Brevet FR2047991A1 — publié le 19710319

, 2047991 La présente invention se rapporte en général aux lasers et . concerne en particulier les lasers à gaz dans lesquels un matériau pouvant réaliser l'effet - laser estjexcité pour produire une-inversion de population dans les- niveaux d'énergie du matériau. 5 Plus particulièrement, l'invention concerne des perfectionnements aux moyens formant miroir utilisés particulièrement dans les lasers à gaz à rayonnement infrarouge. Pour réaliser un assemblage 'de sortie dans un laser à gaz, une extrémité réfléchissante de la cavité du laser est partiel-10 lement ou localement transparente. L'extrémité réfléchissante agissant comme un miroir est réalisée classiquement en un matériau semi-conducteur qui est transparent au rayonnement infrarouge. Le matériau semi-conducteur est par exemple, le germanium ou un semi-conducteur aggloméré qui est connu sous la dénomination 15 commerciale "Irtran"-. Pourtant-, on rencontre un certain nombre de difficultés avec les miroirs classiques; une absorption de lumière indésirable peut se produire comme résultant de la production de porteurs de charge libres, ce qui détériore la transparence des miroirs. 20 Dans un laser à gaz en fonctionnement,la température des moyens formant miroir est augmentée par la lumière absorbée. Ceci provoque la production de porteurs de charge libres, qui à-leur tour augmentent la lumière incidente. L'augmentation de température résultant de l'absorption accrue de lumière provoque en 25 outre davantage de porteurs de charge libres. Ce cycle indésirable se répète encore et encore, pour réduire la puissance de sortie du laser. On a déjà proposé deux méthodes pour empêcher une telle détérioration de la puissance de sortie; l'une de ces méthodes 30 consiste à utiliser" un matériau hautement résistant tel qu'un matériau réfléchissant de façon à supprimer la production des porteurs de charge libres, et l'autre méthode consiste à réaliser des miroirs plus minces, comme il sera décrit ci-après. Dans la première méthode, le germanium peut avoir par exemple une 35 résistivité au plus de 50 Xlcm. Par ailleurs, il y a une limitation précise dans les matériaux: applicables pour les moyens formant miroir , en raison des propriétés réfléchissantes de 70 23535 2 2047991 ces miroirs,- même si leurs résistivités sont suffisamment élevées. D'un autre côté, cette dernière méthode est basée sur la formule empirique suivante : P , = P exp ( - c*. t ), sortie o * — 5 où P ,. est la puissance de sortie du laser,■ sortie P est la puissance de sortie du laser en absence d'absorption de lumière par les moyens formant miroir , ^ est un coefficient d'absorption du miroir, utilisé, et t est l'épaisseur du miroir. 10 A partir dè la formule ci-dessus, la puissance de sortie • P ,. du laser est supposée décroître pour un coefficient sortie . ^ d'absorption constant comme une fonction exponentielle de l'épaisseur seur t du miroir. Ceci implique que la puissance de sortie que l'on peut" obtenir peut approcher sa valeur idéale PQ , si 15 le miroir est réalisé aiussi fin que possible. Cependant, il y a encore un problème dans cette méthode. Comme il a été décrit précédemment, les extrémités de la cavité peuvent agir non seulement comme des moyens réflecteurs, mais comme un élément d'étanchéité à l'air, de sorte, que. des" miroirs-.trop minces sont 20 gauchis ou rendus convexes intérieurement sous l'effet du vide régnant dans la cavité du laser. En ce qui concerne les miroirs rendus convexes, la lumière réfléchie suivant deux directions dans la cavité du laser diverge lorsqu'elle tombe sur la surface convexe, ce qui dégrade le Q ou le facteur de qualité des 25 miroirs. l'invention a par conséquent pour-objet des moyens perfec- -tionnés formant miroir destinés à être utilisés dans des structures résonnantes formant laser à gaz. - ' l'invention a encore pour but des moyens- formant miroir 30 perfectionnés comprenant une plaque, lame ou analogue réalisée en un matériau transparent au rayonnement infrarouge et- fixée de manière étanche à l'air à une extrémité du laser, la partie centrale limitée de la lame étant assez- mince pour- mlnimisëxjLa production de porteurs de charge libres, et un film en métal-35 réfléchissant recouvrant la surface interne de ladite lame qui est plus épaisse que la partie centrale. "-" • 70 23635 3 2047991 D'autres buts et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit et se réfère au dessin unique annexé, donné uniquement à titre d'exemple, et montrant une vue partielle et'en coupe axiale d'un 5 laser muni de moyens formant miroir conformément à la présente invention. Suivant l'exemple de réalisation illustré par ce dessin, on a montré d'une façon générale en 10 une structure laser qui s'applique de préférence à une structure du type laser à gaz. 10 le laser 10 comprend un tube 12 dans lequel on peut faire le vide et formant la cavité laser, une lame, plaque ou analogue 14 fixée de manière étanclie à l'air à l'extrémité de sortie du tube 12, la partie centrale 16 de ladite lame étant d'une épaisseur réduite prédéterminée pour permettre à un faisceau laser 15 de sortie d'y passer, et un film en métal réfléchissant 18 recouvrant la surface interne de la lame 14 à l'exception de sa partie centrale mince 16. On a montré en 20 un faisceau laser de sortie passant par la partie centrale 16. La plaque ou lame 14 peut être de préférence réalisée en un matériau semi-conducteur 20 transparent a l'infrarouge et qui peut être réalisée non seulement avec du germanium et. de 1' "Irtran" , mais aussi en arséniure de silicium et de gallium. Le film métallique réfléchissant 18 est, par exemple, en or, en argent ou en aluminium que l'on peut appliquer par évaporation sous vide sur la surface interne de la 25 partie la plus épaisse de la plaque 14. La partie centrale mince 16 est ainsi dimensionnée de façon à être sensiblement plus grande que la surfacé de section transversale du faisceau laser de sortie 20. L'épaisseur de la partie centrale 16 est déterminée de. manière à diminuer la production 30 de porteurs de charge libres et à avoir une résistance mécanique suffisante pour résister à la force de gauchissement ou de courbure résultant de la différence entre la pression ambiante et le vide régnant dans la cavité laser. La partie centrale défoncée 16. est réalisée en enlevant la partie centrale de la 35 plaque 14, et ensuite en polissant sa surface extérieure. La surface interne correspondante de la lame 14 et demeurant non revêtue par le film métallique réflichissant 18, peut être 70 23635 4 2047991 recouverte d'un film ou d'une couche anti-réflexion, si on le désire. Cette couche sert à minimiser les réflexions multiples • non nécessaires du faisceau laser de sortie 20 tombant sur ladite couche. 5 G-râce à cette disposition, la plaque ou la lame 14 est fixée de manière étanche à l'air à l'extrémité de sortie du tube laser 12. Dans ce cas, il faut prendre soin de disposer la plaque ou la lame 14 exactement perpendiculairement à l'axe du tube laser 12. Après avoir rendu étanche le tube laser 12 de 10 cette manière, on fait le vide dans le laser 10, et on le remplit d'un gaz ou de gaz convenables. Les autres moyens formant miroir placés à l'opposé des moyens perfectionnés formant miroir , ainsi que les deux électrodes pour provoquer une décharge dans le gaz moléculaire, n'ont pas été représentés sur le dessin. Les autres 15 moyens formant miroir et non représentés peuvent être recouverts intérieurement par le film ou la couche métallique réfléchissante. En fonctionnement, une partie de la lumière émise par les atomes du gaz excité est réfléchie vers l'arrière et vers l'avant dans la cavité du laser entre les deux moyens formant miroirs 20 réfléchissants, ce qui provoque des réflexions multiples bidirectionnelles. Ces deux miroirs sont revêtus d'un film métallique réfléchissant de sorte qu'ils puissent réfléchir la lumière incidente sans atténuation sensible. Après un certain nombre de répétitions de telles réflexions, une grande partie de 25 la lumière peut passer par la partie centrale défoncée qui présente un certain pouvoir de transmission. La fraction, de la lumière qui sort conduit donc au faisceau laser de sortie désiré. Etant donné la description précédente, on voit donc qu'il est avantageux que, suivant un aspect important de l'invention, 30 l'augmentation de température du miroir modifié ou perfectionné est supprimée, et ce à un bas niveau. Ceci empêche aux moyens formant miroirs proprement dits d'être détruits par l'augmentation importante de température qui se produirait sans l'utilisation de la structure laser conforme à l'invention. L'augmentation 35 restreinte de température permet un choix important de matériaux transparents à l'infrarouge et pouvant s'appliquer comme plaques ou lames, en raison des propriétés de réflexion élevées dans une 70 23635 5 2047991 gamme limitée de basses températures. Suivant un autre important aspect de l'invention, l'absorption de lumière est réduite au minimum à la partie centrale défoncée, ce qui produit une puissance de sortie la plus élevée. 5 Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend' tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit 10 de l'invention. 70 2363-5 6 204/991 REVENDICATIONS 1.- Laser à gaz comprenant un tube que l'on peut mettre sous vide et possédant des moyens de réflexion optiquement plans à l'une de ses extrémités et deux électrodes pour provoquer une décharge dans les molécules du gaz contenu dans ledit 5 tube, caractérisé en ce qu'il comprend : des moyens formant miroir disposés perpendiculairement à l'axe dudit tube et comprenant une plaque ou lame réalisée en un matériau transparent à l'infrarouge et fixée de manière étanche à l'air à l'autre extrémité dudit tube, la partie centrale de ladite plaque étant 10 plus mince que la partie restante et étant dimensionnée de façon à être sensiblement plus grande que la section transversale du faisceau laser de sortie; et un film ou couche métallique réfléchissante recouvrant la surface interne de ladite partie restante. 2.- Laser suivant la revendication 1 , caractérisé en ,ce que 15 ladite partie centrale des moyens formant miroir est obtenue en enlevant du matériau de ladite plaque et ensuite en polissant sa surface extérieure. - 3.- Laser suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite partie centrale est déterminée de façon 20 à minimiser la production de porteurs de charge, libres et à avoir une résistance mécanique suffisante pour résister à la force de gauchissement résultant de la différence entre la pression ambiante et le vide régnant dans ledit tube. 4.- "Laser suivant l'une des revendications précédentes, 25 caractérisé en ce que ledit matériau transparent à l'infrarouge est choisi parmi des matériaux semi-conducteurs comprenant le germanium, 1' "Irtran" , le silicium et l'arséniure de gallium 5.- Laser suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite couche métallique réfléchissante 30 peut être en or, en argent ou en aluminium. 6.- Laser suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche anti-réflexion recouvrant la surface intérieure de ladite partie centrale.