FR2663793A1

FR2663793A1 - Generateur de faisceau laser.

Info

Publication number: FR2663793A1
Application number: FR9007700A
Authority: FR
Inventors: Najnudel Jacques
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-06-20
Filing date: 1990-06-20
Publication date: 1991-12-27

Abstract

Générateur de faisceaux laser à puissance instantanément ajustable. Selon l'invention, l'élément actif (13) du générateur est associé à un système optique comprenant un miroir sphérique (16) et une lentille (17) et cette dernière est mobile pour compenser la perturbation d'origine thermique introduite dans le système optique par l'élément actif (13).

Description

GENERATEUR DE FAISCEAU LASER
L'invention se rapporte à un générateur de faisceau laser et concerne plus particulièrement un agencement permettant d'éliminer les inconvénients de fonctionnement résultant de l'échauffement progressif de l'élément actif. L'invention permet notamment de faire varier très rapidement la puissance d'émission d'un tel générateur.

Un générateur de faisceau laser se compose, dans de nombreux cas, d'une enveloppe ou cavité renfermant : une source lumineuse d'excitation, un élément actif exposé au rayonnement de cette source (par exemple, un élément cristallin) et émettant en réponse un rayonnement laser, et un système optique pour diriger un faisceau laser à l'extérieur de la cavité, suivant un axe optique prédéterminé.

Il est très difficile de faire varier la puissance démission d'un tel dispositif parce que l'élément actif se comporte comme une lentille à focale variable au fur et à mesure qu'il s'échauffe par suite de son exposition au rayonnement de la source lumineuse d'excitation. En effet, l'élément actif ne peut être refroidi qu'extérieurement et le gradient de température qui se crée à l'intérieur de celui-ci, engendre une variation d'indice de réfraction entre le centre et la périphérie, d'où sa transformation en une sorte de lentille dont la puissance varie en fonction de l'énergie reçue. Ainsi, on peut considérer que cette lentille possède une distance focale variant en fonction du gradient de température et donc en fonction de l'énergie reçue par l'élément actif.Cette distance focale reste grande, évoluant par exemple entre l'infini optique, lorsque l'élément actif est froid et 400 à 500 millimètres, lorsqu'il a atteint une température de fonctionnement stable.

Cette "lentille" d'origine thermique introduit donc une perturbation dans le système optique, qui varie avec l'énergie reçue par l'élément actif.

Si le générateur de faisceau laser fonctionne à énergie constante, ladite perturbation se stabilise et il est possible d'en maitriser les effets au réglage. I1 est néanmoins nécessaire d'attendre qu'un équilibre thermique s'établisse dans l'élément actif avant de pouvoir exploiter efficacement le système. Cette "constante thermique" est très contraignante dans la pratique car elle implique un temps de mise en service relativement long.

Les générateurs de faisceau laser fonctionnant à énergie variable et ajustable sont d'un maniement difficile et se caractérisent par un mauvais rendement. En effet, le système optique présente une certaine tolérance par rapport à la perturbation représentée par la "lentille" thermique de l'élément actif et il est généralement admis que le rendement qu'on peut obtenir diminue si on veut disposer d'une plus grande plage de variation d'énergie. Inversement, pour un générateur laser de grand rendement, il est très difficile, voire impossible, d'obtenir une régulation de la puissance du laser en agissant sur la puissance d'alimentation de la source lumineuse d'excitation.Pour disposer d'un faisceau laser de puissance ajustable, on est donc souvent amené à utiliser des moyens d'atténuation placés en aval de la cavité, ces moyens sont des dispositifs onéreux et d'utilisation délicate.

L'invention propose en premier lieu un générateur de faisceau laser à puissance facilement et immédiatement ajustable, présentant un bon rendement et pouvant être mis en oeuvre sans qu'il soit nécessaire d'attendre une quelconque stabilisation thermique.

Dans cet esprit, l'invention concerne donc un générateur de faisceau laser du type comportant, dans une cavité, au moins une source lumineuse d'excitation disposée en regard d'un élément actif lui même intercalé entre deux miroirs d'un système optique, l'un de ces miroirs étant un miroir de sortie du type semi-réfléchissant susceptible d'être traversé par un faisceau laser, caractérisé en ce que ledit système optique comprend, de l'autre côté dudit miroir de sortie par rapport à l'élément actif, un miroir sphérique et une lentille et en ce que des moyens de déplacement commandés sont prévus pour déplacer ladite lentille etlou ledit miroir sphérique le long d'un axe prédéterminé.

En effet, l'ensemble du miroir sphérique et de la lentille peut être assimilé à un miroir plan si on maintient la lentille à une distance convenable du miroir et la condition nécessaire au bon fonctionnement est que le faisceau soit renvoyé sur lui-même, grâce à ce miroir plan fictif.

De préférence, les moyens de déplacement commandés précités sont agencés en une boucle de régulation ou d'asservissement de position dont le signal d'erreur est représentatif de la perturbation optique d'origine thermique introduite dans le système optique par ledit élément actif. Différents moyens de régulation ou d'asservissement susceptibles de donner satisfaction seront décrits plus loin.

L'agencement décrit jusqu'à présent est suffisant dès lors que la perturbation thermique appliquée à l'élément actif présente une certaine symétrie par rapport à l'axe optique défini ci-dessus. Tel est notamment le cas, lorsque la source d'excitation "entoure" l'élément actif, en étant par exemple divisée en au moins deux lampes disposées symétriquement par rapport à l'axe optique, de part et d'autre de l'élément actif. Dans ce cas, en effet, on peut considérer que la perturbation ne se traduit que par une variation de distance focale. Ceci n'est valable que si les deux lampes fournissent à tout moment la même énergie. Cependant, au cours de la durée de vie du générateur, il apparait un déséquilibre de fonctionnement de plus en plus prononcé entre ces lampes.Ceci se traduit par une déviation du faisceau vis à vis de l'axe optique en question. Ce phénomène est présent dès l'origine si la source d'excitation ne présente pas, par construction, de symétrie par rapport à l'axe optique. C'est notamment le cas lorsque la source d'excitation lumineuse ne comporte qu'une seule lampe, ce qui est par ailleurs souhaitable tant pour des raisons de simplicité de construction que pour éviter tout problème de déséquilibre ou dé réglage progressif, au fur et à mesure du vieillissement.

L'invention permet aussi de résoudre ce problème supplémentaire, avec une grande simplicité de moyens. Dans cet esprit, l'invention concerne donc aussi un générateur de faisceau laser selon la définition qui précède, du type dans lequel ladite source lumineuse d'excitation présente une dissymétrie par rapport audit axe optique, caractérisé en ce que, ladite boucle d'asservissement de position étant affectée au déplacement de ladite lentille, cette dernière est inclinée d'un angle prédéterminé par rapport au dit axe optique et en ce que les moyens de déplacement de ladite lentille sont agencés pour la déplacer suivant son axe.

En effet, dans le contexte défini ci-dessus, la condition nécessaire au bon fonctionnement est que le faisceau soit encore renvoyé sur lui-même après réflexion sur le miroir sphérique. On a trouvé qu'une simple inclinaison prédéterminée de la lentille était suffisante pour obtenir le résultat en toute circonstance car, dans ces conditions, le déplacement de la lentille inclinée, compense la déviation du faisceau par l'élément actif aussi bien que l'effet de lentille décrit ci-dessus, provoqué par ce même élément actif.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaitront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre de plusieurs générateurs de faisceau laser conformes à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels :
- la figure 1 est un schéma de générateur de faisceau laser conforme à l'invention
- la figure 2 est un schéma électrique illustrant une partie d'un mode de réalisation possible de la boucle d'asservissement de position de la lentille
- la figure 3 est un autre schéma illustrant un autre mode de réalisation possible de la boucle d'asservissement de position de la lentille
- la figure 4 est un schéma analogue à la figure 1, illustrant un autre générateur de faisceau laser.

Le générateur de faisceau laser illustré à la figure 1 comporte une cavité 11 qui renferme principalement un élément actif 13, ici à cristal, deux sources lumineuses d'excitation 14a, 14b, disposées de part et d'autre de l'élément actif, un miroir de sortie 15 plan, du type semi-réfléchissant, un miroir sphérique 16, et une lentille 17.

Les miroirs 15 et 16 et la lentille 17 font partie d'un système optique (associé à l'élément actif 13) pour lequel on peut définir un axe optique 20 suivant lequel le faisceau laser de sortie est émis. Cet axe optique passe par le centre O du miroir sphérique 16 et par celui de la lentille 17. Un orifice 22 est ménagé dans la paroi de la cavité 11, il est centré sur l'axe optique 20, pour permettre la sortie du faisceau laser. Le miroir sphérique 16 et la lentille 17 du système optique sont spécifiques de l'invention ainsi que des moyens de déplacements commandés 25, pour déplacer la lentille 17 le long de l'axe optique 20. Comme mentionné précédemment, on pourrait aussi jouer sur la position du miroir, voire sur la position du miroir et de la lentille.

Dans l'exemple représenté, la lentille 17 est montée sur un coulisseau 26 mobile sur un support et susceptible de se déplacer suivant une direction parallèle à l'axe 20, sous l'action d'un moteur 28 ou moyen d'actionnement analogue. Un capteur de position 30, ici solidaire du coulisseau 26 fournit un signal électrique fl représentatif de la position de la lentille sur l'axe optique.

Les moyens de déplacement commandés 25 forment une boucle d'asservissement de position de la lentille 17 et le signal d'erreur e de cette boucle est représentatif d'une perturbation optique d'origine thermique introduite dans le système optique par l'élément actif 13 lorsque ce dernier est soumis au rayonnement des sources lumineuses 14a, 14b. Dans l'exemple de la figure 1, qui n'est nullement limitatif, cette boucle d'asservissement comporte un comparateur différentiel 32 recevant sur ses deux entrées respectives les signaux électriques fl et e et dont la sortie est connectée à un amplificateur - correcteur 34 pilotant le moteur 28. Par ailleurs, le signal d'erreur e est ici élaboré par un circuit électrique de simulation 36, lequel simule le comportement thermique de l'élément actif 13.Un tel circuit de simulation est décrit à la figure 2 et son signal de sortie est exploité en tant que signal d'erreur e dans la boucle d'asservissement. L'entrée E du circuit de simulation 36 est pilotée par une unité de commande 38 agencée pour faire varier, au gré de l'utilisateur, la puissance d'alimentation des deux sources lumineuses d'excitation 14a, 14b.

Comme le montre la figure 2, le circuit de simulation 36 peut être constitué par un générateur de courant 40, variable en fonction du signal appliqué à l'entrée E par l'unité de commande 38 et relié à un branchement en parallèle d'un condensateur 41 et d'une résistance 42. Le condensateur représente la capacité thermique de l'élément actif 13 tandis que la résistance 42 représente sa conductibilité thermique. La tension aux bornes de ces deux composants constitue le signal d'erreur e. Le fonctionnement est le suivant.

Soit F le point de convergence du système optique. L'existence et la position de F sur l'axe optique 20, généralement au-delà du miroir de sortie, caractérise un mode de fonctionnement stable du générateur de faisceau laser. La "focale thermique de l'élément actif 13, induite par son échauffement est généralement assez grande, par exemple de l'ordre de 400 millimètres lorsque ledit élément actif est chaud. Par construction, on choisit le rayon de courbure du miroir 16, la focale de la lentille 17 et la distance entre celle-ci et le centre de l'élément actif, relativement faibles (par exemple, respectivement 50 mm, 50 mm et 100 mm) par rapport à ladite focale thermique. Les distances entre ces éléments sont déterminées pour que l'image du point F à travers l'élément actif 13 et la lentille 17 se forme en O centre du miroir sphérique 16.Dans ces conditions, l'ensemble du miroir 16 et de la lentille 17 se comporte comme un miroir plan et le faisceau laser peut se former sur l'axe optique 20. Lorsque la "focale thermique" de l'élément actif 13 varie sous l'effet de l'échauffement, la boucle d'asservissement 25 modifie la position de la lentille 17 (en diminuant la distance d entre le miroir sphérique et la lentille) pour ramener l'image du point F au centre O du miroir sphérique.

La figure 3 illustre un autre type d'asservissement de position. Sur ce schéma, les éléments analogues à ceux de la figure 1 portent les mêmes références numériques et ne seront pas décrits à nouveau. Cependant, le miroir sphérique 16 est semi-réfléchissant et une source lumineuse auxiliaire 50, qui peut être un laser de faible puissance, est placée sur l'axe optique 20 et dirigée vers un capteur d'intensité lumineuse 52 également placé sur l'axe optique. La source lumineuse 50 et le capteur 52 sont situés de part et d'autre de l'ensemble constitué par le miroir sphérique 16, la lentille 17 et l'élément actif 13. La boucle d'asservissement de position comprend un circuit de correction à action différentielle 54 agencé entre le capteur 52 et le moteur 28 commandant le déplacement de la lentille 17.Cette boucle d'asservissement est donc agencée pour piloter les moyens de déplacement de la lentille de façon à maintenir le signal délivré par le capteur 52 à un extremum représentatif du bon positionnement de la lentille 17, compte tenu de la perturbation introduite dans le système optique par l'élément actif 13. Le faisceau utile du générateur laser est dévié de 900 par un miroir semi-réfléchissant 55 placé entre l'élément actif et le capteur 52. La source lumineuse 50 émet dans une bande chromatique différente de celle du rayonnement laser et le capteur 52 est équipé d'un filtre sélecteur correspondant.

Un autre mode de réalisation possible de la boucle d'asservissement consiste à utiliser un moyen de mesure de la puissance de sortie du faisceau laser, la boucle d'asservissement est alors agencée pour maintenir cette puissance de sortie à un maximum pour toute puissance d'alimentation quelconque stabilisée (choisie par l'utilisateur) de la source lumineuse d'excitation. En vautres termes, l'asservissement de position de la lentille évolue pour optimiser le rendement du générateur de faisceau laser.

Le générateur de faisceau laser schématisé à la figure 4 peut fonctionner avec une boucle d'asservissement de position de la lentille conforme, entre autres, à l'une de celles qui viennent d'être décrites.

Cette boucle n'a donc pas été représentée. Les éléments analogues à ceux de la figure 1 portent les mêmes références numériques et ne seront pas décrits à nouveau. Ce générateur se distingue de celui de la figure 1 par le fait que la source lumineuse d'excitation présente une dissymétrie par rapport à l'axe optique 20. Autrement dit, il n'y a qu'une seule source lumineuse 14 placée sur un côté de l'élément actif 13. Dans ces conditions, l'élément actif, en s'échauffant, se comporte toujours comme une lentille à focale variable en fonction de la température, mais en outre il dévie le faisceau de l'axe optique 20.

Pour remédier à cette double perturbation introduite par l'élément actif 13, la lentille est inclinée d > un angle prédéterminé par rapport à l'axe optique. Plus précisément, en considérant la figure 4, l'axe optique 45 de la lentille est incliné d'un angle a par rapport à l'axe optique 20 défini ci-dessus et les moyens de déplacement de la lentille (non représentés) sont agencés pour la déplacer, suivant la direction de son axe 45.

La position de la lentille 17 nà froid" est choisie pour que le rayon venant de l'élément actif 13 passe en son centre. C'est la position illustrée par la lentille 17 représentée en trait interrompu. Le rayon n'est donc pas dévié et passe par le centre O du miroir sphérique 16.

En revanche, lorsque la température de l'élément actif 13 s'élève, il se produit une déviation du faisceau d'un angle faible b par rapport à l'axe optique 20, ce qui constitue une perturbation supplémentaire du système optique, due à la dissymétrie de la source lumineuse d'excitation.

Dans ce cas, la condition nécessaire au bon fonctionnement est que le faisceau soit encore renvoyé sur lui-même après réflexion sur le miroir 16, comme cela est illustré à la figure 4.

Selon une caractérisque importante de l'invention, on a trouvé qu'il était possible de déterminer une valeur de l'angle a telle que le déplacement asservi de la lentille le long de l'axe 45, compense à la fois les deux perturbations introduites par l'élément actif 13, à savoir, la focale variable d'origine thermique et la déviation du faisceau. La détermination de l'angle a peut se faire de la façon suivante
- soient : - f la distance focale de la lentille 17
- A d : la valeur maximum du déplacement de la lentille 17 dans le cadre de la correction de focale décrite en référence à la figure 1. I1 s'agit donc de la valeur du déplacement correspondant à la température maximum que peut atteindre l'élément actif 13 en fonctionnement.

A partir de ces deux données, on peut, dans une phase de réglage, mesurer la valeur de l'angle bmax de déviation de faisceau qui est donc l'angle à corriger pour la température maximum de l'élément actif.

Les deux perturbations seront corrigées simultanément avec une précision suffisante si on choisit l'angle a tel que
a = bmax x f
Ad
L'angle d'inclinaison a de l'axe 45 par rapport à l'axe optique 20 étant ainsi déterminé, l'équipage mobile (non représenté sur la figue 4) qui règle le déplacement de la lentille 17 est orienté pour que ce déplacement s'opère suivant la direction de cet axe et une boucle d'asservissement de position conforme à l'une de celles qui ont été décrites plus haut, est mise en oeuvre pour assurer le déplacement de la lentille.

Claims

REVENDICATIONS

1. Générateur de faisceau laser du type comportant, dans une cavité (11), au moins une source lumineuse d'excitation disposée en regard d'un élément actif (13) lui- même intercalé entre deux miroirs d'un système optique, l'un de ces miroirs (15) étant un miroir de sortie du type semi-réfléchissant susceptible d'être traversé par un faisceau laser, caractérisé en ce que ledit système optique comprend, de l'autre côté dudit miroir de sortie par rapport à l'élément actif, un miroir sphérique (16) et une lentille (17) et en ce que des moyens de déplacement commandés (25) sont prévus pour déplacer ladite lentille etlou ledit miroir sphérique le long d'un axe prédéterminé (20, 45).

2. Générateur de faisceau laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de déplacement commandés forment une boucle d'asservissement de position dont le signal d'erreur est représentatif d'une perturbation optique d'origine thermique introduite dans ledit système optique par ledit élément actif (13).

3. Générateur de faisceau laser selon la revendication 2, du type dans lequel ladite source lumineuse d'excitation présente une dissymétrie par rapport audit axe optique caractérisé en ce que, ladite boucle d'asservissement étant affectée au déplacement de ladite lentille, celle-ci est inclinée d'un angle prédéterminé a par rapport audit axe optique et en ce que les moyens de déplacement de ladite lentille sont agencés pour la déplacer suivant son axe.

4. Générateur de faisceau laser selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite boucle d'asservissement de position comprend un circuit électrique (36) de simulation du comportement thermique dudit élément actif et en ce que le signal de sortie de ce circuit de simulation est exploité en tant que signal d'erreur précité.

5. Générateur de faisceau laser selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que, ladite boucle d'asservissement de position comprend une source lumineuse auxiliaire (50) et un capteur d'intensité lumineuse (52) placés sur ledit axe optique de part et d'autre de l'ensemble constitué par ledit miroir sphérique (16), ladite lentille (17) et ledit élément actif (13) et en ce que ladite boucle d'asservissement de position est agencée pour piloter lesdits moyens de déplacement de façon à maintenir le signal délivré par ledit capteur à un extremum.

6. Générateur de faisceau laser selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite boucle d'asservissement de position comporte un moyen de mesure de la puissance de sortie dudit faisceau laser émis et en ce qu'elle est agencée pour maintenir cette puissance de sortie à un maximum pour une puissance d'alimentation quelconque stabilisée de ladite source lumineuse d'excitation.