P 4, le miroir plan peut être conçu de manière à réfléchir complètement le faisceau en trois points P 2 P 4, tout en transmettant partiellement Since the radiation intersects the plane mirror at distinct points Pl P 4, the plane mirror can be designed to completely reflect the beam at three points P 2 P 4, while transmitting partially
le faisceau au niveau du quatrième point P 1. the beam at the fourth point P 1.
La figure 3 représente la vue en élévation latérale de la configuration du résonateur optique de la présente invention, conformément à la discussion précédente Le réflecteur sphérique à réflexion totale 1 possède une distance focale égale à 2 L, L étant la distance entre les miroirs Le miroir plan est aligné dans un seul plan grâce à l'utilisation d'un seul substrat ayant différents revêtements au niveau de sa face tournée vers l'intérieur de la cavité Les zones ( 3)et ( 5) sont FIG. 3 shows the side elevational view of the configuration of the optical resonator of the present invention, in accordance with the preceding discussion. The total reflection spherical reflector 1 has a focal length equal to 2 L, where L is the distance between the mirrors The mirror plane is aligned in a single plane through the use of a single substrate having different coatings on its face turned towards the inside of the cavity The zones (3) and (5) are
recouvertes de manière à présenter une réfléctivité- covered in such a way as to have a reflective
maximum, et la région ( 2) est partiellement transmissive. maximum, and the region (2) is partially transmissive.
La région ( 4) du miroir plan est non réfléchissante et The region (4) of the plane mirror is non-reflective and
correspond à la butée sur les figures 2 (b) ( 3). corresponds to the stop in FIGS. 2 (b) (3).
Le rayonnement sortant ( 6) possède la il caractéristique d'un faisceau gaussien se déplaçant parallèlement à l'axe optique En outre, le rayonnement est identique à celui d'un laser classique dont la longueur de la cavité est égale à six fois celle de la présente configuration ( 6 L), (c'est-à-dire la divergence du faisceau, l'espacement des modes axiaux, etc) Une seule lentille ( 7) montée directement sur le boîtier du laser The outgoing radiation (6) has the characteristic characteristic of a Gaussian beam moving parallel to the optical axis. Moreover, the radiation is identical to that of a conventional laser whose cavity length is equal to six times that of the present configuration (6 L), (i.e. beam divergence, axial mode spacing, etc.) Single lens (7) mounted directly on the laser housing
focalise le faisceau sur un point défini ( 8). focuses the beam on a defined point (8).
Dans le cas du résonateur optique décrit dans un article antérieur (figure 4) le résonateur instable, à la fois la branche positive et la branche négative pour réduire les pertes globales de couplage, il faut réduire le rapport de l'ouverture à la surface réfléchissante (a 1/a 2)> Pour une dimension latérale donnée de la zone de décharge (a), lorsqu'on diminue l'ouverture (a 1), la qualité du faisceau sortant est In the case of the optical resonator described in an earlier article (FIG. 4), the unstable resonator, both the positive branch and the negative branch, to reduce the overall losses of coupling, it is necessary to reduce the ratio of the opening to the reflecting surface. (a 1 / a 2)> For a given lateral dimension of the discharge zone (a), when the opening (a 1) is decreased, the quality of the outgoing beam is
altérée plus fortement par la diffraction. altered more strongly by diffraction.
Cependant, conformément à la présente invention, on peut réduire les pertes de couplage en les amenant à However, in accordance with the present invention, coupling losses can be reduced by causing them to
une valeur faible désirée en augmentant la réfléc- a desired low value by increasing the reflec-
tivite Ceu du revêtement dans la zone de couplage de sortie (figure 3 ( 2)) Ainsi, pour des cavités de courte longueur, dans lesquelles le gain global est faible et les pertes de couplage doivent par conséquent posséder une faible voleur pour l'obtention d'un gain d'aller retour supérieur à l'unité, l'actuelle forme de réalisation du résonateur optique est plus souhaitable que celle du In this case, for cavities of short length, in which the overall gain is small and the coupling losses must therefore have a low thief to obtain the same effect as in the output coupling area (FIG. 3 (2)). of a return gain greater than unity, the present embodiment of the optical resonator is more desirable than that of the
résonateur instable.unstable resonator.
Ces deux avantages (la correspondance aux caractéristiques d'un laser plus long, et la possibilité de réduire les pertes de couplage) rendent la présente invention particulièrement appropriée pour de très courtes cavités. Le laser ici décrit présente la combinaison d'un dispositif robuste très compact, avec des puissances élevées de sortie par unité de longueur et un faisceau d'excellente qualité Ceci permet d'insérer le laser dans un dispositif de positionnement commandé par ordinateur, comme par exemple un pantographe, une unité de fraisage, perçage ou découpage de commande numérique ou le bras d'un robot Le laser étant agencé de manière à s'adapter aux dimensions précises de l'outil d'usinage ou de la broche d'usinage actuellement montée sur le dispositif de positionnement, on peut remplacer physiquement cet outil par la présente invention Le fabricant peut de cette manière disposer des capacités d'un laser, sans avoir la nécessité d'acquérir des dispositifs de positionnement laser affectés Ceci permet des économies substantielles du These two advantages (the correspondence to the characteristics of a longer laser, and the possibility of reducing the coupling losses) make the present invention particularly suitable for very short cavities. The laser described here has the combination of a very compact robust device, with high output power per unit length and a beam of excellent quality. This allows the laser to be inserted into a computer-controlled positioning device, such as example a pantograph, a milling unit, drilling or CNC cutting or the arm of a robot The laser being arranged to adapt to the precise dimensions of the machining tool or the machining pin currently mounted on the positioning device, this tool can be physically replaced by the present invention. In this way, the manufacturer can have the capabilities of a laser without the need to acquire affected laser positioning devices.
point de vue coût et espace et réduit la durée et l'expé- cost and space and reduces the time and experience of
rience nécessaires pour former à nouveau l'opérateur pour necessary to train the operator again for
qu'il soit compétent sur deux systèmes séparés. that he is competent on two separate systems.
Un autre avantage de la présente invention est sa capacité à modifier la taille du spot au moyen d'une modification de la distance entre le laser et la pièce à usiner La largeur d'un canal de gravure par exemple peut être commandée de façon dynamique à partir d'une valeur minimale de 0,1 mm jusqu'à 1 mm ou plus par modification de la position de l'axe z du laser Le déplacement de l'axe z est une possibilité dont on dispose actuellement dans les systèmes à commande numérique et dans les systèmes à pantographe utilisés pour maintenir de façon effective l'interaction entre l'outil d'emboutissage au tour et le matériau de la pièce à usiner Dans des systèmes laser, cette capacité est fournie par le système électronique du circuit d'excitation (source d'énergie) et l'axe z est par conséquent libre de commander la taille de la région focalisée. Un exemple d'une forme de réalisation particulière de la présente invention s'applique à la gravure dans une matière plastique La gravure par laser fournit une amélioration par rapport à des systèmes mécaniques, et ce pour un certain nombre de points: Aucun déchet en f orme de copeau ou de découpure ne Another advantage of the present invention is its ability to modify the size of the spot by means of a modification of the distance between the laser and the workpiece. The width of an etching channel, for example, can be controlled dynamically at from a minimum value of 0.1 mm to 1 mm or more by changing the z-axis position of the laser. Z-axis movement is a possibility currently available in numerically controlled systems and in pantograph systems used to effectively maintain the interaction between the lathe tool and the workpiece material In laser systems, this capability is provided by the electronic system of the excitation circuit (energy source) and the z axis is therefore free to control the size of the focused region. An example of a particular embodiment of the present invention is applicable to etching in a plastic material. Laser etching provides an improvement over mechanical systems for a number of points: elm of chip or cut
reste sur la pièce à usiner.remains on the workpiece.
Aucune résistance (pour des pièces fragiles ou No resistance (for fragile parts or
difficiles à maintenir).difficult to maintain).
Fine résolution de traits (jusqu'à 0,1 mm). Fine line resolution (up to 0.1 mm).
Commande dynamique de la largeur de trait (par modification de la distance par rapport à la pièce à Dynamic stroke width control (by changing the distance from the workpiece to
usiner).machining).
Un système de gravure mécanique commandé par ordinateur, dont on dispose habituellement, est le système dit Gravograph VX 2 Les éléments de coupe sont maintenus par une broche de support des éléments de coupe (N O de pièce 63435-000) ayant pour dimensions 18 cm x P 3,5 cm et d'un poids de 2 kg Les dimensions de la tête du laser conforme à la présente invention peuvent être adaptées de façon précise à celle de la broche L'unité de broche peut être remplacée par la tête du laser, ce qui fournit les possibilités de la gravure par laser avec l'utilisation du système de gravure mécanique existant, et ce pour une A computer-controlled mechanical engraving system, which is usually available, is the so-called Gravograph VX 2 system. The cutting elements are held by a support pin of the cutting elements (part NO 63435-000) having dimensions 18 cm x P 3.5 cm and weighing 2 kg The dimensions of the laser head according to the present invention can be precisely adapted to that of the spindle The spindle unit can be replaced by the laser head, which provides the possibilities of laser engraving with the use of the existing mechanical engraving system, and this for a
fraction du coût d'un système de gravure laser spécialisé. fraction of the cost of a specialized laser engraving system.
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