Brevet FR2011435A1 — publié le 19700227

L'invention concerne le laser ionique à krypton, de façon plus précise l'invention concerne une méthode qui y prévient l'instabilité dans la décharge aux courants intenses st y assure Tin fonctionnement stable. 5 Dans l'état actuel de la technique, il est "bien connu d'employer des lasers à gaz rares tels que néon, argon, krypton, etc0.. pour produire dans le spectre visible ou dans l'ultraviolet une oscillation entretenue, ce qui permet d'obtenir une puissance de sortie relativement "élevée, iO Toutefois, lorsque lesdits lasers oscillent à une fréquence correspondant à une raie du spectre ionique desdits gaz rares, à la crête de l'oscillation correspond un niveau d'énergie considérablement élevé. Pour exciter les gaz ionisés jusqu'à un aussi haut niveau d'énergie il faut atteindre une haute densité de 15 courant à la décharge, avec des courants de plusieurs ampères .par millimètre carré, dans un tube mince et fin ayant un diamètre intérieur réduit, de l'ordre de 3 à 5 sm» lia Demanderesse a constaté, dans le susdit cas, un phénomène d'instabilité du plasma qui survient lorsque la densité de 20 courant atteint les susdites valeurs, et à son apparition le courant de décharge s'interrompt périodiquement à fréquence élevée, de l'ordre du mégahertz ou davantage. Après environ une milliseconde de ce régime, le laser reprend son régime normal pendant deux ou trois secondes, puis rentre à nouveau dans un 25 autre régime instable. Pendant ces temps instables l'oscillation laser est pratiquement interrompue» Dans quelques cas la décharge est elle aussi interrompue, et ne se réamorce pas. Il en résulte que le laser qui présente une telle instabilité ne peut pas être employé pour fournir une oscillation laser 30 continue, et qu'il faut prendre des mesures pour prévenir cette instabilité. 251 conséquence l'invention a pour objet une nouvelle méthode pour faire'fonctionner les lasers à krypton, comportant des mesures prévenant la susdite instabilité, 35 L'invention concerne une nouvelle méthode pour obtenir 1soscillation continue et stable des lasers à krypton, aussi bien ceux à krypton pur que ceux à mélange principalement de -krypton et d'autres gaz rares, méthode selon laquelle la densité 69 20818 2 2011435 de courant d de la décharge dans la partie fine du tube à dé~ _p charge est prise plus haute que 5 A.sua , et la pression initiale de remplissage P dudit gaz est prise plus haute que 0,12.d en mm Hg. 5 L'invention et ses avantages seront décrits en se référant à la figure unique, donnée à titre d'exemple non limitatif. Cette figure est un graphe, avec en abscisses la densité d —2 du courant en A.mm , et en ordonnées la pression P du gaz en mm Hg et ses caractéristiques oritiques, donné pour espli-10 quer le principe de l'invention. Il résulte des travaux de la Demanderesse pour déterminer les causes de ladite instabilité, travaux où l'on a fait amplement varier les différents paramètres tels que la grandeur du tube à décharge, la nature et la pression du gaz actif, le 15 courant de décharge, l'intensité du champ magnétique externe appliqué au tube à décharge, etc..*, que l'instabilité a pour cause un effet d'auto-pincement du trajet de décharge, et qu'on peut stabiliser le courant de décharge en choisissant convenablement ces conditions. 20 De façon plus précise, l'effet d'auto-pincement résulte de l'action mutuelle entre le courant de décharge et son propre champ magnétique, les directions des forces ainsi crées étant telles que le courant de décharge est resserré,et la grandeur p des forces ou pression magnétique est B /8/T où B est l'inten-25 sité du champ magnétique. Par exemple, pour un courant de décharge de 4-0 A appliqué à un tube de diamètre intérieur 3 nim, la pression magnétique créée ainsi est d'environ 0,1 mm Hg« D'autre part, la pression du gaz enfermé dans le tube est normalement dans la gamme de 0,3 à 1 mm Hg» Sur cette pression globale du 30 gaz, la pression partielle des électrons, porteurs du courant de décharge, compte pour environ la moitié. On comprend ainsi qu'il j a possibilité suffisante d'obtenir le susdit effet d'auto-pincement dans le tube à décharge. Bien que le susdit raisonnement au sujet de l'effet de pin-35 cernent magnétique doive, strictement parlant, faire intervenir des paramètres divers tels que le degré d'ionisation du gaz, le déséquilibre thermique entre électrons et gaz, et l'état de la frontière près de la paroi du tube,cette explication a été bien COPY j 69 20818 3 20Î1435 vérifiée par les résultats des divers essais. Ainsi, pour autant que ces paramètres divers restent inchangés, le courant de décharge est maintenu stable lorsque le diamètre Intérieur du tube fin augmente. On attribue la cause de cette amélioration 5 de la stabilité au fait que la pression magnétique dans le tube est ainsi réduite. En ce qui concerne la dégradation de la stabilité en abaissant la pression du gaz et augmentant le courant de décharge, les résultats expérimentaux concordent avec les prévisions théoriques. De plus, la possibilité d'une instabili-10 té augmente en appliquant un champ magnétique dirigé selon l'axe longitudinal du tube à décharge, on considère que la cause en est une variation d'état du plasma dans le tube. Gomme rendu apparent par la description ci-dessus, on peut prévenir l'instabilité des lasers ioniques en choisissant con-15 venablement les conditions de fonctionnement. L'instabilité survient plus significativement dans les lasers à gaz plus lourds. De telles difficultés pratiques se produisent notamment avec ces gaz de plus grand poids atomique, en particulier avec le laser ionique à krypton qui a une grande importance en tant 20 que source de faisceau laser rouge. En conséquence les dispositions pour prévenir cette instabilité seront décrites à propos du laser à krypton. Dans les expériences, les tubes à décharge étaient en oxyde de béryllium, diamètre intérieur 2 à. ^ vm., longueur 350 25 à 450 mm, et munis à un bout d'une anode et à l'autre bout d'une cathode. Entre ces électrodes passait un courant de décharge d'au plus 80A. Sur la courbe caractéristique de la figure unique sont indiquées les pressions critiques du gaz, auxquelles survient 30 l'instabilité de la déchargée II est clair, d'après cette courbe caractéristique, que, lorsque le champ magnétique extérieur appliqué au tube à décharge est de valeur constante, la courbe est sensiblement rectiligne. Lorsque le champ magnétique extérieur est relativement faible, par exemple environ 100 gauss ou 35 moins, la ligne rectiligne est représentée par l'équation empirique : P = 0,12 d où P est la pression du gaz en mm de Hg et d est la densité du 69 20818 4 2011435 —2 courant de décharge en A.mm • Lorsque le tube à décharge fonctionne dans la partie haute de la ligne, le courant de décharge est stable, mais dans la partie basse de la ligne il est instable. Lorsque le champ 5 magnétique est appliqué, la pression critique pour une même densité de courant augmente. .Par exemple, pour une densité de —2 courant de 7 A.mm , lorsqu'on applique un champ magnétique d'environ 600 gauss selon l'axe longitudinal du tube à décharge, la pression critique est multipliée par 1,6, et ce facteur 10 multiplicatif ne change pas beaucoup avec la densité du courant de décharge. On a en outre remarqué que l'application du champ magnétique selon l'axe longitudinal du tube à décharge augmente réellement le rendement du laser, la valeur optimale se situant dans une gamme d'environ 600 à 1200 gauss. 15 la pression de gaz donnée par l'équation ci-dessus est la limite inférieure maintenant stable la décharge, et, lorsqu'on applique un champ extérieur, il est recommandé de commencer la décharge avec une pression plus forte que celle indiquée ci-dessus . 20 La présente invention montre son efficacité à propos d'un laser ionique à krypton de grande puissance, pour lequel l'instabilité dûè à l'effet de pincement devient une grave difficul- —2 té, la densité du courant de décharge dépassant 5 A.mm . Pour une densité inférieure l'instabilité s'établit progressivement 25 et le tube à décharge peut fonctionner temporairement de manière stable. Comme le montre la précédente description, la présente invention est basée sur des études théoriques et expérimentales de la vraie nature du phénomène d'instabilité dans le laser io-30 nique, avec pour résultat un dispositif prévenant cette instabilité . On décrira maintenant divers exemples fonctionnels de lasers à krypton constituant des applications préférées de l'invention. Dans la description ci-après, la puissance de sortie 35 du laser est la somme des puissances pour deux raies spectrales o du rouge (longueurs d'onde 6471 et 6764 jtogstroms) qui sont bien connues comme importantes sources lumineuses dans la technique d'emploi du laser. 69 20818 5 2011435 WX KMPT.TC 1 Tube à décharge : tube, en oxyde de béryllium., diamètre intérieur 3 mm» diamètre extérieur 10 mm, longueur 430 h, avec réfrigé-5 rant à eau. Pression de gaz : 1,6 mm Hg (pression initial® de remplissage). Courant de décharge s 50 i Tension de décharge s 270 V 10 Champ magnétique : 200 gauss Couplage du résonateur optique : 2 % Puissance de sortie : 2,5 W •mnafPT.-R 2 Tube à décharge : tube, en oxyde de béryllitaag diamètre 15 intérieur 4 mm, diamètre extérieur 8mm, longueur 400 ffim9 avec réfrigérant à eau. Pression de gaz : 1,0 ra Hg (pression initiale de remplissage) . 20 Courant de décharge : 55 A Tension de décharge : 160 V Champ magnétique : 600 gauss Couplage du résonateur optique : 1 % Puissance de sortie : 2,2 V. 25 On n'avait jusqu'à présent pas réalisé de las@3? ionique à krypton d'une puissance de sortie de deux Watts ou datraatage dans le rouge : un tel laser a été réalisé avec 1© tiïb© à décharge stable selon la présente invention» La stabilité de la décharge telle qu'elle a été examinée 30 ci-dessus peut être réalisée avec du courant alternatif basse fréquence ou avec du courant continu. CfcL peut supprimer l'instabilité, tout en employant dans le tube à décharge un mélange gazeux de krypton et dBautres gaz rares tels que l'argon, le néon, l'hélium, etc•.* Se oourant de 35 décharge peut ,être alors stabilisé si la pression totale des gaz composants est en dedans de la gamme ci-dessus décrite pour le . onctionaement stabilisé• jte. présente description a défini un domain© opérationnel pour le point de fonctionnement du tube à décharge en régime BAD ORIGINAL 69 20818 6 2011435 stable selon la présente invention. Cependant, d'un autre point de vue, la puissance de sortie de l'oscillation laser dépend aussi de la pression initiale de remplissage du gaz, si bien qu'il existe en fait un domaine opérationnel défini en fonction 5 des caractéristiques de sortie du laser. Selon ces caractéristiques, la puissance de sortie en général diminue lorsque la pression de remplissage augmente au-dessus de sa valeur critique. Il n'est ainsi pas recommandable, du point de vue caractéristique de sortie du laser, de remplir le tube de décharge 0 sous une pression dépassant le triple de la valeur critique. On notera qu'il est hautement intéressant, dans la technique d'emploi du laser, d'obtenir, selon la présente invention, des lasers ioniques au krypton àe fonctionnement stable et de haute puissances et des lasers &© haut© puissance dans 1© spee-ç tre visible, en particulier dans le rouge® BAD ORIGINAL 69 20818 7 2011435 REVENDICATIONS 1«- Méthode pour produire en régime stable l'oscillation entretenue d'un laser comprenant un tube à décliarge fin rempli d'un mélange gazeux contenant principalement du krypton et tra- —2 5 vaillant sous une densité de courant supérieure à 5 A.mm , caractérisée en ce que ledit tube est rempli à une pression initiale supérieure à 0,12 d mm de Hg où d est la densité en A.mm"2. 2.- Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce 10 qu'un champ magnétique externe d'environ 600 à 1200 gauss est appliqué selon l'axe longitudinal dudit tube à décharge.