WO2016181088A2 - Dispositif de traitement laser et station de travail comportant un tel dispositif - Google Patents

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WO2016181088A2
WO2016181088A2 PCT/FR2016/051141 FR2016051141W WO2016181088A2 WO 2016181088 A2 WO2016181088 A2 WO 2016181088A2 FR 2016051141 W FR2016051141 W FR 2016051141W WO 2016181088 A2 WO2016181088 A2 WO 2016181088A2
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Sylvain LECLER
Andri ABDURROCHMAN
Frédéric MERMET
Joël Fontaine
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CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE (Etablissement Public National à Caractère Scientifique et Technologique)
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    • B23K2103/54—Glass

Definitions

  • the present invention relates to the field of equipment, processes and processing facilities using power laser radiation, for industrial, medical, artistic or other applications.
  • the invention relates to a laser treatment device, a workstation comprising such a device and a processing method using such a device.
  • a means known to those skilled in the art for transporting a laser beam to a working area is the optical fiber, which may be provided at its free end with a focusing means of the projected laser beam.
  • document EP 2,056,144 discloses an end element for optical fibers in the form of an end-fitting, made of a material identical to that of the core of the fiber and intended to focus the beam. Nevertheless, the mounting of the tip must be extremely precise, which makes it complex and difficult to achieve. In addition, this results in a stiffening of the end of the fiber, limiting its possibilities of orientation of the emitted beam. The resistance to large laser flux is not assured.
  • this assembly is difficult to achieve and results in a transmission interface between the core of the fiber and the microsphere, whose properties can not always be precisely determined and which necessarily generates losses.
  • the type of fibers used in these two documents does not allow the application of high powers.
  • JP 63-98977 discloses, in the field of optical communications, the implementation of optical fibers having a hemispherical end obtained by simple melting of the material of the end of these fibers.
  • the purpose of this particular conformation of the end of the fibers is only to limit the return of reflected light and no beam focusing or power application is mentioned.
  • the main object of the invention is to provide a functional laser treatment device with a laser head with a simple structure, easy to manufacture, supporting high powers and able to provide a working beam of micrometric size, said device having, in addition, , can optimally exploit this laser head and advantageously allow a concentration of the beam emitted beyond the diffraction limit.
  • the invention relates to a laser treatment device comprising, on the one hand, a laser head consisting essentially of an injection module adapted and intended to be powered by a laser source and by an optical fiber formed of a core surrounded by at least one sheath, connected to said injection module and ending with a beam concentrating tip and, secondly, a support system of a part, an article or a material having at least one area to be treated by the laser head, or working area, the concentrating tip and the workpiece, article, or material being positionable and relatively movable relative to each other in a controlled manner ,
  • the invention also relates to a workstation and a processing method implementing this device.
  • Figure 1 is a symbolic representation of a laser treatment device according to the invention mounted in a work station according to the invention
  • FIG. 2 is a partial schematic representation on a different scale of the free end of the optical fiber forming part of the device represented in FIG. 1 (detail A of this figure);
  • FIGS. 3A and 3B are graphical representations of two examples of curves that can define the outer shape of the concentrating tip of the fiber shown partially in FIG. 2;
  • FIG. 4 is a schematic representation of detail illustrating an optical coupling device between the laser source and the optical fiber, forming part of the device represented in FIG. 1, and,
  • FIGS. 1, 4 and 5 illustrate a laser treatment device 1 comprising, on the one hand, a laser head 2 essentially consisting of an injection module 3 adapted and intended to be powered by a laser source 4 and by an optical fiber 5 formed of a core 10 surrounded by at least one sheath 10 ', 10 ", connected to said injection module and ending with a beam concentrating tip 6 and, secondly, a system 7 for supporting the beam.
  • a part, an article or a material 8 comprising at least one zone 9 to be treated by the laser head 2, or working zone, the concentrating tip 6 and the part, the article or the material 8 can be positioned and moved relative to one another in a controlled manner.
  • this device is characterized in that the concentration tip 6 is formed in one piece with the optical fiber 5, of the type with a solid core, as a shaped portion of the free end portion 5 'of the latter, opposite its end connected to the injection module 3.
  • the distance d between the tip 6 'of the concentration of end piece 6 and the working zone 9 is such that 5D c> d> ⁇ 50, the geometry and positioning of the end piece 6 being such that the laser head 2 generates a concentrated and slightly divergent laser beam 11 in the form of a photonic jet, with a diameter D j at the working zone 9 of the order of magnitude of the wavelength ⁇ .
  • a fiber 5 with a core 10 of large size allows not only the transport of a stream high power, but also the concentration of this flux to generate a photonic jet 11 at a distance and a limitation of the embrittlement of the free end 5 'of the fiber 5, resulting from the reflow and the structural forming of the end of the heart 10 leading to the concentrating tip 6.
  • a working distance d can be ensured such that d> Dc, which guarantees the preservation of the integrity of the tip 6 during the laser treatment process, makes the servo-control of the distance between the tip 6 and the working zone 9 less critical, while allowing a lateral resolution 1 of the order of ⁇ by virtue of the photonic jet generated at the end of nozzle 6.
  • b is such that D c / 2 ⁇ b ⁇ 2D c / 3.
  • This variant makes it possible to obtain a higher resolution than with the preceding variant (lateral resolution 1 ⁇ ).
  • This second variant is advantageous when the laser treatment method is applied to a given material that does not risk to harm the integrity of the tip 6 although the working distance d is such that d ⁇ Dc (example: microgravure of a silicon wafer).
  • the fiber 5 is of the monomode or multimode type, preferably with a limited or multimode number of modes with a low number of excited modes and advantageously with a small numerical aperture, preferably a double optical cladding fiber 10 ', surrounded by a mechanical sheath 10 ", or a semitransparent mechanical sheath fiber (not shown),
  • the fiber 5 has a cylindrical shape, preferably with a circular section, and / or
  • the fiber 5 has a flexible structure allowing bending with a minimum radius of curvature up to at least 20 mm, preferably up to 10 mm.
  • the optical fiber 5 has an optical index gradient between the core 10 and the sheath 10 'surrounding the latter, the index varying from a high value in the center of the fiber 5, for example between 1.3 and 3.5, at a low value at the sheath 10 ', for example between 1.2 and 3.
  • This index gradient is preferably of the parabolic type and can be obtained by prior doping of the fiber 5 (known technique for the manufacture of index gradient fibers or GRIN index gradient lenses) or during shaping of the tip 6 by thermoforming.
  • the optical fiber 5 may have, in the direction of its longitudinal axis AM, a composite structure comprising, on the one hand, a first portion 16 (having the inlet or injection end 5 ") which consists of a fiber with relatively few modes but having a large diameter, preferentially monomode with a small numerical aperture, for example of the broad-modal-mode optical fiber type or LMA fiber (Large Mode Area), and, secondly, a second portion 16 'which is welded to the first portion 16, presents a plus large diameter of the heart and has at its free end the concentrating tip 6 formed integrally and adapted to generate the photonic jet 11.
  • a composite structure comprising, on the one hand, a first portion 16 (having the inlet or injection end 5 ") which consists of a fiber with relatively few modes but having a large diameter, preferentially monomode with a small numerical aperture, for example of the broad-modal-mode optical fiber type or LMA fiber (Large Mode Area), and, secondly, a second portion 16 'which is welded
  • the first portion 16 allows to excite only the low order modes of the second portion 16 'and thus to further promote the phenomenon of the photonic jet 11 at the output, which allows to concentrate the beam beyond the diffraction limit.
  • the injection into the first portion 16 is facilitated (large diameter core).
  • the optical fiber 5, or at least the first portion 16 has a small numerical aperture ON (for example 0.05 ⁇ ON ⁇ 0.25), and for a wavelength of 1 ⁇ can by example be of type:
  • single-mode LMA fiber with a core diameter of 50 ⁇ , a concentric ring sheath forming a Bragg structure and a numerical aperture of approximately 0.12;
  • High power multimode index jump fiber silica core / silica optical cladding / polymer coating: respective dimensions in ⁇ 50/125/250; germanium doped heart; numerical aperture of 0.12.
  • the second portion of fiber 16 ', welded with abutment to the first portion 16 may for example be of the type:
  • - silica index jump fiber with a core diameter of 50 ⁇ or 100 ⁇ and a numerical aperture 0.22;
  • silica core / optical sheath 1 made of silica / optical sheath 2 in TEQS / polymer coating: respective dimensions in ⁇ 200/240/260/400; germanium doped heart; numerical aperture of 0.22.
  • it is intended to use a fiber 5 or a first portion 16 with a large core diameter (advantageously greater than 10 ⁇ , preferably at least 20 ⁇ ) and little modes, preferably substantially monomode, and a low numerical aperture (for example less than 0.20).
  • a fiber type LMA is preferred.
  • the laser treatment device 1 allows, in connection with a power source 4 laser (that is to say with an effective power P greater than or equal to 100 mW mode continuous or pulsed, preferably at least of the order of 1W) and a solid fiber 5 (in one piece or formed of two portions 16, 16 'connected by welding) capable of transmitting such power, to perform a treatment of a material, in particular a surface treatment (surface etching, surface melting of a material, surface oxidation, marking, surface crystallization, photopolymerization, thin-film drilling, etc.), with a high lateral resolution between ⁇ / 2 and 5 ⁇ .
  • a power source 4 laser that is to say with an effective power P greater than or equal to 100 mW mode continuous or pulsed, preferably at least of the order of 1W
  • a solid fiber 5 in one piece or formed of two portions 16, 16 'connected by welding
  • the resulting laser head 2 is extremely compact at its level. free operational end and reports a great invasive potential for reaching and treating difficult to access areas: action on tissues or organs in an endoscopic application, machining the inside of a metal tube, treatment surface at an undercut or the like.
  • the injection module 3 advantageously comprises (see FIG. 4) a means 3 'for quick connection of the end of the device. 5 "input of the optical fiber 5, providing protection of the input section of the latter, and a means 3" of three-dimensional micro-positioning, adapted and intended to have said input section at the focal point of the focusing optics of said module 3.
  • the fast connection means 3 ' is preferably a high-power fiber connector that can be cooled.
  • the micro-positioning means 3 may, for example, carry a focusing lens 3"'which it ensures the precise positioning with respect to the input end 5 "to achieve an optimized optical coupling.
  • the injection module 3 is advantageously configured to be fixed at the output of a power laser or a power laser diode, or to be able to substitute for the optical head of an existing engraving system (replacing by example of a galvano metric head).
  • the invention makes it possible to generate a photonic jet by focusing the radiation beyond the diffraction limit.
  • control of the injection of the radiation and the privileged use of the light of the modes of weak order can in particular favor this phenomenon.
  • the invention can also be implemented for other applications than those mentioned in the introduction while still optimally exploiting the specific laser head proposed.
  • Example 4 illustrates a non-limiting practical embodiment corresponding to this variation of the invention.
  • the object of the invention is also, as shown schematically and symbolically in FIG. 1, and partially in FIG. 5, a work station 12 for machining parts, articles or materials 8, in particular for the treatment of surface, engraving, cutting, drilling or marking.
  • This work station 12 comprises a pulsed or continuous power laser source 4, a control unit 13, connected to sensors (not shown), to actuators (in particular for the relative displacement between head 2 and support 7), to the laser source 4 and possibly to a control and / or programming interface 14, a laser treatment device 1 coupled to the laser source 4 and controlled by the control unit 13 and a structure or a support frame 15.
  • This work station 12 is characterized in that the laser processing device 1 corresponds to a device as described above, the relative positioning and displacement between the concentrating tip 6 formed on the end portion 5 'of the fiber optical 5 and the part, the article or the material 8 to be treated being controlled by the control unit 13 by means of sensors and corresponding actuators (not shown - known as such by those skilled in the art ) equipping the laser head 2 and / or the support system 7.
  • the relative displacement, continuous or intermittent, between the part, the article or the material 8, on the one hand, and the laser head 2 or the optical fiber 5, on the other hand is controlled by means of the control unit 13 by implementing a control ensuring a control of the distance d between the concentrator tip 6 and the working zone 9, either by keeping an initially set value, or by making one or more adjustments (s) ) of this distance, during such a relative displacement, corresponding to a cycle or an effective phase of treatment.
  • the station 12 may also comprise a communication, display and programming interface 14, enabling an operator to parameterize, control and control the operation of said station, in particular as a function of the workpiece, the article or the workpiece. material 8 to be treated and the treatment to be carried out.
  • the laser source 4 is a laser source of effective power, with an effective power greater than 100 mW, preferably at least of the order of Watt or ten Watts.
  • the work station 12 may comprise, on the one hand, a sensor 17 for measuring the light reflected back by the working zone 9 in the optical fiber 5 through the tip 6 and, secondly, a coupler (not shown) mounted at the input end 5 "of the optical fiber 5 and adapted to recover and transmit to said sensor 17 the retroreflected light having passed through said fiber 5 from the tip 6, these measured values being exploited, preferably in real time, by the control unit 13 to control the distance d between the tip 6 and the working zone 9.
  • the workstation 12 may comprise a measurement sensor 17 in the form of a camera with a macro lens which observes the region of the tip 6 and the working zone 9, illuminated by a or a plurality of dedicated light source (s) (not shown), the images provided by said camera 17 being exploited, preferably in real time, by the control unit 13 to control the distance d between the tip 6 and the work area 9.
  • a measurement sensor 17 in the form of a camera with a macro lens which observes the region of the tip 6 and the working zone 9, illuminated by a or a plurality of dedicated light source (s) (not shown), the images provided by said camera 17 being exploited, preferably in real time, by the control unit 13 to control the distance d between the tip 6 and the work area 9.
  • One of the dedicated light sources may possibly correspond to a laser pointer associated with the power laser source 4 and illuminating the working zone 9.
  • the invention also relates to a process for treating an article, a part or a material 8 implementing a laser treatment device 1 as described above, preferably forming part of a workstation. 12 as mentioned above.
  • This method is characterized in that it consists, prior to a cycle or an effective treatment phase, in fixing an optical fiber 5 having a concentration tip 6, shaped in one piece and suitable and intended to produce a jet 11, on the part, the article or the material 8 in the working zone 9, to adjust the relative positioning of the input section of the fiber 5 to optimize the injection (of the laser beam from the source 4 ), possibly to conform the fiber 5 according to the shape of the part, the article or the material 8 to be treated, the location of the working zone 9, the path to be traveled to perform the treatment cycle or similar geometrical and / or topological considerations, in particular to adjust the power of the laser source 4, the optimum distance d between the tip 6 and the workpiece, the article or the material 8 and the relative speed of movement, as a function of the less of the nature of ladi the workpiece, said article or said material 8 or its surface and, finally, start the treatment under the control of the control unit 13, preferably following a path or a preprogrammed treatment cycle.
  • the method of melt-molding the tip 6 of the optical fiber 5 may, for example, be similar to that used for the production of SNOM microscopy probes (near-field optical microscope) and proposed by the Lovalite companies and Laseoptics.
  • SNOM microscopy probes near-field optical microscope
  • Laseoptics proposed by the Lovalite companies and Laseoptics.
  • the working zone 9 is located at a distance d of 150 ⁇ from the tip and the etching resolution is 1 ⁇ 3 ⁇ .
  • a work station 12 is produced with a nanosecond pulsed laser in the near infrared having an effective power P ⁇ 5 W and ⁇ ⁇ 1 ⁇ (for example Nd: YAG or Ytterbium doped fiber laser), a pulse duration of 20 ns and a repetition frequency of 20 kHz and with a silica fiber 5:
  • a nanosecond pulsed laser in the near infrared having an effective power P ⁇ 5 W and ⁇ ⁇ 1 ⁇ (for example Nd: YAG or Ytterbium doped fiber laser), a pulse duration of 20 ns and a repetition frequency of 20 kHz and with a silica fiber 5:
  • glass can also be etched on the surface.
  • a work station 12 is produced with a pulsed or continuous laser diode 4 in the near infrared having an effective power P ⁇ 100 mW, ⁇ ⁇ 1 ⁇ .
  • the working area 9 is located at a distance d of 800 ⁇ from the tip and the etching resolution is 1 - 5-10 ⁇ .

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Abstract

La présente invention a pour objet un dispositif de traitement laser et une station de travail comportant un tel dispositif. Dispositif de traitement laser avec une tête laser comprenant une fibre optique se terminant par un embout de concentration du faisceau formé d'un seul tenant avec la fibre optique (5) en tant que partie façonnée de la portion d'extrémité libre (5') de cette dernière. Dispositif (1) caractérisé en ce que l'embout de concentration (6) présente une symétrie de révolution axiale avec une forme délimitée extérieurement par une courbe convexe sensiblement semi-elliptique dont les dimensions sont déterminées, et en ce que la distance d entre la pointe (6") de l'embout de concentration (6) et la zone de travail (9), la géométrie et le positionnement de l'embout (6) sont tels que la tête laser (2) génère un faisceau laser concentré et faiblement divergent sous forme de jet photonique, avec un diamètre au niveau de la zone de travail (9) de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde.

Description

Dispositif de traitement laser et station de travail
comportant un tel dispositif
La présente invention concerne le domaine des équipements, procédés et installations de traitement utilisant un rayonnement laser de puissance, ce pour des applications industrielles, médicales, artistiques ou autres.
Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de traitement laser, une station de travail comprenant un tel dispositif et un procédé de traitement utilisant un tel dispositif.
L'utilisation d'un faisceau laser pour effectuer un traitement au niveau d'une pièce, d'un article ou d'un matériau est bien connue de l'homme du métier et de nombreux dispositifs et systèmes ont déjà été proposés dans ce contexte technologique.
Toutefois, dans le cadre des applications nécessitant une précision de travail de l'ordre du μπι et une densité de puissance moyenne délivrée au niveau de la zone de travail de l'ordre de 1012 W/m2 en mode puisé (densité de puissance crête d'environ 1016 W/m2), il existe une demande non satisfaite pour une solution simple, économique et adaptative en termes d'acheminement du faisceau sur la zone de travail.
Un moyen connu de l'homme du métier pour transporter un faisceau laser jusqu'à une zone de travail est la fibre optique, laquelle peut être munie à son extrémité libre d'un moyen de focalisation du faisceau laser projeté.
Ainsi, par le document EP 2 056 144 par exemple, on connaît un élément d'extrémité pour fibres optiques sous forme d'embout rapporté, réalisé en un matériau identique à celui du cœur de la fibre et destiné à focaliser le faisceau. Néanmoins, le montage de l'embout doit être extrêmement précis, ce qui le rend complexe et délicat à réaliser. De plus, il en résulte une rigidification de l'extrémité de la fibre, limitant ses possibilités d'orientation du faisceau émis. La tenue à des flux laser important n'est pas assurée.
Par les documents "Photonic nanojet focusing for hollow-core photonic crystal fiber probes" ("Focalisation de nanojet photonique pour fibre à cristaux photoniques à cœur creux"), Petru Ghenuche et al., Applied Optics, Vol. 51, N° 36, 20 décembre 2012, Optical Society of America, et "Optical-fiber-microsphere for remote fluorescence corrélation spectroscopy" ("Micro sphère pour fibre optique pour spectroscopie de corrélation par fluorescence lointaine"), Heykel Aouani et al., OPTICS EXPRESS, Vol. 17, N° 21, 12 octobre 2009, OSA, on connaît par ailleurs la mise en œuvre de fibres optiques creuses ou partiellement évidées, sur les extrémités libres desquelles sont rapportées des microsphères destinées à focaliser le flux lumineux émis. Toutefois, comme précédemment, ce montage est délicat à réaliser et résulte en une interface de transmission entre le cœur de la fibre et la microsphère, dont les propriétés ne peuvent pas toujours être déterminés précisément et qui nécessairement génère des pertes. De plus, le type de fibres mises en œuvre dans ces deux documents ne permet pas l'application de puissances élevées.
Enfin, le document JP 63-98977 divulgue, dans le domaine des communications optiques, la mise en œuvre de fibres optiques comportant une extrémité hémisphérique obtenue par simple fusion du matériau de l'extrémité de ces fibres. Le but de cette conformation particulière du bout des fibres est uniquement de limiter le retour de lumière réfléchie et aucune focalisation du faisceau, ni application de puissance n'est mentionnée.
Le but principal de l'invention consiste à fournir un dispositif fonctionnel de traitement laser avec une tête laser à structure simple, aisée à fabriquer, supportant des puissances élevées et apte à fournir un faisceau de travail de dimension micrométrique, ledit dispositif devant, en outre, pouvoir exploiter de manière optimisée cette tête laser et avantageusement permettre une concentration du faisceau émis au-delà de la limite de diffraction.
A cet effet, l'invention concerne un dispositif de traitement laser comprenant, d'une part, une tête laser essentiellement constituée par un module d'injection apte et destiné à être alimenté par une source laser et par une fibre optique formée d'un cœur entouré d'au moins une gaine, reliée audit module d'injection et se terminant par un embout de concentration du faisceau et, d'autre part, un système de support d'une pièce, d'un article ou d'un matériau comportant au moins une zone à traiter par la tête laser, ou zone de travail, l'embout de concentration et la pièce, l'article ou le matériau pouvant être positionnés et déplacés relativement l'un par rapport à l'autre de manière contrôlée,
dispositif caractérisé en ce que l'embout de concentration est formé d'un seul tenant avec la fibre optique, du type à cœur plein, en tant que partie façonnée de la portion d'extrémité libre de cette dernière, opposée à son extrémité connectée au module d'injection, en ce que l'embout de concentration présente une symétrie de révolution axiale et, vu en section selon un plan contenant l'axe médian ou de symétrie de la portion d'extrémité libre de la fibre optique, une forme délimitée extérieurement par une courbe convexe sensiblement semi-elliptique avec un premier demi- axe a, s'étendant perpendiculairement à l'axe médian, qui est tel que a = Dc/2 et un second demi-axe b, aligné avec l'axe médian, qui est tel que Dc/4<b<2Dc/3, avec 1 000 >DC>40 λ, où Dc est le diamètre du cœur de la fibre optique et λ est la longueur d'onde du rayonnement laser injecté, et en ce que la distance d entre la pointe de l'embout de concentration et la zone de travail est telle que 5Dc>d>50 λ, la géométrie et le positionnement de l'embout étant tels que la tête laser génère un faisceau laser concentré et faiblement divergent sous forme de jet photonique, avec un diamètre au niveau de la zone de travail de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde λ.
L'invention concerne également une station de travail et un procédé de traitement mettant en œuvre ce dispositif.
L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci- après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels :
la figure 1 est une représentation symbolique d'un dispositif de traitement laser selon l'invention monté dans une station de travail selon l'invention ;
la figure 2 est une représentation schématique partielle à une échelle différente de l'extrémité libre de la fibre optique faisant partie du dispositif représenté figure 1 (détail A de cette figure) ;
les figures 3A et 3B sont des représentations graphiques de deux exemples de courbes pouvant définir la forme extérieure de l'embout de concentration de la fibre représentée partiellement sur la figure 2 ;
la figure 4 est une représentation schématique de détail illustrant un dispositif de couplage optique entre la source laser et la fibre optique, faisant partie du dispositif représenté figure 1, et,
la figure 5 est une représentation schématique d'une possible configuration constructive des principaux éléments constitutifs du dispositif représenté figure 1. Les figures 1, 4 et 5 illustrent un dispositif 1 de traitement laser comprenant, d'une part, une tête laser 2 essentiellement constituée par un module d'injection 3 apte et destiné à être alimenté par une source laser 4 et par une fibre optique 5 formée d'un cœur 10 entouré d'au moins une gaine 10', 10", reliée audit module d'injection et se terminant par un embout 6 de concentration du faisceau et, d'autre part, un système 7 de support d'une pièce, d'un article ou d'un matériau 8 comportant au moins une zone 9 à traiter par la tête laser 2, ou zone de travail, l'embout de concentration 6 et la pièce, l'article ou le matériau 8 pouvant être positionnés et déplacés relativement l'un par rapport à l'autre de manière contrôlée.
Conformément à l'invention, et comme le montrent plus précisément la figure 2 en association avec la figure 1, ce dispositif est caractérisé en ce que l'embout de concentration 6 est formé d'un seul tenant avec la fibre optique 5, du type à cœur plein, en tant que partie façonnée de la portion d'extrémité libre 5' de cette dernière, opposée à son extrémité connectée au module d'injection 3. De plus, l'embout de concentration 6 présente une symétrie de révolution axiale et, vu en section selon un plan contenant l'axe médian ou de symétrie AM de la portion d'extrémité libre 5' de la fibre optique 5, une forme délimitée extérieurement par une courbe convexe 6' sensiblement semi-elliptique avec un premier demi-axe a, s'étendant perpendiculairement à l'axe médian, qui est tel que a = Dc/2 et un second demi-axe b, aligné avec l'axe médian AM, qui est tel que Dc/4<b<2Dc/3, avec 1 000 >DC>40 λ, où Dc est le diamètre du cœur 10 de la fibre optique 5 et λ est la longueur d'onde du rayonnement laser injecté.
Préférentiellement, b≠ Dc/2, donc b≠ a.
Enfin, la distance d entre la pointe 6" de l'embout de concentration 6 et la zone de travail 9 est telle que 5Dc>d>50 λ, la géométrie et le positionnement de l'embout 6 étant tels que la tête laser 2 génère un faisceau laser concentré et faiblement divergent 11 sous forme de jet photonique, avec un diamètre Dj au niveau de la zone de travail 9 de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde λ.
La combinaison particulière des dispositions techniques précitées, relatives à la fois à la nature, à la conformation, au dimensionnement et au positionnement par rapport à la zone de travail 9 de l'embout de concentration 6, permet à l'invention d'atteindre le but recherché. En particulier, ces différentes dispositions spécifiques permettent de générer, directement en sortie de fibre 5, un jet photonique 11 avec une densité de puissance moyenne élevée (typiquement supérieure à 1012 W/m2), sur une surface de très faible dimension (typiquement un spot avec un diamètre Dj de l'ordre du μπι) et à une distance d suffisante (typiquement entre 50 et 500 μπι selon la nature du matériau) évitant un encrassement de l'embout 6 par d'éventuelles projections de matériau arraché ou de dépôts de gaz de sublimation.
En outre, l'utilisation d'une fibre 5 avec un cœur 10 de grande dimension (typiquement avec une dimension transversale De de l'ordre de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de μπι) et plein, autorise non seulement le transport d'un flux lumineux de forte puissance, mais également la concentration de ce flux pour générer un jet photonique 11 à distance et une limitation de la fragilisation de l'extrémité libre 5' de la fibre 5, résultant de la refusion et du façonnage structurel de l'extrémité du cœur 10 aboutissant à l'embout de concentration 6.
En accord avec une caractéristique de l'invention, autorisant une reproductibilité fiable de l'un des paramètres essentiels de l'invention, il est avantageusement prévu que la forme extérieure de l'embout de concentration 6, qui présente une symétrie de révolution autour du demi-axe b, soit décrite paramétriquement par une courbe de Bézier rationnelle Z(R)
R(t) (1 - t)2P0 + 2w0 (1 - t)tPy + t2P2
telle que
z(t) (ï - t)2 + 2w0 (ï - t)t + t2
où t varie de 0 à 1, où le poids de la courbe de Bézier w0 est tel que 0,4<w0≤0,75, avantageusement 0,4<w0≤0,5, préférentiellement w0 = 0,45, et où les points de contrôle P0, Pi et P2 sont:
Figure imgf000007_0001
Des variantes de réalisations pratiques avantageuses de l'invention aboutissant à des performances élevées en relation avec le but recherché font état, selon les résultats obtenus par les inventeurs, d'une ou de plusieurs des limitations sélectives additionnelles suivantes :
- 500 >DC>40 λ, préférentiellement 100 >DC>40 λ,
- Dc/4<b< Dc/2, préférentiellement Dc/4<b<Dc/2 (figure 3B). Lorsque ces dernières limitations sont également vérifiées, une distance de travail d peut être assurée telle que d >Dc, ce qui garantit la préservation de l'intégrité de l'embout 6 lors du procédé de traitement laser, rend moins critique l'asservissement de la distance entre l'embout 6 et la zone de travail 9, tout en permettant une résolution latérale 1 de l'ordre de λ grâce au jet photonique généré en sortie d'embout 6.
Selon une autre variante de réalisation, ressortant de la figure 3 A, b est tel que Dc/2<b<2Dc/3.
Cette variante permet d'obtenir une résolution plus élevée qu'avec la variante précédente (résolution latérale 1 < λ). Cette seconde variante est intéressante lorsque le procédé de traitement laser est appliqué à un matériau donné qui ne risque pas de nuire à l'intégrité de l'embout 6 bien que la distance de travail d soit telle que d <Dc (exemple : la microgravure d'une galette de silicium).
De manière additionnelle et en relation avec un choix sélectif du type de fibres 5 susceptible de présenter des caractéristiques techniques avantageuses pour une utilisation favorable dans le cadre de l'invention, il peut être prévu que :
- la fibre 5 soit du type monomode ou multimode, avec préférentiellement un nombre de modes limité ou multimode avec un nombre de modes excités faible et avantageusement à faible ouverture numérique, préférentiellement une fibre à double gaine optique 10', entourée d'une gaine mécanique 10", ou une fibre à gaine mécanique semi- transparente (non représenté),
- la fibre 5 présente une forme cylindrique, préférentiellement à section circulaire, et/ou
- la fibre 5 présente une structure flexible autorisant un cintrage avec un rayon de courbure minimal jusqu'à au moins 20 mm, préférentiellement jusqu'à 10 mm.
En accord avec une autre variante de réalisation, il peut être prévu que la fibre optique 5 présente un gradient d'indice optique entre le cœur 10 et la gaine 10' entourant ce dernier, l'indice variant d'une valeur élevée au centre de la fibre 5, par exemple entre 1,3 et 3,5, à une valeur faible au niveau de la gaine 10', par exemple entre 1,2 et 3. Ce gradient d'indice est préférentiellement de type parabolique et peut être obtenu par le dopage préalable de la fibre 5 (technique connue pour la fabrication des fibres à gradient d'indice ou de lentilles à gradient d'indice-GRIN) ou bien lors de la mise en forme de l'embout 6 par thermoformage.
Selon une autre variante de réalisation, ressortant de la figure 4, la fibre optique 5 peut présenter, dans la direction de son axe longitudinal AM, une structure composite comprenant, d'une part, une première portion 16 (comportant l'extrémité d'entrée ou d'injection 5") qui est constituée d'une fibre avec relativement peu de modes mais présentant un grand diamètre, préférentiellement monomode avec une faible ouverture numérique, par exemple du type fibre optique à large diamètre modal ou fibre LMA (Large Mode Area), et, d'autre part, une seconde portion 16' qui est soudée à la première portion 16, présente un plus grand diamètre de cœur et comporte à son extrémité libre l'embout de concentration 6 façonnée d'un seul tenant et apte à générer le jet photonique 11.
Grâce à ces dispositions, la première portion 16 permet d'exciter uniquement les modes d'ordre faible de la deuxième portion 16' et ainsi de favoriser davantage le phénomène du jet photonique 11 en sortie, qui permet de concentrer le faisceau au-delà de la limite de diffraction. De plus, l'injection dans la première portion 16 est facilitée (cœur de grand diamètre).
De manière non limitative, la fibre optique 5, ou au moins la première portion 16, est à faible ouverture numérique ON (par exemple 0,05<ON<0,25), et pour une longueur d'onde de 1 μπι peut par exemple être du type :
- fibre monomode LMA de 20 microns de cœur et avec une ouverture numérique de 0,08 ;
- fibre LMA mono mode avec un diamètre de cœur de 50 μπι, une gaine en anneau concentrique formant une structure de Bragg et une ouverture numérique d'environ 0,12 ;
- fibre à saut d'indice multimode haute puissance : cœur en silice / gaine optique en silice / revêtement polymère : dimensions respectives en μπι 50/125/250 ; cœur dopé au germanium ; ouverture numérique de 0,12.
De manière non limitative, la deuxième portion de fibre 16', soudée avec aboutement à la première portion 16, peut par exemple être du type :
- fibre à saut d'indice en silice, avec un cœur de diamètre 50 μπι ou 100 μπι et une ouverture numérique 0,22 ;
- fibre à saut d'indice haute puissance : cœur en silice / gaine optique 1 en silice / gaine optique 2 en TEQS / revêtement polymère : dimensions respectives en μπι 200/240/260/400 ; cœur dopé au germanium ; ouverture numérique de 0,22. Dans tous les cas de figures de mise en œuvre de l'invention, on vise à utiliser une fibre 5 ou une première portion 16 avec un grand diamètre de cœur (avantageusement supérieur à 10 μπι, préférentiellement d'au moins 20 μπι) et peu de modes, préférentiellement sensiblement monomode, ainsi qu'une faible ouverture numérique (par exemple inférieure à 0,20).
Dans ce contexte, une fibre du type LMA est privilégiée.
Ainsi, le dispositif de traitement laser 1 selon l'invention tel que défini ci-dessus permet, en liaison avec une source laser 4 de puissance (c'est-à-dire avec une puissance efficace P supérieure ou égale à 100 mW en mode continu ou puisé, préférentiellement au moins de l'ordre de 1W) et une fibre 5 pleine (d'un seul tenant ou formée de deux portions 16, 16' reliées par soudure) apte à transmettre une telle puissance, de réaliser un traitement d'un matériau, notamment un traitement de surface (gravure de surface, fusion surfacique d'un matériau, oxydation de surface, marquage, cristallisation en surface, photo-polymérisation, perçage de couche mince, etc), avec une résolution latérale élevée comprise entre λ/2 et 5 λ.
De plus, en mettant en œuvre une fibre optique 5 de nature flexible et équipée d'un embout de concentration 6 intégré (formé dans la masse du cœur 10) et de faible dimension, la tête laser 2 résultante est extrêmement compacte au niveau de son extrémité opérationnelle libre et fait état d'un grand potentiel invasif permettant d'atteindre et de traiter des zones difficiles d'accès : action sur des tissus ou des organes dans une application endoscopique, usinage de l'intérieur d'un tube métallique, traitement de surface au niveau d'une contre-dépouille ou analogue.
Afin de faciliter la maintenance du dispositif 1 et d'optimiser le couplage [module d'injection 3/fibre 5], le module d'injection 3 comprend avantageusement (voir figure 4) un moyen 3' de raccordement rapide de l'extrémité d'entrée 5" de la fibre optique 5, assurant une protection de la section d'entrée de cette dernière, et un moyen 3" de micro-positionnement tridimensionnel, apte et destiné à disposer ladite section d'entrée au point focal de l'optique de focalisation dudit module 3. Le moyen de raccordement rapide 3' est préférentiellement un connecteur à fibre optique haute puissance pouvant être refroidi. Le moyen de micro -positionnement 3" peut, par exemple, porter une lentille de focalisation 3"' dont il assure le positionnement précis par rapport à l'extrémité d'entrée 5" pour aboutir à un couplage optique optimisé. Le module d'injection 3 est avantageusement configuré pour pouvoir être fixé en sortie d'un laser de puissance ou d'une diode laser de puissance, ou pour pouvoir se substituer à la tête optique d'un système de gravure existant (en remplacement par exemple d'une tête galvano métrique).
Grâce aux dispositions précitées, l'invention permet de générer un jet photonique en focalisant le rayonnement au-delà de la limite de diffraction.
Le contrôle de l'injection du rayonnement et l'utilisation privilégiée de la lumière des modes d'ordre faible peuvent notamment favoriser ce phénomène.
En faisant varier et en adaptant certains des paramètres dimensionnels indiqués précédemment, tout en conservant les caractéristiques structurelles et constructives essentielles évoquées précédemment, l'invention peut également être mise en œuvre pour d'autres applications que celles évoquées en introduction en exploitant toujours de manière optimale la tête laser spécifique proposée.
Ainsi, pour des applications visant à graver avec des résolutions moins élevées, que celles évoquées ci-dessus, par exemple entre 5λ et 10λ, la capacité de concentrer le faisceau par jet photonique au niveau de l'embout de fibre optique sur un diamètre 5λ<ϋ<10λ permet de travailler avec des sources moins puissantes et donc économiquement et écologiquement plus intéressantes. Ceci répond à un besoin auquel les techniques actuelles n'apportent pas de solution. Pour ces applications, on pourra considérer des embouts 6 et des configurations constructives du dispositif 1 avec :
5Dc<d<10Dc (distance : embout / zone de travail) et 0,75<w0≤2 (poids de la courbe de Bézier).
L'exemple 4 ci-après illustre une réalisation pratique non limitative correspondant à cette déclinaison de l'invention.
L'invention a également pour objet, comme le montre schématiquement et symboliquement la figure 1, et partiellement la figure 5, une station de travail 12 pour l'usinage de pièces, d'articles ou de matériaux 8, en particulier pour le traitement de surface, la gravure, la découpe, le perçage ou le marquage.
Cette station de travail 12 comprend une source laser de puissance 4, à émission puisée ou continue, une unité de commande 13, reliée à des capteurs (non représentés), à des actionneurs (notamment pour le déplacement relatif entre tête 2 et support 7), à la source laser 4 et éventuellement à une interface 14 de pilotage et/ou de programmation, un dispositif de traitement laser 1 accouplé à la source laser 4 et contrôlé par l'unité de commande 13 et une structure ou un châssis support 15.
Cette station de travail 12 est caractérisé en ce que le dispositif de traitement laser 1 correspond à un dispositif tel que décrit précédemment, le positionnement et le déplacement relatifs entre l'embout de concentration 6 façonné sur la portion d'extrémité 5' de la fibre optique 5 et la pièce, l'article ou le matériau 8 à traiter étant contrôlés par l'unité de commande 13 par l'intermédiaire de capteurs et d'actionneurs correspondants (non représentés - connus en tant que tels par l'homme du métier) équipant la tête laser 2 et/ou le système de support 7.
Préférentiellement, le déplacement relatif, continu ou intermittent, entre la pièce, l'article ou le matériau 8, d'une part, et la tête laser 2 ou la fibre optique 5, d'autre part, est piloté par l'intermédiaire de l'unité de commande 13 en mettant en œuvre un asservissement garantissant un contrôle de la distance d entre l'embout de concentration 6 et la zone de travail 9, soit en conservant une valeur initialement réglée, soit en réalisant un ou des ajustement(s) de cette distance, au cours d'un tel déplacement relatif, correspondant à un cycle ou à une phase effective de traitement.
La station 12 peut également comprendre une interface 14 de communication, d'affichage et de programmation, permettant à un opérateur de paramétrer, de commander et de contrôler le fonctionnement de ladite station, notamment en fonction de la pièce, de l'article ou du matériau 8 à traiter et du traitement à réaliser.
Avantageusement, la source laser 4 est une source laser de puissance efficace, avec une puissance efficace supérieure à 100 mW, préférentiellement au moins de l'ordre du Watt ou de la dizaine de Watts.
En accord avec une caractéristique additionnelle de l'invention, ressortant schématiquement de la figure 5, la station de travail 12 peut comprendre, d'une part, un capteur 17 de mesure de la lumière rétro- réfléchie par la zone de travail 9 dans la fibre optique 5 à travers l'embout 6 et, d'autre part, un coupleur (non représenté) monté au niveau de l'extrémité d'entrée 5" de la fibre optique 5 et apte à récupérer et à transmettre audit capteur 17 la lumière rétroréfléchie ayant transitée par ladite fibre 5 depuis l'embout 6, ces valeurs mesurées étant exploitées, préférentiellement en temps réel, par l'unité de commande 13 pour asservir la distance d entre l'embout 6 et la zone de travail 9.
Selon une autre variante de réalisation, la station de travail 12 peut comprendre un capteur de mesure 17 sous la forme d'une caméra avec un objectif macro qui observe la région de l'embout 6 et de la zone de travail 9, éclairée par une ou plusieurs source(s) de lumière dédiée(s) (non représenté), les images fournies par ladite caméra 17 étant exploitées, préférentiellement en temps réel, par l'unité de commande 13 pour asservir la distance d entre l'embout 6 et la zone de travail 9.
Une des sources de lumière dédiée peut éventuellement correspondre à un pointeur laser associé à la source laser de puissance 4 et éclairant la zone de travail 9.
Enfin, l'invention porte aussi sur un procédé de traitement d'un article, d'une pièce ou d'un matériau 8 mettant en œuvre un dispositif de traitement laser 1 tel que décrit précédemment, faisant préférentiellement partie d'une station de travail 12 telle qu'évoquée ci-dessus.
Ce procédé est caractérisé en ce qu'il consiste, préalablement à un cycle ou à une phase effective de traitement, à fixer une fibre optique 5 présentant un embout de concentration 6, façonné d'un seul tenant et apte et destiné à produire un jet photonique 11, sur la pièce, l'article ou le matériau 8 dans la zone de travail 9, à ajuster le positionnement relatif de la section d'entrée de la fibre 5 pour optimiser l'injection (du faisceau laser issu de la source 4), à conformer éventuellement la fibre 5 en fonction de la forme de la pièce, de l'article ou du matériau 8 à traiter, de la localisation de la zone de travail 9, du trajet à parcourir pour effectuer le cycle de traitement ou de considérations géométriques et/ou topologiques analogues, à régler notamment la puissance de la source laser 4, la distance d optimale entre l'embout 6 et la pièce, l'article ou le matériau 8 et la vitesse de déplacement relatif, ce en fonction au moins de la nature de ladite pièce, dudit article ou dudit matériau 8 ou de sa surface et, enfin, à démarrer le traitement sous le contrôle de l'unité de commande 13, en suivant préférentiellement un trajet ou un cycle de traitement préprogrammé.
Le procédé de modelage par fusion de l'embout 6 de la fibre optique 5 peut, par exemple, être similaire à celui mis en œuvre pour la réalisation de sondes en microscopie SNOM (microscope optique en champ proche) et proposé par les sociétés Lovalite et Laseoptics. Différents exemples de réalisation pratiques de l'invention vont à présent être décrits à titre illustratifs de variantes non limitatives de mise en œuvre.
Exemple 1
On réalise une station de travail 12 avec un laser puisé nanoseconde 4 dans le proche infrarouge ayant une puissance efficace P ~ 20 W, λ ~ 1 μπι, une durée d'impulsion de 150 ns et une fréquence de répétition de 5 kHz, et une fibre 5 en silice, avec double gaine optique, avec un diamètre de cœur Dc = 200 μπι. La fibre 5 comporte un embout 6 façonné avec un demi-axe b = 100 μπι et un poids de la courbe de Bézier w0 = 0,45. La zone de travail 9 est située à une distance d de 150 μπι de l'embout et la résolution de gravure est de 1 ~ 3 μιη.
Avec une telle station de travail 12, il est possible de graver en surface du verre, malgré sa faible absorption dans ce domaine spectral.
Exemple 2 (deux variantes)
On réalise une station de travail 12 avec un laser puisé nanoseconde dans le proche infrarouge ayant une puissance efficace P ~ 5 W et λ ~ 1 μπι (par exemple Nd : YAG ou laser à Fibre dopé Ytterbium), une durée d'impulsion de 20 ns et une fréquence de répétition de 20 kHz et avec une fibre 5 en silice :
- soit de diamètre de cœur Dc = 100 μπι : on pourra dans ce cas prendre une longueur d'embout b = 33 μπι et un poids de la courbe de Bézier w0 = 0,45. La zone de travail sera alors à une distance d de 90 μπι de l'embout et la résolution de gravure sera de 1 ~ 2 μπι ;
- soit de diamètre de cœur Dc = 50 μπι : on pourra dans ce cas prendre une longueur d'embout b = 13 μπι et un poids de la courbe de Bézier w0 = 0,45. La zone de travail sera alors à une distance d de 60 μπι de l'embout et la résolution de gravure sera de 1 ~ 2 μπι.
Dans ces deux cas également du verre pourra être gravé en surface.
Exemple 3
On réalise une station de travail 12 avec un laser puisé nanoseconde dans l'ultraviolet ayant une puissance efficace P ~ 20 W et λ ~ 248 nm (par exemple Laser excimer KrF) et avec une fibre 5 en silice de diamètre de cœur Dc = 50 μπι. On pourra dans ce cas prendre une longueur d'embout b = 38 μπι et un poids de la courbe de Bézier w0 = 0,45. La zone de travail 9 sera alors à une distance d de 38 μηι de l'embout et la résolution de gravure sera de 1 ~ 0,5 μπι.
Exemple 4
On réalise une station de travail 12 avec une diode laser puisée ou continue 4 dans le proche infrarouge ayant une puissance efficace P ~ lOOmW, λ ~ 1 μιη. Une fibre 5 en silice est utilisée, avec un diamètre de cœur Dc = 400 μπι et un embout 6 de longueur b=150μm. La forme extérieure de l'embout 6 est décrite par une courbe rationnelle de Bézier avec un poids w0=l,7. La zone de travail 9 est située à une distance d de 800 μπι de l'embout et la résolution de gravure est de 1 - 5-10 μπι.
Les données caractéristiques des cinq variantes (Exemples 1 à 4) exposées ci-dessus, ainsi que celles de deux variantes supplémentaires (non spécifiquement décrites), sont résumées dans le tableau suivant :
Figure imgf000015_0001
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1) Dispositif de traitement laser
comprenant, d'une part, une tête laser essentiellement constituée par un module d'injection apte et destiné à être alimenté par une source laser et par une fibre optique formée d'un cœur entouré d'au moins une gaine, reliée audit module d'injection et se terminant par un embout de concentration du faisceau et, d'autre part, un système de support d'une pièce, d'un article ou d'un matériau comportant au moins une zone à traiter par la tête laser, ou zone de travail,
l'embout de concentration et la pièce, l'article ou le matériau pouvant être positionnés et déplacés relativement l'un par rapport à l'autre de manière contrôlée,
dispositif (1) caractérisé
en ce que l'embout de concentration (6) est formé d'un seul tenant avec la fibre optique (5), du type à cœur plein, en tant que partie façonnée de la portion d'extrémité libre (5') de cette dernière, opposée à son extrémité connectée au module d'injection (3),
en ce que l'embout de concentration (6) présente une symétrie de révolution axiale et, vu en section selon un plan contenant l'axe médian ou de symétrie (AM) de la portion d'extrémité libre (5') de la fibre optique (5), une forme délimitée extérieurement par une courbe convexe (6') sensiblement semi-elliptique avec un premier demi-axe a, s'étendant perpendiculairement à l'axe médian, qui est tel que a = Dc/2 et un second demi-axe b, aligné avec l'axe médian (AM), qui est tel que Dc/4<b<2Dc/3, avec 1 000 >DC>40 λ, où Dc est le diamètre du cœur (10) de la fibre optique (5) et λ est la longueur d'onde du rayonnement laser injecté, et
en ce que la distance d entre la pointe (6") de l'embout de concentration (6) et la zone de travail (9) est telle que 5Dc>d>50 λ, la géométrie et le positionnement de l'embout (6) étant tels que la tête laser (2) génère un faisceau laser concentré et faiblement divergent (11) sous forme de jet photonique, avec un diamètre Dj au niveau de la zone de travail (9) de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde λ.
2) Dispositif de traitement laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme extérieure de l'embout de concentration (6) est décrite paramétriquement par une courbe de Bézier rationnelle Z(R)
R(t) (1 - t)2P0 + 2w0 (1 - t)tPy + t2P2
telle que
z(t) (ï - t)2 + 2w0 (ï - t)t + t2
où t varie de 0 à 1, où le poids de la courbe de Bézier w0 est tel que 0,4<w0≤0,75, avantageusement 0,4<w0≤0,5, préférentiellement w0 = 0,45, et où les points de contrôle P0, Pi et P2 sont:
et P,
3) Dispositif de traitement laser selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la fibre optique (5) est du type multimode, préférentiellement une fibre à double gaine optique (10'), entourée d'une gaine mécanique (10"), ou une fibre à gaine mécanique semi-transparente.
4) Dispositif de traitement laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fibre optique (5) présente une forme cylindrique, préférentiellement à section circulaire et une structure flexible autorisant un cintrage avec un rayon de courbure minimal jusqu'à au moins 20 mm, préférentiellement jusqu'à 10 mm.
5) Dispositif de traitement laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que 500 >DC>40 λ, préférentiellement 100 >DC>40 λ, et en ce que /2<Dj<5 λ.
6) Dispositif de traitement laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le second demi-axe (b) est tel que Dc/4<b<2Dc/3 et b≠ Dc/2.
7) Dispositif de traitement laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le second demi-axe (b) est tel que Dc/4<b< Dc/2.
8) Dispositif de traitement laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le second demi-axe (b) est tel que Dc/4<b<Dc/2.
9) Dispositif de traitement laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le second demi-axe (b) est tel que
Dc/2<b<2Dc/3.
10) Dispositif de traitement laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la fibre optique (5) présente un gradient d'indice optique entre le cœur (10) et la gaine (10') entourant ce dernier, l'indice variant d'une valeur élevée au centre de la fibre (5) à une valeur faible au niveau de la gaine (10').
11) Dispositif de traitement laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la fibre optique (5) présente, dans la direction de son axe longitudinal (AM), une structure composite comprenant, d'une part, une première portion (16) qui est constituée d'une fibre avec relativement peu de modes , préférentiellement monomode, un grand diamètre et une faible ouverture numérique, par exemple du type fibre optique à large diamètre modal ou fibre LMA, et, d'autre part, une seconde portion (16') qui est soudée à la première portion (16), présente un plus grand diamètre de cœur et comporte à son extrémité libre l'embout de concentration (6) façonnée d'un seul tenant et apte à générer le jet photonique (11).
12) Dispositif de traitement laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le module d'injection (3) comprend un moyen (3') de raccordement rapide de l'extrémité d'entrée (5") de la fibre optique (5), assurant une protection de la section d'entrée de cette dernière, et un moyen (3") de micro-positionnement tridimensionnel, apte et destiné à disposer ladite section d'entrée au point focal de l'optique de focalisation (3"') dudit module (3).
13) Station de travail pour l'usinage de pièces, d'articles ou de matériaux, en particulier pour le traitement de surface, la gravure, la taille, la découpe, le perçage ou le marquage, comprenant une source laser de puissance, à émission puisée ou continue, une unité de commande, reliée à des capteurs, à des actionneurs, à la source laser et éventuellement à une interface de pilotage et/ou de programmation, un dispositif de traitement laser accouplé à la source laser et contrôlé par l'unité de commande et une structure ou un châssis support,
station de travail (12) caractérisée en ce que le dispositif de traitement laser (1) correspond à un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, le positionnement et le déplacement relatifs entre l'embout de concentration (6) façonné sur la portion d'extrémité (5') de la fibre optique (5) et la pièce, l'article ou le matériau (8) à traiter étant contrôlés par l'unité de commande (13) par l'intermédiaire de capteurs et d'actionneurs correspondants équipant la tête laser (2) et/ou le système de support (7). 14) Station de travail selon la revendication 13, caractérisée en ce que le déplacement relatif, continu ou intermittent, entre la pièce, l'article ou le matériau (8), d'une part, et la tête laser (2) ou la fibre optique (5), d'autre part, est piloté par l'intermédiaire de l'unité de commande (13) en mettant en œuvre un asservissement garantissant un contrôle de la distance d entre l'embout de concentration (6) et la zone de travail (9), soit en conservant une valeur initialement réglée, soit en réalisant un ou des ajustement(s) de cette distance, au cours d'un tel déplacement relatif, correspondant à un cycle ou à une phase effective de traitement.
15) Station de travail selon la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce que la source laser (4) est une source laser de puissance, avec une puissance efficace supérieure à 100 mW, préférentiellement au moins de l'ordre du Watt ou de la dizaine de Watts.
16) Station de travail selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisée en ce qu'elle comprend un capteur (17) de mesure de la lumière rétro-réfléchie par la zone de travail (9) dans la fibre optique (5) à travers l'embout (6) et un coupleur monté au niveau de l'extrémité d'entrée (5") de la fibre optique (5) et apte à récupérer et à transmettre audit capteur (17) la lumière rétroréfléchie ayant transitée par ladite fibre (5) depuis l'embout (6), ces valeurs mesurées étant exploitées, préférentiellement en temps réel, par l'unité de commande (13) pour asservir la distance (d) entre l'embout (6) et la zone de travail (9).
17) Station de travail selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisée en ce qu'elle comprend un capteur de mesure (17) sous la forme d'une caméra avec un objectif macro qui observe la région de l'embout (6) et la zone de travail (9), éclairée par une ou plusieurs source(s) de lumière dédiée(s), les images fournies par ladite caméra (17) étant exploitées, préférentiellement en temps réel, par l'unité de commande (13) pour asservir la distance (d) entre l'embout (6) et la zone de travail (9).
18) Procédé de traitement d'un article, d'une pièce ou d'un matériau mettant en œuvre un dispositif de traitement laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, faisant préférentiellement partie d'une station de travail selon l'une quelconque des revendications 13 à 17, procédé caractérisé en ce qu'il consiste, préalablement à un cycle ou à une phase effective de traitement, à fixer une fibre optique (5) présentant un embout de concentration (6), façonné d'un seul tenant et apte et destiné à produire un jet photonique (11), sur la pièce, l'article ou le matériau 8 dans la zone de travail (9), à ajuster le positionnement relatif de la section d'entrée de la fibre (5) pour optimiser l'injection, à conformer éventuellement la fibre (5) en fonction de la forme de la pièce, de l'article ou du matériau (8) à traiter, de la localisation de la zone de travail (9), du trajet à parcourir pour effectuer le cycle de traitement ou de considérations géométriques et/ou topologiques analogues, à régler notamment la puissance de la source laser (4), la distance d optimale entre l'embout (6) et la pièce, l'article ou le matériau (8) et la vitesse de déplacement relatif, ce en fonction au moins de la nature de ladite pièce, dudit article ou dudit matériau (8) ou de sa surface et, enfin, à démarrer le traitement sous le contrôle de l'unité de commande (13), en suivant préférentiellement un trajet ou un cycle de traitement préprogrammé.
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