Le dispositif de gestion de faisceau selon l'invention, remédie aux inconvénients de la propagation des champs électro-magnétiques qui modifie la densité surfacique de puissance des ondes des lumières cohérentes. Dans l'approximation des amplitudes lentement variables, et des faisceaux faiblement inclinés sur l'axe Z de propagation, le champ életro-magnétique d'une onde lumineuse s'exprime par: E = (x, y, z) = 'Y (x, y, z). exp - i (ot knz) où x et y sont les coordonnées transverses du faisceau, w et k sont respectivement la pulsation de l'onde et le module du vecteur d'onde, n est l'indice de réfraction du milieu et 'I'(x, y, z) désigne l'amplitude complexe telle que:: 'I'(x, y, z) = 'Il (x, y, z = o) * Gr (x, y, z) qui exprime un produit de convolution sur les coordonnées transverses entre l'amplitude à l'origine z = o et la fonction de Green telle que:
ikn
Gr (x, y) = - - . exp ikn (z + (x2 + y2)/2z)
2J1z la quantité ss v (x, y, z) 1 2 est interprétée comme la densité surfacique de puissance. Le mathématicien sait par ailleurs que seules les amplitudes gaussiennes des champs électro-magnétiques se propagent sans déformer la densité surfacique de puissance. La déformation, pour des amplitudes quelconques, s'étudie par les transformations de
Fourier.Dans de nombreuses applications, notamment dans le nettoyage industriel par photoablation laser, le procédé d'interaction entre le champ électro-magnétique et la matière nécessite une densité surfacique de puissance homogène et constante sur toute la section du faisceau. La physique précédemment décrite montre que cette situation réalisée à l'abscisse z=o ne peut pas être conservée pour une autre abscisse dans une simple propagation libre du faisceau.The beam management device according to the invention overcomes the disadvantages of the propagation of electromagnetic fields which modifies the surface power density of coherent light waves. In the approximation of slowly varying amplitudes, and of weakly inclined beams on the Z axis of propagation, the electromagnetic field of a light wave is expressed by: E = (x, y, z) = 'Y ( X Y Z). exp - i (ot knz) where x and y are the transverse coordinates of the beam, w and k are respectively the wave pulsation and the wave vector modulus, n is the refractive index of the medium and I '(x, y, z) denotes the complex amplitude such that ::' I '(x, y, z) =' Il (x, y, z = o) * Gr (x, y, z) which expresses a convolution product on the transverse coordinates between the amplitude at the origin z = o and the function of Green such that:
ikn
Gr (x, y) = - -. exp ikn (z + (x2 + y2) / 2z)
2J1z the quantity ss v (x, y, z) 1 2 is interpreted as the surface density of power. The mathematician also knows that only the Gaussian amplitudes of the electromagnetic fields propagate without deforming the surface density of power. The deformation, for any amplitudes, is studied by the transformations of
Fourier.In many applications, especially in the industrial cleaning by laser photoablation, the interaction process between the electromagnetic field and the material requires a surface density of homogeneous and constant power over the entire section of the beam. The physics previously described shows that this situation realized at the abscissa z = o can not be preserved for another abscissa in a simple free propagation of the beam.
Le dispositif de gestion de faisceau selon l'invention permet par transport d'image de conserver une densité surfacique de puissance homogène et constante sur la cible dès lors où cette densité présente une telle qualité en sortie d'émetteur-laser. Par ailleurs et subséquemment le dispositif assure à la gestion de faisceau, une meilleure stabilité spatiale. Le dispositif est composé d'une part, d'un bras articulé à miroirs totalement réfléchissant à la longueur d'onde du laser et d'autre part, d'un équipage optique placé à l'intérieur du bras qui image optiquement le plan du miroir de sortie de l'émetteur-laser et le plan de l'échantillon.The beam management device according to the invention makes it possible, by image transport, to maintain a surface density of homogeneous and constant power on the target as soon as this density has such a quality at the laser emitter output. Moreover and subsequently the device provides the beam management, a better spatial stability. The device is composed on the one hand, of an articulated arm with mirrors totally reflecting at the wavelength of the laser and on the other hand, of an optical equipment placed inside the arm which optically image the plane of the laser. output mirror of the laser-emitter and the sample plane.
Selon la figure n" 1, le bras articulé est constitué par exemple, autour de six degrés de liberté. Deux tiges cylindriques creuses (1 & 2) sont associées par une jonction rotative (3) à deux miroirs sous 450 d'incidence. Le fût du bras (4) est fixé sur l'embrase (5) qui figure le plan de sortie de l'émetteur-laser et est relié à la tige (2) par la jonction rotative (6) à deux miroirs sous 45" d'incidence. Le poignet du bras (7) est constitué par une jonction double à trois miroirs sous 450 d'incidence et d'un embout (8) qui peut recevoir une poignée pour le maintien.La cible (9) sur laquelle se fait l'interaction, est située à une distance de la sortie de l'embout dont les valeurs minimum et maximum sont indiquées à l'utilisateur par un senseur inclus dans l'embout. L'utilisation d'un bras articulé dont le nombre de degrés de liberté serait différent de six ne sortirait pas de l'invention. L'équipage optique placé à l'intérieur du bras image le plan de l'embase (5) avec le plan moyen de la cible (9). Cet équipage est constitué par exemple, et selon la figure n" 2, par une lentille convergente (10) dont la longueur de la focale f est choisie de façon à ce que l'image du plan de l'embase (5) soit située à l'entrée du poignet (7) avec un grandissement g. Si L est la distance comprise entre le plan objet et le plan image, la relation entre f, L et g est la suivante g).L/(1-g)2 (avec g < o)
Si Z est la distance comprise entre le plan objet et le plan dans lequel se trouve la lentille, la relation entre Z, L et g est la suivante Z=L/(1 -g)
En application, pour un grandissement de - 0,5, la lentille convergente a une focale f = L/4,5 et Z est égale à L/1,5. Le passage au foyer se fait à une distance de
L/1,125 à partir du plan de l'embase. Le foyer, où le faisceau est concentré, se situe dans la tige cylindrique (1) qui constitue le bras. Pour des faisceaux lasers impulsionnels de forte puissance la tige cylindrique qui reçoit le foyer est étanche et est placé sous vide primaire. Un gaz propre de type azote, argon ou air dépoussiéré peut être placé dans la tige étanche. Le poignet reçoit un zoom (11) qui image l'image plan de l'embase (5) sur le plan moyen de la cible (9).Le grandissement du zoom est ajustable à partir du poignet.According to Figure No. 1, the articulated arm is constituted for example around six degrees of freedom Two hollow cylindrical rods (1 & 2) are associated by a rotary junction (3) to two mirrors under 450 incidence. arm shaft (4) is fixed on the fuse (5) which is the output plane of the laser transmitter and is connected to the rod (2) by the rotary junction (6) with two mirrors under 45 "d 'impact. The wrist of the arm (7) is constituted by a double junction with three mirrors under 450 of incidence and a tip (8) which can receive a handle for maintenance. The target (9) on which the interaction takes place , is located at a distance from the end of the tip whose minimum and maximum values are indicated to the user by a sensor included in the tip. The use of an articulated arm whose number of degrees of freedom would be different from six would not go beyond the invention. The optical assembly placed inside the arm image the plane of the base (5) with the mean plane of the target (9). This crew is constituted for example, and according to FIG. 2, by a convergent lens (10) whose length of the focal length f is chosen so that the image of the plane of the base (5) is located at the wrist entry (7) with a magnification g If L is the distance between the object plane and the image plane, the relation between f, L and g is the following g) .L / (1-g) 2 (with g <o)
If Z is the distance between the object plane and the plane in which the lens is, the relation between Z, L and g is Z = L / (1 -g)
In application, for a magnification of -0.5, the convergent lens has a focal length f = L / 4.5 and Z is equal to L / 1.5. The transition to the home is at a distance of
L / 1,125 from the plane of the base. The focus, where the beam is concentrated, is located in the cylindrical rod (1) which constitutes the arm. For pulsed laser beams of high power the cylindrical rod which receives the focus is sealed and is placed under a primary vacuum. A clean gas of nitrogen, argon or dedusted air type can be placed in the sealed rod. The wrist receives a zoom (11) which images the plane image of the base (5) on the mean plane of the target (9). The magnification of the zoom is adjustable from the wrist.
Une variante à l'équipage optique consisterait à utiliser toute combinaison optique qui image le plan de l'embase et le plan moyen de la cible avec un grandissement fixe ou ajustable.An alternative to the optical crew would be to use any optical combination that image the plane of the base and the average plane of the target with a fixed or adjustable magnification.
Il est courant de constater dans les bras articulés que les défauts de mécanique induisent une instabilité spatiale du faisceau en sortie de l'embout du poignet quand le bras décrit l'espace. Cette instabilité est minimisée par la présence de l'équipage optique.It is common to note in articulated arms that mechanical defects induce spatial instability of the beam at the end of the wrist tip when the arm describes the space. This instability is minimized by the presence of the optical crew.
L'utilisation du dispositif selon l'invention avec des émetteurs-laser à cavité à transformation de Fourier ou à cavité multi-mode pour lesquelles la densité surfacique de puissance en sortie est constante et homogène, permet de disposer sur le plan de la cible d'une densité surfacique de puissance constante et homogène.The use of the device according to the invention with Fourier transform cavity or multi-mode cavity laser emitters for which the surface density of power output is constant and homogeneous, makes it possible to have on the plane of the target of a surface density of constant and homogeneous power.
Le dispositif de gestion de faisceau, selon l'invention, est utilisé pour toutes les applications industrielles du laser et notamment le nettoyage par laser par photoablation. The beam management device, according to the invention, is used for all industrial laser applications and in particular photoblation laser cleaning.