Brevet FR2008218A1 — publié le 19700116

i 2008218 La présente invention concerne un laser, en particulier un laser à corps solide à rayonnement continu comportant au moins deux sources lumineuses de pompage situées chacune dans une distance focale d'un miroir elliptique laissant passer uniquement S le rayonnement ballasté, la barre de laser étant située dans 1' autre distance focale commune des miroirs elliptiques. Les miroirs elliptiques des lasers à corps solide du type précité sont habituellement réalisés en un verre dur laissant passer le rayonnement ballasté, de sorte que la lumière des sour-10 ces lumineuses de pompage, réfléchie par ces miroirs sur la barre de laser, représente simplement la bande de fréquence de pompage nécessaire pour produire l'effet laser. En outre, la barre de laser est également irradiée directement par les sources lumineuses de ponçage (en général, des lampes à quartz, à halogène ou 15 à décharge de gaz), Etant donné que ce rayonnement direct contient encore la fraction de ballast (chaleur)préjudiciable pour la barre de laser, il se produit dès lors un certain échauffement de celle-ci, L'échauffement de la barre de laser conduit à nouveau à un bombement des surfaces en bout parallèles de cette bar-20 re. Si l'on considère que, pour produire l'effet laser, en ce qui concerne le parallélisme des surfaces en bout de la barre de laser, il faut une précision de Jusqu'à présent , on a remédié à cet inconvénient en limitant 30 l'intensité de puissance des sources lumineuses de pompage. Toutefois, cette limitation a lieu au détriment de l'énergie de la barre de laser qui est à peu près proportionnelle à l'énergie de rayonnement émise par les sources lumineuses de pompage et venant rencontrer la barre de laser. 35 Cette limitation de 1'intensité de puissance des sources lu mineuses de pompage entre d'autant plus en considération que, précisément dans les lasers connus à plusieurs miroirs, le degré d'efficacité est relativement mauvais : une grande partie du rayonnement émis par chacune des sources lumineuses de pompage n'arri-40 ve même pas aux miroirs elliptiques adaptés, mais passe plutôt 69 14732 2 2008218 directement à l'intérieur de la chambre où ce rayonnement vient rencontrer, d'une part, ainsi qu'on l'a déjà indiqué, directement la barre de laser et, d'autre part, les autres miroirs elliptiques, pratiquement sous n'importe quel angle d'incidence. Ce rayonne-5 ment est réfléchi plusieurs fois d'une manière incontrôlée et ainsi, par absorption, il se produit chaque fois une certaine perte d'énergie avant que le reste n'arrive, parfois quasi par hasard, sur la barre de laser. La présente invention a pour objet de prévoir un laser à 10 corps solide du type mentionné ci-dessus et dans lequel, avec une barre conservant les mêmes dimensions, on atteint une puissance sensiblement plus élevée, ainsi qu'un meilleur degré d'efficacité que dans les lasers à corps solide connus jusqu'à présent. Pour résoudre ce problème, suivant l'invention, on propose d'adapter 15 chaque fois, entre la source lumineuse de pompage et la barre de laser, un miroir sphérique comportant une ouverture dans la zone de la liaison directe source lumineuse de pompage/barre de laser, la distance formée par le centre de courbure du miroir sphérique coïncidant avec la distance focale des sources lumineuses de pom-20 page de chaque miroir elliptique; en outre, l'invention est caractérisée en ce que le miroir sphérique et/ou l'élément adapté à ce dernier sont réalisés de telle sorte que la fraction de ballast du rayonnement direct des sources lumineuses de pompage, dirigé sur le miroir sphérique, soit éliminée. 25 Grâce aux miroirs fihëriques suivant l'invention, le rayonne ment direct est chaque fois projeté à nouveau par la distance focale des sources lumineuses de pompage sur les miroirs elliptiques adaptés, d'où il arrive directement sur la barre de laser en passant par l'ouverture de chaque miroir sphérique. Dès lors, avec 30 la même émission d'énergie des sources lumineuses de pompage, on peût atteindre une plus haute émission d'énergie de la barre de laser, c'est-à-dire un meilLeur degré d'efficacité du dispositif. Grâce à l'effet éliminateur de chaleur du miroir sphérique ou de l'élément qui y est adapté, on évite, en outre, un échauffement 35 préjudiciable de la barre de laser, si bien que l'on peut atteindre une sensible augmentation de la puissance des sources lumineuses de pompage et, par conséquent, de l'ênçrgie émise par la barre de laser. Dès lors, grâce à la présente invention, on peut augmenter la paT l'amélioration du degré d'efficacité et d'autfe partJ 40 puissance du laser, d'une part/par la possibilité d'appliquer des 69 14732 3 2008218 sources lumineuses de pompage plus puissantes. Suivant une forme de réalisation préférée de l'invention, le rayonnement ballasté préjudiciable est éliminé en appliquant,au miroir sphérique, une couche réfléchissant tout le rayonnement, 5 mais absorbant ou réfléchissant uniquement le rayonnement ballasté dans la zone de l'ouverture. Grâce au miroir sphérique suivant l'invention, on capte le rayonnement ballasté qui, dans d'autres conditions, provoquerait 1'échauffement de l'espace intérieur formé par le miroir ellipti-10 que et, par conséquent, également la barre de laser. Les miroirs sphériques reprojettent tout le rayonnement qu'ils reçoivent des sources lumineuses, par chaque distance focale, sur les miroirs elliptiques. Sur ces derniers, seule la bande lumineuse appropriée pour la barre de laser est réfléchie et projetée dans la 15 deuxième distance focale commune à tous les miroirs elliptiques et dans laquelle se trouve la barre de laser. A cet endroit, par l'ouverture suivant l'invention, arrivent aussi bien le rayonnement réfléchi deux fois (par les miroi*s sphériques et elliptiques), que le rayonnement réfléchi une seule fois (par les miroirs ellip-20 tiques). De même, par cette ouverture, le rayonnement direct arrive sur la barre de laser, le rayonnement ballasté préjudiciable étant absorbé ou réfléchi par l'ouverture. Pour éviter une réflexion multiple entre le miroir sphérique et le miroir elliptique, les dimensions de l'ouverture doivent 25 avantageusement être choisies de telle sorte que tous les rayons lumineux réfléchis par le miroir elliptique puissent passer à travers cette ouverture et arriver à la barre de laser. En ce qui concerne la forme de réalisation du miroir sphérique, suivant l'invention, on propose de réaliser en un verre ab-30 sorbant ou réfléchissant le rayonnement ballasté, ce verre étant métallisé avec un métal, de préférence l'or ou l'aluminium, en ménageant l'ouverture. L'ouverture consiste alors en une partie non métallisée du miroir sphérique. Suivant une autre forme de réalisation de l'invention, on 35 propose de réaliser le miroir sphérique (à l'exception de l'ouverture) en une matière laissant passer uniquement le rayonnement ballasté, de préférence le verre et, entre le miroir sphérique et la barre de laser, on adapte chaque fois des filtres thermiques et/ou des éléments de refroidissement, 40 Dans cette forme de réalisation, le miroir sphérique réflé 69 14752 4 2008218 chit uniquement la bande lumineuse appropriée pour la barre de laser et, par conséquent, il assure une amélioration du degré d' efficacité de la manière déjà décrite ci-dessus. Le rayonnement ballasté passant à travers le miroir sphérique est capté par les 5 £11 très thermiques et/ou les éléments de refroidissement suivant l'invention. L'avantage particulier de cette forme de réalisation réside dans le fait que le rayonnement ballasté n'est pas reprojeté dans la source lumineuse de pompage et qu'ainsi, il ne conduit pas à un échauffement inopportun de celle-ci, 10 En outre, à cet effet, il est recommandé de disposer, dans la liaison directe source lumineuse de pompage/barre de-laser, dans la zone de l'ouverture, un filtre translucide de rayonnement ballasté et, des deux côtés de ce dernier, des éléments de refroidissement à grande surface, dans lesquels est prévue une circulais tion d'eau. Comme filtre de rayonnement ballasté, on emploie avantageusement un tt*be en verre qui entoure la barre de laser et dans lequel il y a une circulation d'eau à laquelle on peut conférer une capacité d'absorption du rayonnement ballasté moyennant une addition 20 de produits chimiques appropriés (coloration). L'eau sert également à évacuer la chaleur absorbée par le rayonnement ballasté. Dans cette forme de réalisation, le's ouvertures des mirois sphériques consistent avantageusement chacune en un évidement et le diamètre du tube en verre est choisi de telle sorte que ce dernier 25 pénètre de l'intérieur dans les ouvertures et ferme en môme temps ces dernières, Une protection complémentaire pour la barre de laser peut en outre être assurée en relisant le tube en un verre absorbant le rayonnement ballasté. 30 Suivant une autre forme de réalisation de l'invention dans laquelle on peut supprimer le tube en verre à circulation d'eau, on propose de réaliser uniquement l'ouverture du miroir sphérique en une matière réfléchissant ou absorbant le rayonnement ballasté. Cette forme de réalisation constitue un certain compromis : la 35 majeure partie do rayonnement ballasté rencontrant le miroir sphérique est éliminée par les éléments de refroidissement disposés derrière ce miroir, tandis que le reste du rayonnement ballasté tombant sur 1eouverture est absorbé ou réfléchi par cette dernière -(en tenant compte d'un certain échauffement de la source lu-40 mineuse de pompage), En cas d'absorption, il faut tenir compte 69 14732 S 2008218 d'un échauffement du miroir sphérique lui-même. L'invention sera décrite ci-après par quelques exemples de réalisation en se référant aux dessins annexés dans lesquels : les figures 1 à 4 représentent chacune une forme de réalisa-5 tion d'un laser comportant un quadruple système de pompage. Les sources lumineuses de pompage, de préférence des lampes à halogène, sont chacune désignées par le chiffre 10, tandis que les tubes en verre qui les entourent sont des ignés par le chiffre 11. Chaque source lumineuse de pompage est disposée dans une cham-10 bre comprenant un miroir elliptique 12 et un miroir sphérique 13. Les sources lumineuses de ponçage et les miroirs représentés en coupe dans les dessins sont de forme cylindrique. Dans ce cas, les sources lumineuses de pompage 10 sont situées simultanément dans une distance focale du miroir elliptique et au centre du miroir 15 sphérique. Dans la deuxième distance focale commune à tous les miroirs elliptiques, se trouve une barre de laser désignée par le chiffre 14. La barre de laser est excitée de façon connue par les rayons lumineux émis par les sources lumineuses de pompage pour émettre 20 des rayons laser, qui sortent de la barre 14, perpendiculairement au plan du dessin. Dans ce cas, pour le degré d'efficacité du laser, il importe que la majeure partie de la fréquence de pompage sortant des sources lumineuses de pompage arrive à la barre de laser. D'autre part, il convient, autant que possible, d'empêcher 25 le rayonnement ballasté contenu dans la lumière de pompage d'arriver à la barre de laser, car ce rayonnement conduit à un échauffement préjudiciable de la" barre. On décrira à présent la façon de résoudre ces deux problèmes contradictoires au moyen de la présente invention en se référant 30 au trajet de quelques rayons choisis. A cet égard, il y a, en principe, trois groupes de rayons : le premier groupe comprend des rayons arrivant directement à la barre de laser. Un menubre de ce groupe est représenté par le chiffre 15 à la figure 1. Le deuxième groupe est concrétisé par des rayons qui tombent tout d1 35 abord sur les miroirs elliptiques 12 d'où ils sont réfléchis dans la barre de laser 14. La figure 1 représente deux rayons de ce groupe, désignés par les chiffres 16 et 17. Enfin, le troisième groupe comprend tous les rayons qui tombent tout d'abord sur les miroirs sphériques 13 d'où ils sont projetés, par la source lumi-40 neuse de pompage, sur les miroirs elliptiques 12, pour arriver 69 14732 6 2008218 finalement à la barre de laser. Ce rayon est désigné par le chiffre 18 à la figure 1. Tout comme les miroirs elliptiques 12, les miroirs sphériques de la figure 1 sont réalisés de telle sorte que la fréquence de 5 pompage soit réfléchie et que le rayonnement ballasté puisse passer (comme matière première pour des miroirs ayant ces propriétés, il est recommandé d'employer, par exemple, le verre "Duran"). Les miroirs sphériques 13 comportent chacun une ouverture 19 dont les dimeifions sont déterminées par des rayons limites 17. L'angle de 10 l'ouverture 19, délimité par les deux lignes en pointillés 20, correspond à une couche désignée par le chiffre 21 et appliquée sur le tube en verre 11. Cette couche 21 laisse passer la fréquence de pompage et elle est réalisée de façon à réfléchir le rayonnement ballasté. De la sorte, on empêche le rayonnement ballasté de pas-15 ser à travers l'ouverture 19. Le rayonnement ballasté réfléchi par la couche 21 et dirigé vers l'extérieur à travers le miroir elliptique est illustré par une flèche en pointillés 22. Par contre, la fraction de ballast des rayons 18 (flèche en pointillés 23) venant rencontrer le miroir sphérique 13 est captée 20 par des éléments de refroidissement. Les éléments de refroidissement sont constitués de minces plaques de bronze noircies 24, ces plaques étant ondulées pour augmenter la surface (épaisseur : environ 0,1 mm), tandis qu'elles enferment un espace creux 21 parcouru par un liquide ou par l'air. La fraction de ballast du rayonne-25 ment venant rencontrer les miroirs elliptiques 12 est évacuée à travers ces derniers (flèche en pointillés 26). Pour autant que le logement formé par les miroirs 12, 13 soit encore entouré une fois d'une paroi extérieure, il importe de laisser circuler de 1' air de refroidissement à travers l'espace intermédiaire. De même 30 une circulation d'air de refroidissement peut être prévue dans le compartiment intérieur de la chambre à miroirs. En outre, la barre de laser elle-même peut évidemment comporter un alésage central dans lequel circule un agent de refroidissement. Dans la forme de réalisation suivant la figùre 2, le miroir 35 sphérique désigné par le chiffre 13a est continu. Ce miroir est métallisé au moyen d'une couche 27 (par exemple d'or ou d'aluminium) réfléchissant tout le rayonnement émis par la source lumineuse de pompage. Dans ce cas, l'ouverture est formée par un point 19a qui n'a pas été métallisé. Le miroir sphérique 13a est réa-40 lise en une matière absorbant ou réfléchissant le rayonnement bal- 69 14732 7 2008218 lastê de sorte que, dans la zone de l'ouverture, seule la fréquence de ponçage peut passer, Le reste de la zone enduite du miroir réfléchit tout le rayonnement, le projette sur les miroirs elliptiques où le rayonnement ballasté passe vers l'extérieur, tandis 5 que la fraction de la fréquence de pompage qui vient rencontrer la barre de laser 14, est réfléchie, Le parcours des rayons est illustré par deux rayons caractéristiques 28, 29 (les flèches en pointillés indiquent le rayonnement ballasté). Dans cette forme de réalisation, les éléments de refroidissement représentés à la 10 figure 1 ne sont pas nécessaires car, dans ce cas, tout le rayonnement ballasté est évacué à travers, les miroirs elliptiques. Toutefois, étant donné que le miroir sphérique réfléchit le rayon» nement ballasté chaque fois par la source lumineuse de pompage, afin d'éviter un échauffement superflu ée celle-ci, il est avanta-15 geux de l'entourer d'un tube en verre désigné par le chiffre 30 à la figure 2 et dans lequel circule un agent de refroidissement. La forme de réalisation suivant la figure.3 correspond essentiellement à celle de la figure 1, avec cette différence que le tube en verre 11 n'est pas enduit. Par contre, la barre de la-20 ser 14 est entourée d'un tube en verre 31 dans lequel circule de lfeau, ce tube en verre absorbant le rayonnement ballasté pafflint par l'ouverture 19, tout en évacuant la chaleur produite. La forme de réalisation suivant la figure 4 est, en quelque sorte, une combinaison des formes de réalisation suivant les fi-25 gures 2 et 3; le miroirçfephérique 13 a dont la surface est enduite conformément à la figure 2, comporte une ouverture qui, conformément à la figure 3, est fermée par un tube 31 dans lequel circule de l'eau et qui entoure la barre de laser. Par suite du rayonnement ballasté réfléchi par le miroir sphérique, la source lumi-30 neuse de ponçage suivant la figure 2 est également entourée d'un tube en verre 30 dans lequel circule un liquide. En outre, on peut encore envisager d'autres combinaisons sans sortir du cadre de l'invention. Dans la description ci-dessus, on a donné diverses possibili-35 tés par lesquelles la présente invention permet de résoudre, d' une manière satisfaisante, le problème consistant à maintenir le rayonnement ballasté à l'écart de la barre de laser, ce qui signifie qu'à présent, la puissance des sources lumineuses de pompage et, par conséquent, également la puissance du laser peuvent être considérablement accrues. On soulignera à présent plus par- * v" 'j 4/^ 2008218 ci-su 1 i3rement un antre avantage essentiel is l'invention, notamment 1'augmentation du degré d'efficacité» L'avanteg® du miroir sphé-•"suivant 15 invention iris^â^/is d'tmg .augmentation du degré d' s^fi^rieité du laser reaaort saa? plus d'une coràoaraison ©ntre un Iaj-ic eoaim ©t 1© laser suivant 18 iîw©5i1*iGn0 Ba-is un laser connu â quadruple syz"èas d5 pompage et» par :*ons lq«GSte à qiîatre miroirs elliptiques^ mets sans miroirs sphëri dis?e sur la barra de les-*/ c Les vnyom atteig^nt ètef5&t®mnt la barre d© laser sous un aîïgl-o a1 êimison 15® ;. Dealers, ^aâ©=iàl©;) ils atteignent environ 2SO°p s8dgt-â=dir« qu@9 en se aasaat aiïr 1® rayonnement total de 359° s ô£ïîria©a 645 d© la feicpaase de pQiBûgs êsiise par les sources lumiaeuses de pompage atteignent la barre de laser par la voie la pies courte passible. Les 36% restants du rayonnement atteignent,. d3uas manière incontrôlée les miroirs elliptiques des trois autres sources lumineuses de pompage» Ce rayonnement dispersé est réfléchi plusieurs fois s l'intérieur de la chambre formée par les miroirs elliptiques et ainsi, une grand© partie est perdue par absorp tion, Grâce à la présente inventiona.c'est-à-dire grâce aux miroirs sphériques adaptés claque fois aux miroirs elliptiques,.environ 330° (à 115° par les miroiss et à 15° directement) de la- fréquence de pompage9 soit environ 921 de toute la fréquence de pompage émi-, se par les sources lumineuses, peuvent atteindre la bai're de laser d'une manière contrôlée par la voie la plus courte. La fraction non utilisée du rayenneminî^n ' es t plus alors que ' de 31 centre 26% dans les systèmes de pompage connus» 69 14732 9 2008218 REVENDICATIONS 1, Laser, en particulier laser à corps solide à rayonnement continu, comportant au moins deux sources lumineuses de ponçage disposées chacune dans une distance focale d'un miroir elliptique laissant passer uniquement le rayonnement ballasté, la barre de laser ^ étant située dans l'autre distance focale commune des tiroirs elliptiques, caractérisé en ce que, entre les sources lumineuses de pompage et la barre de laser,on rïévoit chaque fois un miroir sphérique comportant une ouverture dans la zone de la liaison directe source lumineuse de pompage/barre de laser, la distance formée par le cen-10 tre de couriure du miroir sphérique coïncidant avec la distance focale des sources lumineuses de ponçage de chaque miroir elliptique adapté, le miroir sphérique et/ou l'élément adapté à ce dernier étant réalisés de telle sorte que la fraction de ballast du rayonnement direct de la source lumineuse de pompage, dirigé sur les mi-15 roirs elliptiques, soit évacuée. 2. Laser suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le miroir sphérique comporte une couche réfléchissant tout le rayonnement, mais absorbant ou réfléchissant uniquement le rayonnement ballasté dans la zone de l'ouverture. 20 3, Laser suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les dimensions de l'ouverture du miroir sphérique sont calculées de telle sorte que tous les rayons lumineux réfléchis par le miroir elliptique puissent traverser cette ouverture et atteindre la barre de laser, 25 4. Laser suivant-la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le miroir sphérique est réalisé en un verre réfléchissant ou absorbant le rayonnement ballasté, ce verre étant métallisé au moyen d'une couche, de préférence d'or ou d'aluminium, en ménageant 1'ouverture. 30 5, Laser suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, à l'exception de l'ouverture, le miroir sphérique est réalisé en une matière laissant passer uniquement le rayonnement ballasté, de préférence un verre enduit et en ce que, entre le miroir sphérique et la barre de laser, on prévoit chaque fois des filtres thermiques et/ 35 ou des éléments de refroidissement. 6. Laser suivant la revendication 5, caractérisé en ce que, dans la liaison directe source lumineuse de pompage/barre de laser et dans la zone de l'ouverture, on prévoit un filtre translucide 69 14732 10 2008218 de rayonnement ballasté et, des deux côtés de ce dernier, des éléments de refroidissement à grande surface dans lesquels circule de 11 eau. 7. Laser suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la 5 barre de laser est entourée d'un tube en verre dans lequel circule de l'eau absorbant le rayonnement ballasté. 8. Laser suivant la revendication 7, caractérisé en ce que, comme ouverture, on prévoit chaque fois un ëvidement dans le miroir sphérique et en ce que le diamètre du tube en verre est choi- 10 si de telle sorte qu'il pénètre de l'intérieur dans les ouvertures et qu'en même temps, il ferme ces dernières. 9. Laser suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le tube est réalisé en un verre absorbant le rayonnement ballasté. 10. Laser suivant la revendication 5, caractérisé en ce que 15 seule l'ouverture du miroir sphérique est réalisée en une matière réfléchissant ou absorbant le rayonnement ballasté. 11. Laser suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'ouverture est un évidement pratiqué dans le miroir sphérique et en ce que l'enveloppe en verre de la source lumineuse de pompage 20 comporte, à un endroit situé à la jonction directe des rayons avec l'ouverture, une couche absorbant ou réfléchissant le rayonnement ballasté, les dimensions de cette couche correspondant à l'angle de l'ouverture, rapporté à la source lumineuse de pompage. 12. Laser suivant une ou plusieurs des revendications prêcé-25 dentes, caractérisé en ce que la source lumineuse de ponçage est parcourue par un agent de refroidissement. 13. Laser suivant la revendieation 11 ou 12, caractérisé en ce que le diamètre de la barre de laser est choisi de telle sorte que celle-ci pénètre de l'intérieur dans l'ouverture et ferme en- 30 tièrement cette dernière, 14. Laser suivant la revendication 13, caractérisé en ce que la barre de laser est parcourue intérieurement, de façon connue en soi, par un agent de refroidissement. 35