Le domaine de l'invention est celui des dispositifs de focalisation d'un faisceau laser continu ou puisé, également désignés : « têtes de focalisation ». 5 Ces dispositifs sont utilisés dans tous les secteurs d'activités : industriel, médical, agroalimentaire, etc .. et concernent toutes les applications de traitement par laser, parmi lesquelles on peut citer :

- le perçage (percussion, trépanation),

- le soudage,

0 - la découpe,

- le rechargement,

- le frittage,

- le choc laser (mise sous contraintes des surfaces, endommagement des matériaux, test d'adhérence, etc.),

5 - le traitement de surface (décapage, refusion, etc .),

- la gravure en surface et dans la matière,

- etc ..

Dans le domaine de l'industrie aéronautique, le laser intervient0 notamment pour le perçage des systèmes de refroidissement des moteurs. Les moteurs d'avions ou d'hélicoptères doivent supporter des températures de plus en plus élevées pouvant atteindre la température de fusion des alliages utilisés. Pour refroidir les composants de ces moteurs on perce des trous à travers lesquels circule un flux d'air froid isolant. Pour les plus grandes pièces comme5 les chambres à combustion, le nombre de perçages peut atteindre plusieurs dizaines de milliers. Ces composants de moteur à forte valeur ajoutée sont généralement constitués de matériaux à géométrie complexe revêtue ou non d'une barrière thermique. Les perçages laser sont réalisés avec précision dans la position et avec une orientation variant de 15 à 90 degrés par rapport à la0 surface, et une morphologie (ou forme) spécifique (« Shape Hole >>) de diamètre généralement variable en fonction de la profondeur. La maîtrise de ces perçages est l'une des clés de la performance et de la durée de vie de ces moteurs.

Pour réaliser ces trous, on focalise un laser impulsionnel avec des5 durées d'impulsions de l'ordre de 1 ms, à des cadences pouvant atteindre jusqu'à 100 Hz. Pour respecter la morphologie requise pour le trou, il est nécessaire d'adapter les paramètres spatiaux du faisceau laser focalisé en fonction de la nature des matériaux à percer et de leur épaisseur. Il s'agit donc d'adapter le diamètre de la tache focale en fonction de la profondeur du trou pendant le perçage.

On rappelle que :

-la focale (F) d'une lentille désigne la distance qui sépare le plan de la lentille assimilée à une lentille mince, du plan de plus petit diamètre du faisceau où sont focalisés les rayons lumineux sur son axe optique,

-le diamètre du faisceau au point de focalisation d'une lentille, désigné par le diamètre de la tache focale (Φ) est proportionnel à la focale (F) de la lentille utilisée et inversement proportionnel au diamètre du faisceau incident sur cette lentille,

-la distance de travail (D) est la distance qui sépare la lentille de focalisation de la pièce : en pratique la distance de travail ne correspond pas forcément à la focale de la lentille,

-le terme « fonctionnement >> se rapporte à l'irradiation laser continue ou impulsionnelle d'une ou plusieurs impulsions quelques soient leur nombre, leurs énergies, leurs durées et leurs profils temporels.

Pour assurer ces fonctions on utilise actuellement :

- une tête de focalisation à focale fixe F, déplacée en cours du procédé de perçage, et commandée par l'axe propre à la machine de perçage sur lequel cette tête est installée, ce qui permet de faire varier la distance de travail D entre la tête de focalisation et la surface de la pièce,

- et un télescope numérique en sortie de cavité laser, situé en amont de la tête de focalisation et réglé en dehors du procédé de perçage, qui permet de faire varier le diamètre du faisceau laser sur la lentille de focalisation et donc le diamètre de la tache focale (Φ).

Aucun de ces équipements ne permet de faire varier le diamètre de la tache focale (Φ) au cours du procédé de perçage : en particulier il faut interrompre le fonctionnement du procédé de perçage pour remplacer manuellement la lentille de focalisation, ce qui est fastidieux, et chronophage pour l'ensemble des applications laser précédemment citées. Il en est de même pour le réglage du télescope en sortie de cavité laser.

Il demeure donc à ce jour un besoin pour un dispositif de focalisation d'un faisceau laser donnant satisfaction en termes d'adaptation du diamètre de la tache focale du faisceau laser en fonction de la profondeur et en cours de fonctionnement du procédé.

L'invention est basée sur le principe qui consiste à faire varier en cours de fonctionnement du procédé, les paramètres de focalisation d'un faisceau laser, de manière à contrôler le diamètre (Φ) de la tache focale en fonction de la profondeur suivant la trajectoire du faisceau.

L'invention a pour objet un dispositif de focalisation d'un faisceau laser dans un plan de focalisation en une tache focale de diamètre Φ, qui comprend sur son trajet optique :

- un premier groupe d'au moins trois lentilles, de type télescope et

- un premier équipement de motorisation apte à translater sur le trajet optique au moins deux lentilles du premier groupe pour faire varier le grossissement du faisceau laser en sortie de ce premier groupe.

Il est principalement caractérisé en ce qu'il comporte :

- un deuxième groupe de focale variable comportant au moins deux lentilles distantes entre elles,

- un deuxième équipement de motorisation apte à translater sur le trajet optique au moins une lentille du deuxième groupe de manière à faire varier la focale de ce deuxième groupe,

- une commande électronique de chaque équipement de motorisation et de synchronisation, reliée à une interface logicielle de pilotage de la commande électronique de manière à faire varier le diamètre du faisceau laser en sortie du premier groupe et/ou la distance du plan de focalisation.

On obtient ainsi un dispositif qui permet d'adapter le diamètre de la tache focale et/ou la distance du plan de focalisation, en modifiant la focale du deuxième groupe. Modifier la distance du plan de focalisation, permet aussi d'adapter la distance de travail par rapport à la pièce. Et ceci est obtenu sans translater le dispositif lui-même comme c'est le cas pour les dispositifs de l'état de l'art antérieur avec les axes de la machine.

Selon une caractéristique de l'invention, le deuxième équipement de motorisation comprend des moyens pour translater toutes les lentilles du deuxième groupe solidairement.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comprend un système de visualisation équipé d'une unité de traitement des images acquises, couplée à l'interface logicielle de pilotage de la commande électronique pour adapter le diamètre du faisceau laser en sortie du premier groupe et/ou la distance du plan de focalisation et/ou la focale du deuxième groupe en fonction des images traitées.

Le pilotage de l'interface logicielle peut être automatique ou semi- automatique ou manuel.

On obtient ainsi un dispositif de focalisation automatique et adaptatif qui répond bien au besoin de régler, adapter et asservir les paramètres d'un faisceau laser focalisé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- les figures 1 représentent schématiquement un exemple de dispositif de focalisation numérique et adaptatif selon l'invention, avec un groupe de focalisation à focale variable comportant deux lentilles dont une motorisée, la figure 1 a représentant un exemple de configuration des éléments optiques assurant le grossissement et la focalisation, la figure 1 b, le dispositif équipé de sa commande électronique, de son interface logicielle, et d'un système de visualisation,

- les figures 2 représentent schématiquement un exemple de dispositif de focalisation numérique et adaptatif selon l'invention, avec un groupe de focalisation à focale variable et/ou à distance de travail variable comportant deux lentilles motorisées, la figure 2a représentant un exemple de configuration des éléments optiques assurant le grossissement et la focalisation, la figure 2b, le dispositif équipé de sa commande électronique, de son interface logicielle, et d'un système de visualisation, la figure 2c étant une variante de la figure 2b avec une trajectoire de faisceau laser repliée.

D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références.

On décrit en relation avec les figures 1 à 2 un exemple de dispositif adaptatif de focalisation d'un faisceau laser entrant 1 selon l'invention. Il comporte :

- sur le trajet optique, un premier groupe de lentilles 10 avec au moins trois lentilles, ce groupe de type télescope assurant une fonction de grossissement du faisceau laser entrant 1 ; trois lentilles sont montrées sur la figure 1 , une lentille L1 1 divergente, une lentille L12 convergente et une lentille L13 divergente ;

- associé à ce premier groupe « télescope » 10, un premier équipement de motorisation apte à translater sur l'axe optique au moins deux lentilles de ce premier groupe de manière à faire varier en sortie de ce premier groupe le grossissement du faisceau et donc le diamètre Φ de la tache focale en sortie du dispositif. Dans l'exemple des figures, il comprend un premier élément 120 de motorisation de la lentille L12, et un deuxième élément 130 de motorisation de la lentille L13, la lentille L1 1 étant fixe ; ces éléments de motorisation sont typiquement des micromoteurs associés à des vis de transmissions à billes 140 et à des micro éléments de guidage tels que des rails 150, pour obtenir une translation précise des lentilles selon un pas de 1 ,25 μιη par exemple ;

- sur le trajet optique, un deuxième groupe de lentilles 20 avec au moins deux lentilles L21 , L22 distantes entre elles (comme on peut le voir sur les figures), ce deuxième groupe assurant une fonction de focalisation du faisceau laser grossi 1 , à une distance focale F. Selon un exemple de réalisation montré figures 1 , ce deuxième groupe de lentilles 20 à focale (F) variable comporte une lentille convergente L21 et une lentille divergente L22, de préférence protégées de la pollution par une fenêtre 23 ;

- associé à ce deuxième groupe de focalisation 20, un deuxième équipement de motorisation 210, apte à translater sur le trajet optique indépendamment du dispositif, au moins une lentille de ce deuxième groupe de manière à faire varier la focale (F) de ce deuxième groupe, selon éventuellement une amplitude importante (de 50 mm à 300 mm par exemple comme on le verra dans un exemple plus loin), permettant ainsi de couvrir avec un seul dispositif l'ensemble des procédés laser : de la découpe laser avec des focales courtes de 50m à 75mm, en passant par le micro soudage avec des focales autour de 150mm, le soudage par points ou par cordon et le perçage aéronautique avec des focales autour de 200mm jusqu'au raboutage de tôle avec des focales autour des 300mm.

Dans l'exemple de la figure 1 a, il comprend un seul élément de motorisation 210 celui de la lentille L21 (du même type que les précédents), la lentille L22 étant fixe. Dans ce cas le déplacement de la lentille L21 permet de faire varier la focale (F) résultant de l'association des deux lentilles L21 et L22 de ce deuxième groupe. Selon une variante représentée figures 2, ce deuxième équipement de motorisation comprend deux éléments de motorisation 210, 220, celui de la lentille L21 et celui de la lentille L22, du même type que les précédents.

Ce deuxième équipement de motorisation est bien sûr relié à une commande électronique 40 décrite plus loin. Lorsque toutes les lentilles du deuxième groupe 20 sont motorisées, il est aussi possible de faire varier :

o la focale (F) du deuxième groupe (et donc la distance du plan de focalisation et la distance de travail) comme décrit ci-dessus ou

o la distance du plan de focalisation et donc la distance de travail (D), sans faire varier la focale (F), en translatant solidairement l'ensemble des lentilles de ce deuxième groupe 20.

Les commandes électroniques de chaque motorisation sont indépendantes les unes des autres. Elles sont avantageusement regroupées dans un élément 40 comme représenté sur les figures.

- une commande électronique 40 de l'équipement de motorisation (ou des équipements de motorisation comme mentionné ci-dessus), c'est-à-dire une commande des translations des lentilles mobiles des deux groupes de lentilles, soit au moins les lentilles L12, L13 ; cette commande assure également une fonction de synchronisation pour les prises d'images lorsque le dispositif est équipé d'un système de visualisation, comme on le verra plus loin, ainsi qu'une fonction de synchronisation des translations en relation avec les impulsions du laser. En effet lorsque la fréquence des impulsons n'est pas trop élevée (<10Hz), on peut prendre une image du trou percé après chaque impulsion laser, en mesurer le diamètre et translater les lentilles mobiles par rapport aux lentilles fixes de façon à adapter les paramètres de focalisations en cours de procédé;

- reliée à cette commande électronique, une interface logicielle 50 de programmation de l'ensemble des paramètres réglables. Elle assure le pilotage de la commande électronique en fonction du diamètre désiré Φ pour la tache focale (qui est lié au diamètre en sortie du premier groupe « télescope >>) et éventuellement en fonction de la distance de travail D et/ou de la distance du plan de focalisation désirées en sortie du dispositif. Selon les applications, les paramètres : diamètre (Φ), distance de travail (D) et distance du plan de focalisation en sortie du dispositif, peuvent être pilotés indépendamment l'un de l'autre ou au contraire être corrélés. Ce pilotage de la commande électronique peut être assuré automatiquement pendant le fonctionnement du dispositif selon une programmation préétablie dans l'interface logicielle.

Le dispositif de focalisation est avantageusement équipé d'un système de visualisation 30 comportant un dispositif d'imagerie numérique apte à former les images d'un plan d'observation qui peut être le plan focal du dispositif ou plus généralement être un plan situé à une distance prédéterminée.

Ce système de visualisation comporte typiquement une lame dichroïque 32 située sur le trajet optique entre le premier et le deuxième groupe de lentilles par exemple comme montré sur les figures, et un dispositif d'imagerie 31 apte à former les images réfléchies par la lame dichroïque. Ce dispositif d'imagerie peut lui-même être équipé d'une optique pour dimensionner le champ de vision à observer et peut également être équipé d'une motorisation pour effectuer un réglage de mise au point sur la netteté des images. Le dispositif d'imagerie 31 comprend également une unité de traitement des images acquises. Ce système de visualisation permet par exemple de déterminer les dimensions de l'impact de la tache laser et/ou du trou dans le plan d'observation, et/ou l'état de la surface du matériau, etc.. comme indiqué précédemment. Sur les figures, la tache focale est représentée par un point selon les conventions habituelles, mais dans la pratique il existe bien un diamètre effectif Φ de tache focale, située dans le plan de focalisation du dispositif. Pour faciliter l'observation, un dispositif d'éclairage 33 du plan d'observation peut être ajouté sous forme par exemple d'une couronne de diodes électroluminescentes centrées sur l'axe optique. L'unité de traitement d'images est reliée à l'interface logicielle 50 de manière à réaliser un asservissement des paramètres de focalisation précédemment cités en fonction des images obtenues. Cela permet en cours de fonctionnement du procédé de modifier automatiquement les paramètres de focalisation du faisceau laser en fonction des analyses des images numériques des phénomènes à observer.

Dans le cas des applications aéronautiques, la morphologie des perçages (dimensions du trou selon sa profondeur) peut être analysée à intervalles prédéterminés ou en continu. Dans le cas de l'utilisation d'un laser impulsionnel, la morphologie du perçage peut être analysée entre chaque impulsion ou pendant les impulsions de façon à ce que les paramètres de focalisation soient adaptés pour pouvoir rectifier la morphologie du trou en fonction par exemple des spécifications de l'utilisateur. Bien sûr, la cadence du dispositif d'imagerie est adaptée à celle du laser impulsionnel. On utilise par exemple une caméra dotée d'une cadence d'au moins 1 00 images/seconde.

La trajectoire du faisceau peut être repliée au sein du dispositif comme illustré figure 2c ; cela peut s'appliquer au cas précédemment décrit.

Quel que soit son mode de réalisation, ce dispositif permet de faire varier l'ensemble des paramètres de focalisation du faisceau laser, qu'il soit en propagation libre ou fibrée, de façon automatique en fonction de la programmation de l'interface logicielle.

De préférence, ce dispositif de focalisation ne comporte pour assurer ces fonctions optiques de grossissement et de focalisation que des composants dioptriques comme montré sur les figures, mais il pourrait comporter plus généralement des composants catadioptriques, tels que des miroirs par exemple. A titre de validation le dispositif précédemment décrit figure 1 a a été réalisé avec une focale réglable entre 75 et 300 mm, et un grossissement du diamètre de la tache focale d'un facteur 4.

Une maquette du dispositif selon l'invention a été réalisée avec un groupe de 2 lentilles L21 et L22 : L21 est la première lentille mobile par rapport à la deuxième lentille L22 dont la position est fixe. L21 est une lentille convergente de focale 100mm et L22 est une lentille divergente de focale -100mm. En déplaçant L21 par rapport à L22 on fait varier sur une amplitude importante la focale résultante de ce groupe de 2 lentilles ; les résultats sont affichés dans le tableau ci-après :