Brevet FR2011043A1 — publié le 19700227

La présente invention se rapporte à des lasers ioniques, et plus particulièrement à des lasers ioniques à argon utilisant des enveloppes en quartz. Dans un laser quelconque, un mécanisme d'excitation sélective, connu sous le nom de pompage, produit une proportion anorma lement élevée d'états d'énergie élevée à l'intérieur dun milieu actif, en établissant un état connu sous le nom d'inversion de population. A mesure que l'énergie des particules se trouvant dans les états d'énergie élevée décroît jusqu'à des états d'énergie inférieure, un rayonnement d'une phase appropriée est stimulé dans une gamme de fréquences petite centrée autour d'une fréquence caractéristique. L'émission stimulée d'un tel rayonnement à la fréquence caractéristique est utilisée dans les lasers pour amplifier de la lumiere ou paur produire une lumière cohérente. Dans un laser à gaz particulier connu comme laser ionique, un courant électrique relativement intense est dirigé à travers un plasma gazeux qui ionise le gaz et excite une proportion importante des ions pour obtenir une inversion de population. Le gaz utilisé le plus couramment dans les lasers ioniques est l'argon, et pour obtenir une inversion de population ionique proportionnellement importante, la pression de l'argon doit être relativement faible en comparaison de celle des autres dispositifs à décharge gazeuse ; par exemple, la pression du gaz est inférieure à un millimètre de mercure. Une limitation principale des lasers ioniques réside dans la chaleur produite à l'intérieur de la région de la décharge gazeuse. Les ouvertures centrales d'un ensemble de disques métalliques peuvent être utilisées pour délimiter une région de dé ~charge gazeuse linéaire et également pour dissiper la chaleur qui accompagne cette décharge. On sait également que, du fait de la chaleur ainsi produite, l'enveloppe qui sert à enfermer l'argon gazeux est de préférence réalisée en quartz qui est extrêmement résistant à la chaleur, présente un faible coefficient de dilatation thermique et ne contamine pas la décharge. Finalement, du fait que l'argon ne se diffuse pas dans le quartz aux pressions gazeuses qui sont utilisées dans les lasers ioniques, on considère en général le quartz comme une bonne matière d'enveloppe pour renfermer de l'argon. La région de la décharge gazeuse linéaire peut être resserrée en utilisant un champ magnétique dirige axialement dans toute la région. Ceci augmente la densité des particules chargées à l'intérieur de la décharge gazeuse et augmente par suite le gain et la puissance de sortie. Bien que les lasers ioniques qui comprennent les perfectionnements décrits plus haut présentent des avantages importants tels qu'une puissance de sortie élevée et la capacité de produire certaines fréquences optiques, et que de ce fait ils sont large mentutilisés pour des applications telles que le soudage par laser, la cautérisation médicale et les communications optiques expérimentales, on a trouvé que leur durée de-vie prévue était un peu plus courte que certains des lasers a l'état solide qui ont été mis au point. En conséquence, la présente invention a pour but d'accroftre la durée de vie des lasers ioniques. L'analyse faite par-la Demanderesse des lasers ioniques a montre que la limitation principale de leur durée de vie réside dans une réduction de la pression de l'argon gazeux produite par la vaporisation des disques métalliques. La vaporisation peut être supprimée à peu près complètement en rendant l'espacement entre les disques mEtalliques successifs beaucoup plus grand que le diamètre de l'ouverture centrale, de façon à réduire les champs électriques entre les disques, lesquels sont largement responsables de la vaporisation. Le champ magnétique à travers la région de la écharge permet cette modification en enfermant la décharge et en réduisant de ce fait les franges de la décharge entre les disques. Cependant, même après avoir supprimé à peu près complètement la vaporisation du métal, on a trouvé que la durée de vie des lasers a argon est encore limitée. Les recherches ont montré de plus que bien que l'argon ne puisse soe diffuser a travers l'enveloppe de quartz du laser, il peut être adsorbé par la surface intérieure de l'enveloppe. Bien que les atomes d'argon ne se déposent au bout d'une période d'une certaine durée sur la surface intérieure de l'enveloppe que suivant une épaisseur ne dépassant pas celle d'un atome, ce dépôt ou cette adsorption réduit la pression de l'argon à l'intérieur de la région de la décharge dans une mesure suffisante pour rendre le laser défaillant. Dans les tubes étudiés, l'adsorption de l'argon diminue d'une manière exponentielle avec une constante de temps d'environ 75 heures,ce qui donne une durée de vie prévue de 50 heures pour le laser. De plus encore, cette adsorption peut être réduite ou supprimé mée en revêtant la partie de l'enveloppe en quarts qui s'étend sur la même longueur que la région de la décharge gazeuse linéaire d'une couche mince d'ode d'aluminium AlZO3Xo Du fait que, comme expliqué plus loin, 1 B eRveloDpe n'adsorbe que les ions ar gon, et non les atomes , il est inutile de former un revêtement sur la partie de l'enveloppe qui n'est pas exposée a la décharge. Avec un revêtement d'enveloppe tel que celui décrit plus haut, les essais actuels effectués par la Demanderesse ont montré que la durée de vie d'un laser ionique est, d'une manière typique, augmentée de dix fois. D'autres avantages et caractéristiques de laésente invendétaillée talon ressortlront au cours ae la Qescription/qul va sulvre, faite en regard du dessin annexé dont la vue unique représente d'une manière schématique une vue en coupe d'un laser ionique selon l'invention. En se reportant à la figure unique du dessin,- elle représente un laser ionique excité par un courant continu, comprenant une enveloppe tubulaire 11, une cathode 12 et une anode 13. L'enveloppe est remplie d'argon qui, comme on le sait, oenvient pour une inversion de population des ions composants lorsqu'une décharge gazeuse est maintenue a travers l'argon. Comme on le sait également, la pression de l'argon gazeux doit normalement être maintenue a une valeur inférieure à un millimètre de mercure et elle peut par exemple être de 0,05 à 0,2 mm de mercure. Un trajet de décharge gazeuse linéaire est délimité par des ouvertures centrales 16 formées sur un ensemble de disques 17, dont chacun est réalisé en un métal présentant une conductivité thermique élevée et un point de fusion assez élevé, tel que du molybdène. A chacun des disques métalliques 17 est associée une chicane annulaire 18, dont le but est de former avec les ouver tures 19 des disques 17 un trajet de retour du gaz permettant d'égaliser la pression du gaz à l'intérieur de l'enveloppe du dispositif. Comme on le sait, le fonctionnement optimal des lasers ioniques nécessite un trajet de transmission gazeux paral lèle au trajet de la décharge linéaire et qui présente une transmissibilité gazeuse mécanique un peu plus élevée, mais qui s' sur une plus grande longueur que le trajet de la décharge linéaire.Les chicanes 18 allongent le trajet de retour du gaz en obligeant ce dernier à passer depuis les ouvertures 19 a travers une petite ouverture 20 formée entre la chicane et le disque 17 et ensuite de là a travers une ouverture 19 suivante. En dirigeant de cette manière le gaz de retour, les chicanes 18 empêchent une décharge gazeuse de s'étendre à travers les ouvertures 19 et limitent la décharge gazeuse à l'axe central 15. La décharge gazeuse axiale est limitée par un électroaimant à solénoïde 22 suivant les principes énoncés dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amerique n 465.927 du 9 février 1965 déposée par W.W. RIGROD. En fonctionnement, un courant relativement intense est produit par un générateur de courant 23 et est transmis le long du trajet de la décharge gazeuse de la cathode 12 à l'anode 13. Ce courant intense, qui par exemple peut être de l'ordre de 10 a 15 ampères, fait ioniser une partie importante des atomes d'argon à l'intérieur de l'enveloppe. De plus, les ions sont excités et amenés a un état d'inversion de population suivant lequel une proportion anormalement élevée des ions sont excités a un état d'énergie élevée instable. Lorsque l'énergie de ces ions décroît jusqu'S des états inférieurs plus stables, ils rayonnent de l'énergie lumineuse à une fréquence caractéristique suivant les phénomenes connus des lasers. Des fenêtres transparentes à la lumière 25 et 26 forment les extrémités opposées de l'enveloppe tubulaire 11 ét sont inclinées suivant un "angle de Brewster" approprié pour rendre maximal le rendement de la transmission. Lorsque le dispositif est utilisé comme amplificateur, la lumière est admise à travers l'une ou l'autre des fenêtres, elle se déplace le long de l'axe central 17 en traversant l'anode et la cathode, qui toutes les deux sont constituées par des cylindres creux, et se trouve amplifiée par lQefet additif de l'émission stimulée à partir des ions gazeux excites.Des miroirs peuvent être disposés le long de l'axe cen tral 15 a l'e=Girieur du dispositif ou bien ils peuvent remplacer les fenêtres dans une configuration de fenêtres internes afin de multiplier l'amplification ou renvoyer en réaction une partie suffisante de l'énergie rayonnée et permettre au dispositif de fonctionner comme un oscillateur ou une source de lumière laser. Pour les lasers ioniques du type connu actuellement et qui sont utilisés dans la technique, il faut que la pression de l'argon ne soit pas supérieure à un millimètre de mercure pour qu'une proportion suffisante des atomes composants soit ionisée et excitée au niveau d'énergie necessaire. D'autre part, le dispositif ne rayonne pas de la lumière cohérente et ne fonctionne pas comme "laser" si la pression de l'argon tombe et devient trop faible. Comme mentionné précédemment, les recherches de la Demanderesse concernant la durée de vie des lasers ioniqu s a montré qu'une cause principale de la défaillance du dispositif est la chute de pression de l'argon résultant d'une vaporisation importante du-métal des disques métalliques 17. Dans le dispositif représenté sur le dessin, cet effet a été à peu pres complètement supprimé en laissant un espace important, par exemple de un à deux centimètres, entre les disques métalliques, ce qui supprime à peu près complètement les champs électriques intenses produisant une vaporisation excessive.En fait, l'espace entre les disques successifs 17 est beaucoup plus grand que les diamètres des ouvertures centrales 160 Ce grand espacement est possible du fait quels champ magnétique limite la décharge et de ce fait réduit les effets de frange en aidant à établir un trajet de courant bien défini. Bien que ce procédé ait permis d'augmenter consi derablement la durée de vie des lasers ioniques, cependant ces derniers après une période typique telle que de 50 heures, tendent à être défaillants du fait d'une réduction inadmissible de la pression de l'argon gazeux. On a montré théoriquement que cette réduction de la pression du gaz ou élimination du gaz" était due à une adsorption des atomes d'argon ionisés par la surface intérieure de l'enveloppe 11. Tel qu'il est utilisé ici, le terme "adsorption" indique que les particules sont collectées sur une surface sans pénétration importante à travers celle-ci. Bien que les atomes argon non ionisés ne soient pas déposés sur la surface de l'enveloppe, les atomes ionisés contiennent d'une manière inherente une énergie suffisante pour rompre la liaison interatomique des atomes de quartz à la surface dans une mesure suffisante pour se trouver liés à celle-ci.La théorie de la Demanderesse a été renforcée par les calculs qui ont montré que le nombre d'atomes d'argon manquants correspondant à la chute de pression d'argon observée était approximativement égal au nombre d'atomes. qui pouvaient être déposés le long de la partie de la superficie de l'envi loppe qui est exposée à la décharge. La Demanderesse a alors déterminé que si la surface intérieure de l'enveloppe qui s'étend sur la même longueur que le trajet de la décharge linéaire était revêtue d'une matière incapable d'adsorber les atomes d'argon, alors les réductions nuisibles de la pression de l'argon pourraient être supprimées, et la durée de vie du tube pourrait être augmentée. De plus, la matière du revêtement doit être non contaminante dans des conditions proches du vide et à une température élevée et elle doit être capable de bien adhérer au quartz. Pour éviter l'adsorption, la Demanderesse a montré qu'en théorie la liaison interatomique de ses atomes devrait être considérablement plus forte que celle du quartz (SiO2) pour que les ions argon à grande vitesse soient à peu près complètement incapables de rompre la liaison interatomique à la surface ou d'y pénétrer. Ces exigences sont satisfaites par un oxyde d'aluminium (au203) qui est utilisé, suivant la présente invention, pour former un revêtement mince 28 sur la surface intérieure de l'enveloppe 11 en quartz. Du fait que l'oxyde d'aluminium présente un coefficient de dilatation thermique qui est plus élevé que celui du quartz, on préfère une couche mince d'oxyde d'aluminium, par exemple de l'ordre de 2000 angströms. Bien qu'une couche extrêmement mince déposée d'une façon uniforme de l'ordre de 100 angströms seulement soit probablement suffisante, il est plus commode de déposer une couche d'une épaisseur de 2000 angström, et cette épaisseur ne s'est pas montrée importante au point de s'écailler ou de présenter d'autres problèmes dus aux tensions thermiques. Une partie d'enveloppe en oxyde d'aluminium massif serait impossible à réaliser en pratique du fait de son prix et des difficultés associées a sa mise en forme. L'enveloppe 11 comprend de préférence une partie en quartz cylindrique creuse 29 qui s'étend sur la même longueur que la région de la décharge gazeuse et des extrémités 30 sur lesquelles sont montées les fenêtres 25 et 26. Avant l'incorporation des extrémités 30, on forme de préférence le revêtement mince 28 par dépôt pyrolytique. Par exemple, on chauffe le tube de quartz 29 jusqu'à une température de 1000 à 1100au et on fait passer a travers le cylindre de quartz de l'hydrogène gazeux saturé avec une vapeur de chlorure d'aluminium, en même temps qu'un mélange d'azote et d'anhydride carbonique. Le chlorure d'aluminium réagit avec l'anhydride carbonique et l'hydrogène pour former le reve- tement d'oxyde d'aluminium suivant une épaisseur de 2000 angstrams après une période d'une durée d'environ une demi-heure. Ensuite, les autres éléments du laser, s compris les extrémités 30, sont assemblés. I1 suffit que le revêtement 28 s'étende sur la même longueur que la région de la décharge du fait que c'est la seule région dans laquelle sont produits des ions argon. Les essais ont permis de vérifier que le revêtement 28 n1 ad- sorbe pas les ions argon, et on a trouvé que des tubes du type représenté sur le dessin présentaient une durée de vie, avec le revêtement d'oxyde, qui est dix fois supérieure à la durée de vie de dispositifs sensiblement identiques sans revêtement. I1 va de soi que la présentSinvention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. REVENDICATiONS 1. Laser ionique du type comprenant une enveloppe (11) dont la plus grande partie (29) est en quartz, servant à renfermer une certaine quantité d'argon gazeux capable de présenter une inversion de population lorsqu'il est ionisé, des moyens (12, 13, 23) servant a établir une décharge gazeuse à travers le gaz et à maintenir un courant suffisamment intense à travers le gaz pour ioniser une partie importante de ce dernier et établir une inversion de population d'ions composants de façon à amorcer l'émis- sion stimulée d'un rayonnement optique cohérent d'au moins une partie des ions du gaz, laser caractérisé en ce qu'un revêtement mince (28) d'oxyde d'aluminium est formé sur la surface intérieure de la partie de l'enveloppe de quartz qui s'étend sur la même longueur que le trajet de la décharge gazeuse. 2. Laser suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement d'oxyde d'aluminium présente une épaisseur de l'ordre de 2000 angstroms. 3. Laser suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement est réalisé par dépôt pyrolytique par réaction du chlorure d'aluminium avec l'anhydride carbonique et l'hydrogène.