Brevet FR2016380A1 — publié le 19700508

La présente invention se rapporte à des lasers à gaz et plus particulièrement à un procédé et à des moyens pour moduler des lasers à gaz. Un laser à gaz fonctionne avec une décharge électrique dans un tube à plasma qui contient des gaz appropriés, tels qu'un mélange d'hélium et de néon. La décharge électrique ou passage d'un courant dans le tube à plasma fournit de l'énergie pour élever des électrons d'atomes de gaz à un niveau d'énergie excité. Quand les atomes sont plus nombreux au niveau excité qu'au niveau normal d'énergie plus bas, on dit qu'il existe une "inversion de population". Puisque le niveau d'énergie supérieur est instable, des atomes retombent au niveau d'énergie inférieur en libérant des photons, c'est-à-dire de l'énergie sous forme d'un rayonnement lumineux.Lorsqu'un laser à gaz fonctionne, les deux processus, à savoir le processus d'excitation d'atomes par la décharge électriqueet le processus de désexcitation d'atomes avec li bération de photons stéqui] ae de sorte que l'inversion de po- pulation est maintenue continuellement. Dans des lasers actuels à l'hélium et au néon, les gaz contenus dans le tube à plasma sont sous une pression réduite, de l'ordre de 4 à 5 Torr (millimètres de mercure) ; et l'intensité de la décharge électrique, ou courant de plasma est de l'ordre de 6 à 8 milliampères. Pour entretenir le courant de plasma dans un laser à gaz en fonctionnement, une tension de l'ordre de 3000 volts est nécessaire. Pour l'amorçage ou le déclenchement de la décharge électrique, une tension triple de la tension normale est habituellement nécessaire. Ainsi, une source d'alimentation en énergie d'un laser à gaz doit fournir une tension de tordre de 10 kilovolts pour l'amorçage de la décharge, et une tension de l'ordre de 3 kilovolts pour entretenir le courant de plasma. En plus de trop haute tension nécessaire , l'amorçage-ou allumage d'un laser à gaz exige un temps de montée assez long de l'ordre de deux secondes. Evidemment, les conditions de tension et de temps de retard excluent toute tentative pour moduler un faisceau de laser en supprimant la puissance d'alimentation de façon à supprimer le faisceau puis en rallumant le laser pour rétablir le faisceau. En outre, il n'est pas pratique de moduler le faisceau de laser en réduisant le courant de plasma en vue de réduire (mais non d'éliminer) la puissance de sortie du faisceau, puisqu'une réduction du courant de plasma produit un étage instable dans lequel le courant dé plasma risque de tomber à zéro, ctest-à-dire que la décharge électrique s'arrête.Jusqu'à présent, quand une modulation précise et rapide du faisceau de sortie de laser était souhaitée, il était nécessaire d'utiliser un modulateur du type électro-optique qui, non seulement est coQ- teux mais encore provoque des pertes indésirables et des perturbations des propriétés optiques du faisceau du laser. Conformément à l'invention, un lasser est modulé par accroissement du courant de plasma au-delà d'un point correspondant à la puissance de sortie maximale du laser et dans une zone à pente négative de la caractéristique de variation de la puissance de sortie du laser en fonction du courant du plasma pour réduire la puissance, et par le retour à ce point par réduction du courant de plasma pour augmenter la puissance. te courant de plasma peut Entre accru de façon à supprimer totalement le faisceau de sortie, et le faisceau étant supprimé de cette manière,la puissance de sortie peut être ramenée à une valeur normale dans un temps de montée de 0,5 microseconde par le simple expédient consistant à réduire le courant de plasma jusqu'à une valeur normale. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation conforme à l'invention. Sur ce dessin, La figure 1 est un scliéma d'un circuit électrique associé à un laser, et La figure 2 comprend une famille de courbes caractéristiques de variation de puissance de sortie en fonction du courant de plasma d'un laser typique à l'hélium et au néon, pour différentes pressions des gaz contenus dans le tube à plasma. En se référant maintenant à la figure 1, une décharge gazeuse du type luminescent est amorcée dans un tube à plasma 12 par un système électrique pour engendrer un rayonnement lumineux. Ce rayonnement est réfléchi vers le milieu initial dans un réso-nateur optique comprenant des réflecteurs 1 et 2 qui. se font face optiquement et qui sont constitués par des revêtements diélectriques présentant une réflectance maximum à la longùeur d' onde voulue du laser. Une transmission suffisante est assurée dans le ré flecteur 2 de façon à former un faisceau de sortie 3. Le système électrique de la figure 1, qui est utilisé pour entretenir la décharge luminescente dans - le tube à plasma 12, comporte une source 11 de courant continu constant, classique, branchée de façon à appliquer un courant au tube à plasma 12 du laser à travers une résistance de stabilisation 13. Le couvant d'électrons circule de l'anode vers la cathode du tube à plasma 12 sous forme d'une décharge gazeuse,- et il est appelé très souvent "courant de plasma". La cathode du tube à plasma 12 est rem liée à une borne d'alimentation en tension négative (-E) par des résistances 14, 15 et 16 connectées en série. Un condensateur 17 shunte la résistance 15. La source de courant constant 1 1 peut fournir un courant Ic d'une intensité suffisante pour amenër le laser au-delà de la région correspondant à la valeur utile de la puissance de sortie du tube, dans une région à puissance de - sortie nulle. Par esem- ple, un laser typique peut fonctionner lé long de la courbe caractéristique 18 de la figure 2 avec une pression de gaz de 4,5 Torr (illimètres de mercure). Pour ce laser pris à titre d'exem- ple, la source de courant constant 11 peut fournir un courant de plasma dépassant 14 milliampères de façon à supprimer pratiquement toute la puissance de sortie.Pour diminuer le courant de plasma, un courant de modulation Im est soustrait du courant de la source de courant de façon à réduire le courant total, qui peut entre représenté par 1c I Im. L'intensité du courant de plasma (Ic Im) peut titre dans la gamme allant de 9 à 14 milliampè- res et fait fonctionner le laser dans une zone 19 dë la courbe 18 qui est constituée par une partie généralement rectiligne ou linéaire de la caractéristique de variation de la puissance de sortie en fonction du-courant de plasma. D'après la figure 1, le courant de modulation 1m est engendré sous forme du courant d'anode d'un tube é-lectronique 21 en parallèle sur le courant d'alimentation Ic. L'emploi dtun fel modulateur shunt permet l'obtention d'une largeur de bande de modulation plus grande que dans le cas où le courant Ic de la source serait modulée directement. Le tube 21 est représenté par une triode, bien qu'eu pratique une tétrode de puissance se soit avérée satisfaisante. L'anode du tube 21 est reliée directement à la cathode du tube-à plasma 12 de sorte que le courant de plas ma (I - I ) est la somme algébrique du courant constant lo et c m du courant de modulation Im.La cathode du tube électronique 27 est shuntée par un condensateur 24 de fa çon à améliorer la réponse en fréquence du montage. La grille du tube 21 est reliée directement à la cathode du tube à plasma 12 de façon à constituer-un circuit de réaction négative pour linéariser la modulation du courant de plasma. Ainsi, lorsque le courant (Ic - Im) du tube à plasma tend à-aug- menter, la tension aux bornes de la résistance 14 augmente et réduit la tension négative entre la grille et la cathode du tube 21, de sorte que le courant en parallèle I est augmenté et le m courant du tube de plasma - Im) est réduit. Réciproquement, lorsque le courant du tube de plasma tend à diminuer, la tension aux bornes de la résistance 14 diminue, et la tension négative entre la grille et la cathodé du tube 21 augmente de sorte que le courant en parallèle 1m est réduit et que le courant du tube de plasma (Ic ~ Im) est augmenté. Ainsi qu'il est représenté sur la figure 1, une borne d'entrée 25 est reliée à la cathode du tube 21 par la diode Zener 2S et le condensateur 24 de façon à assurer un couplage approprié pour un signal négatif de modulation. Ainsi, un signal d'entrée négatif appliqué à la borne 25 est amplifié par le tube éIectro- nique 21 de façon à produire le courant de modulation Im qui peut être ajouté algébriquement au courant constant Ic pour mo- duler le courant de plasma dans le tube 12. Dans le cas où un signal d'entrée positif est présent (au lieu d'un signal négatif), une borne d'entrée 26 est prévue pour transmettre ce signal à la grille du tube 21. Une diode 27 est branchée entre la borne d'entrée 26 et la résistance 15. Une résistance 28 est branchée entre la borne 26 ét la massë.-La re- sistance 15 est variable de façon à assurer un réglage dru seuil des signal d'entrée et de façon à fournir une valeur de sortie en régime permanent dans l'éventualité de l'absence complète de signaux d'entrée. Dans l'exemple de réalisation de l'invention, le tube à plasma 12 était rempli sous une pression de 4, 5 Torr de façon à fonctionner le long de la courbe caractéristique 18. Dans ce mode d'exécution de l'invention, le tube électroniqüe-21 était une tétrode de puissance du type 807, dont les deux grilles étaient connectées l'une l'autre en ne formant en pratique qu'une seule grille ; la diode Zener 23 avait des valeurs nominales maxima de 20 volts et 1 watt ; la tension d'alimentation -E était de -30 volts, et la diode 27 était du type Ion2071. Les valeurs des résistances et des capacités correspondant à ce mode d'exécution de l'invention pris à titre d'exemple sont les suivantes : Résistance 13 50.000 ohms Résistance 1.4 -470 ohms Résistance 15 zéro à 2.5QO ohms Résistance 22 50 ohms Résistance 28 50 ohms Capacité 17 0,1 microfarad Capacité 24 0,1- microfarad Ainsi qu'il a été indiqué précédemment, les différentes courbes de la figure 2 sont les courbes caractéristiques de variation de la puissance de sortie en fonction du courant de plasma relatives à un tube de plasma contenant des gaz suivant des pressions différentes. La courbe 18 correspond à un tube à plasma typique qui est actuellement disponible dans le commerce. Les courbes sont toutes semblables ; chaque courbe a un point défini de courant de plasma minimal indiqué par une fin brusque de la courbe. Si on effectue une tentative pour faire'fonctionner le tube à plasma avec un courant de plasma plus faible, la décharge est instable et le courant risque de tomber à zéro et d'interrompre la décharge. Chacune des courbes a un point correspondant à une puissance de sortie maximale anquel le faisceau du laser a son intensité maxi male. Dans tous les cas, une augmentation du courant de plasma au-delà du point correspondant à la puissance de sortie maximale réduit simplement la puissance de sortie. La région a pente négative de la caractéristique de puissance de sortie (région 19 de la courbe 18) est remarquablement rectiligne,-de sorte qurune modulation linéaire est possible quand le laser fonctionne dans cette région. On peut-remarquer, en comparant les courbes, que les tubes à plasma de pression plus faibles ont une caractéristique plus longue et à pente moins raide, qui peut être souhaitable dans un circuit de modulation. Un avantage principal de l'invention réside dans le fait qu'un laser peut titre bloqué ou réglé à une puissance de sortie nulle par augmentation de courant de plasma ; mais, lors d'une diminution ultérieure du courant de plasma le ramenant à une valeur normale, la puissance de sortie reprend à la valeur normale avec un temps de retard de l'ordre de 0,5 microseconde. Par conséquent, une largeur de bande finale de l'ordre de 2 mégacycles par seconde peut être obtenue par ce mode de modulation. Avec l'esem- ple de réalisation particulier de l'invention décrit précédemment, une réponse de 300 kilocycles par seconde était obtenue facilement. Ainsi que cela a été indiqué précédemment, le laser fonc- tionne, en régime statique, avec un courant constant Ic correspondant au point de blocage du faisceau du laser et à une puissance lumineuse rayonnée de sortie nulle, et le courant de modulation 1m est ajouté algébriquement au courant constant 1o de fa çon à réduire le courant de plasma à une valeur (I c m Im)-- Evidemi7lent, il est possible de concevoir d'autres montages de modulation pour commander un laser dans la région à pente négative de la caractéristique de variation de la puissance de sortie.Une autre variante possible pourrait comporter un courant 1c constant établissant un courant de plasma normal en un point cor respondant à la puissance de sortie maximale sur une des courbes de la figure 2 en régime statique ou près de ce point, et un courant de modulation Im de la même polarité que Ic et tel que le courant de plasma serait (Ic + I) pour faire varier le point de fonctionnement du laser le long de la partie à pente négative de la caractéristique représentative de la variation de la puissance de sortie. En tout cas, le courant total (somme algébrique) est suffisant pour moduler le laser le long de la partie à pente né dative de la caractéristique de variation de la puissance de sortie de telle sorte qu'une augmentation du courant de plasma produise une diminution de l'intensité du rayonnement lumineux. La modulation peut étire du type par impulsion pour lequel le faisceau du laser est pratiquement bloqué en régime statique et atteint, suivant une impulsion, pratiquement la puissance maximale par réduction du courant de plasma, ou du type pour lequel la puissance du faisceau du laser a pratiquement sa valeur maximale en régime statique et prend pratiquement par impulsion sa valeur nulle par augmentation du courant de plasma.Selon une variante, le laser peut être modulé en classe A par variation du courant du plasma entre des limites situées sur la partie linéaire ou rectiligne de la caractéristique représentative de la variation de la puissance de sortie, le point de fonctionnement correspondant à la puissance de sortie tant sensiblement à mi-chemin entre ces limites en régime statique. Ainsi, par exemple, la courbe relativement longue 29 peut titre utilisée dans le cas d'un tube à plasma à pression de 3,5 Torr, avec une variation du courant du plasma entre deux limites égales respectivement à 11 milliampères et 19 milliampères, de telle sorte que la puissance de sortie varie dans une partie rectiligne de la courbe 29. Ainsi, par un choix approprié de circuits et/ou de pressions de plasma, le courant de plasma modulé peut faire varier la puissance de sortie de zéro à une valeur maximale, ou bien cette puissance de sortie peut varier linéairement dans une zone appropriée de la caractéristique de variation de la puissance de sortie en fonction du courant de plasma. REVENDICADIONS 1. Laser à gaz, caractérisé en ce qu'il comprend : un tube à plasma, un moyen produisant un courant de décharge dans le tube à plasma pour engendrer un signal de sortie de laser, ce signal ayant une zone de variation négative en fonction du courant de décharge, et un moyen pour faire varier de manière controlable ledit courant dans ladite zone de façon à faire varier de manière contro- lable le signal de sortie du laser0 2o Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant de décharge est établi en un point de fonctionnement statique correspondant à une valeur suffisamment grande du courant pour que le laser ait une puissance de sortie pratiquement nulle, et en ce que ledit moyen de variation de courant diminue ledit courant de façon à produire un effet pulsionnel positif dans la puissance de sortie du laser0 30 Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant de décharge est établi en un point de fonctionnement statique auquel la puissance de sortie du laser est sensiblement maximale, et en ce que le moyen de variation de courant augmente ce courant de façon à produire un effet pulsionnel négatif dans la puissance de sortie du laser. 4. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant de décharge est établi en un point de fonctionnement statique qui est sensiblement au milieu d'une partie rectiligne de ladite zone à pente négative, et en ce que le moyen de variation de courant module ce courant dans ladite partie rectiligne de façon à produire une modulation sensiblement linéaire de la puissance de sortie du laser0