Brevet FR2102154A1 — publié le 19720407

La présente invention concerne un procédé et un appareillage destinés à faire fonctionner des lasers à gaz à variation du coefficient de suramplification Q - ou plus simplement "à variation' de Q1'- à des fréquences de récurrence élevées. 5 Les lasers à gaz tels que C02 et à onde entretenue fonction nent avec un rendement élevé et fournissent une puissance moyenne plus importante que celle obtenue actuellement avec les lasers à solide. Par conséquent, ces lasers à gaz à onde entretenue ont acquis une importance croissante en tant qu'outils industriels 10 destinés à des opérations telles que le micro-usinage. Malheureu- ... sement, le pouvoir réflecteur élevé de certains métaux pour les longueurs d'onde de leur rayonnement limite l'emploi de certains de ces lasers. On peut remédier à cet inconvénient en faisant fonctionner le laser par impulsions, ce qui permet d'obtenir une 15 puissance instantanée élevée suffisante pour faire fondre ou vaporiser la surface du métal. Une fois que ce seuil a été atteint, la puissance est absorbée plus facilement et l'opération progresse rapidement. Ces puissances instantanées élevées sont obtenues par variation de Q, ce qui permet de produire des impulsions géan-20 tes en laissant, entre les impulsions émises, des intervalles de temps permettant l'accumulation d'énergie dans le matériau laser. Cette énergie est ensuite libérée pendant un intervalle de temps très bref et les impulsions géantes peuvent être émises avec une fréquence de récurrence élevée de manière à fournir des puissances 25 moyennes voisines de leur puissance utilisable en onde entretenue. -Les puissances de crête ainsi obtenues sont environ 10 à 1 000 • fois plus grandes. On utilise, en général, dans les lasers à gaz, des miroirs terminaux délimitant une cavité optique pour ces lasers. Un procé-50 dé courant pour faire varier le Q de ces lasers cnnsiste à faire tourner un des miroirs d'extrémité de la cavité optique de manière à ne provoquer l'émission d'une impulsion que lorsque la surface de ce miroir est sensiblement dans la position correcte par rapport à l'autre miroir laser fixe qui définit l'autre extrémité 55 de ladite cavité. Pour obtenir des fréquences de récurrence élevées des impulsions, il faut faire tourner très rapidement ce miroir. A mesure que sa vitesse augmente, Il arrive un moment où le temps pendant lequel les miroirs sont dans une position relative correcte est trop court pour permettre à l'amplitude des oscilla-40 tions d'atteindre sa valeur maximale. Contrairement à certains 71 29107 2 2102154 lasers à solide, les lasers à gaz exigent un certain "temps de séjour" pendant lequel les miroirs sont sensiblement en position relative correcte, pour pouvoir émettre une impulsion utilisable. Par conséquent, il existe une limite au-delà de laquelle il est 5 inutile de faire tourner le miroir plus rapidement, ce qui détermine la fréquence de récurrence maximale des impulsions et l'intervalle minimal entre impulsions. Cet intervalle minimal entre impulsions est nettement plus long que l'intervalle de temps nécessaire pour une accumulation utile d'énergie dans le gaz. Par 10 conséquent, on pourrait faire varier le Q du laser en fonction des propriétés du gaz à une fréquence plus élevée si l'on pouvait réaliser un dispositif satisfaisant pour faire varier cette quantité Q. La fréquence de récurrence des impulsions peut être encore 15 augmentée si l'on augmente le nombre de faces du miroir tournant, par exemple en utilisant à la place d'un miroir unique un miroir en forme de prisme polygonal. On a utilisé des polygones avec jusqu'à 24 côtés, mais ils sont très coûteux et leurs moments d'inertie sont élevés . Le problème qui se pose est le suivant: com-20 ment augmenter la fréquence de récurrence des impulsions tout en -conservant le temps de séjour nécessaire pour pouvoir émettre avec un laser à gaz des impulsions utilisables. . La présente invention concerne un procédé et un appareillage permettant de faire varier à fréquence très élevée le Q d'un 25 laser à gaz sans abaisser le temps de séjour au-dessous d'un minimum acceptable pour lequel des impulsions utilisables sont émises. Selon l'invention, au lieu de faire tourner un des miroirs d'extrémités de la cavité optique autour d'un axe perpendiculaire à l'axe du résonateur (ou cavité optique), on fait tourner ce mi-30 roir d'extrémité autour d'un axe.formant un angle aigu avec l'axe du résonateur. Le plan de ce miroir terminal est choisi de manière . à former avec l'axe de rotation un angle égal au complément dudit angle aigu, et de manière qu'il soit sensiblement aligné avec l'autre miroir d'extrémité au moins une fois à. chaque tour. 35 Avec l'ensemble ci-dessus, le temps de séjour - ou temps' pendant lequel le miroir se trouve dans un petit angle donné définissant une orientation suffisamment précise pour permettre de rétablir le Q de la cavité - est inversement proportionnel au sinus de l'angle aigu entre l'axe de rotation et l'axe du résonateur. 40 On voit par conséquent que la fréquence de récurrence des impul- COPY 71 29107 3 2102154 sions peut être multipliée par environ 10 par rapport à la fréquence de récurrence maximale possible des impulsions compatibles avec un temps de séjour minimal lorsqu'on fait tourner Içéiiroir autour d'un axe perpendiculaire à l'axe- du résonateur, en choi-5 sissant simplement un angle aigu dont le sinus est voisin de 0,1. La valeur du temps de séjour est définie par les valeurs données dudit angle aigu et de la vitesse de rotation. Si l'on utilise un prisme à plusieurs faces, la fréquence de récurrence des impulsions augmente proportionnellement au nombre desdites 10 faces. D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris à là lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en référence au: dessin annexé . Sur ce dessin : 15 la figure 1 représente schématiquement un laser à gaz, par exemple à COg,'comportant un type ciassique de dispositif réduisant le Q pour produire un fonctionnement par impulsions, la figure 2 représente le laser de' la figure 1 modifié selon l'invention pour pouvoir donner une vitesse de variation du 20 Q considérablement accrue avec un miroir à une seule face; la figure 3 représente une série de formes d'ondes minutées, facilitant la compréhension du fonctionnement de l'appareillage selon l'invention; la figure 4 est une vue en perspective d'un exemple de 25 miroir terminal selon l'invention, comportant quatre faces. La figure 1 représente schématiquement un exemple de laser à gaz 10 et son alimentation associée 11 constituant une source à haute tension pour la décharge dans le gaz. Le laser lui-même peut être un tube en verre cylindrique allongé rempli avec le gaz 30 laser, par exemple un mélange C02 - Ng - He . Les miroirs d'extrémités 12 et 13 définissent un résonateur optique à cavité pour l'émission stimulée de rayonnement par le gaz. On peut choisir un miroir d'extrémité 12 partiellement transparent pour extraire le rayonnement de l'ensemble. L'axe A-A 35 représente l'axe de rayonnement coïncidant avec l'axe d'alignement de la cavité optique, entre les miroirs 12 et 13. Comme l'indique la figure 1, un arbre 14 fait tourner mécaniquement le miroir d'extrémité 13 autour d'un axe B-B afin de faire varier le Q, du laser pour engendrer des impulsions géantes 4q au lieu de faire-fonctionner le laser en onde entretenue. Dans COPY . ? n 29107 4 2102.54 les ensembles classiques, est arbre 14 est perpendiculaire à l'axe A-A du résonateur. Comme l'indique la figure 1:^ l-z uù.v. 13 passe à l'intérieur d'un dièdre de petit angle d"1 ouverture a. Qusi:l ce miroir est à l'intérieur de ee dièdre d'angle ci, le Q de la 5 cavité est suffisamment rétabli pour provoquer l'émission d'ur.-impulsion utilisable. Le temps pendant lequel ce miroir sa tr-uv-k 1fintért^isr f.u "dièdre de tolérance" d'angle a est dénoirsié "tern:-.-* : Si le airoir 13 ?, mi-s stuls faoe la vit£*3^ /:n ^cra-'.'r". " aétermine la fréquence de récurrence des impulsions» 10 II est évident qu'avec l'ensemble ci-dessus , une augmen tation de la vitesse de rotation du miroir diminue proportionnellement le temps de séjour dudit miroir. Par conséquent, la fréquence de récurrence des impulsions est limitée par la valeur du temps de séjour nécessaire pour provoquer l'émission d'une impul-15 sion utilisable. Le fait d'augmenter la fréquence de répétition des impulsions en augmentant la vitesse de rotation du miroir ne peut qu'abaisser le temps de séjour au~dessous du oiniDum nécessaire . Pour remédier à 11 inconvénient sus-mentionné, on envisage,-20 selon l'invention, de fixer le miroir 13 d'extrémité sur un arbre 15 pour le faire tourner autour d'un axe B'-B' formant un angle 9 avec l'axe ds -rayonns-aenA-A* Avec cet agencement, et si le plan du miroir -ast choisi manière à être normal à l'axe A-A au moins une fois pa^ révolution de manière à forcer l'angle oora-25 plëmentaire de ! :.ngl3 e-.L&i a'-rso l•' sze da rotation* !•? t'-raps L; séjour sera augmenté par rapport à celui représenté sur la figur--. 1, si l'on admet que la vitesse de rotation n'a pas changé» On observe cette augmentation du temps de séjour parce que 'a vitesse de balayage est fonction de la composante de la vitesse angulaire 30 perpendiculaire à l'axe du résonateur, qui est proportionnel au sinus de l'angle aigu ©. Dans un exemple particulier, si on choisit l'angle Q égal à 3O0 de manière que son sinus soit égal à 0,5 , tla vitesse de rotation autour de l'axe B'-B' peut être doublée par rapport à 35 celle autour de l'axe B-B de la figure 1, sans modifier le temps de séjour. Cette disposition permet par conséquent de doubler la fréquence de récurrence des impulsions pouijûn laser à gaz et il est bien évident que si l'on diminue encore 0, on peut encore augmenter considérablement la fréquence de récurrence des impulsions. 40 On comprendra mieux ce qui précède en se reportant à la BAD ORIGINAL 71 29107 5 2102154 figure 3 dans laquelle la série 3A de formes d'onde telle que 16 et 17 représente le temps de séjour, c'est-à-dire le temps pendant lequel le miroir se déplace dans le dièdre d'angle a représenté sur la figure 1. En d'autres termes, quand le miroir est placé 5 à l'intérieur de ce dièdre, il est suffisamment proche de sa position correcte par rapport au miroir terminal 12 de la figure -j pour rétablir le Q de la cavité optique et permettre l'émission d'une impulsion laser géante. Comme l'indiquent les formes d'onde 3A de la figure 3, 10 le temps de séjour D est donné par la formule p sin qo° qui exprime que le miroir tourne autour de l'axe B-B perpendiculaire (90°) à l'axe A-A à une vitesse angulaire to = 2 n f. Les formes d'ondes 3B de la figure 3 mettent en évidence l'augmentation du temps de séjour pour la même vitesse angulaire ta quand l'arbre 15 15 ou l'axe de rotation B'-B' est incliné d'un angle de 30° par rapport à l'axe de rayonnement A-A. Le nouveau temps de séjour D' est donné par la formule D' = 2 tc f-sin 30°— et 11 est égal à deux fois le temps de séjour D correspondant•aux formes d'onde 3A. La troisième série 3C de formes d'nnde de la figure 3 20 représente le temps de séjour D" quand la fréquence de récurrence des Impulsions ou la vitesse de rotation de l'arbre 15 de la figure 2 est doublée. On notera qugée nouveau temps de séjour D" est égal au temps de séjour initial D et si ce temps de séjour initial est considéré comme le temps minima^èécessaire pour l'émission 25 d'impulsions utilisables, il est évident que ces impulsions sont émises à une fréquence de récurrence double de celle possible avec la réalisation de la figure 1. Ce temps de séjour D" est donné par „ CL , la formule D" = —:— - - D. Cette nouvelle fréquence de 2 f'.sin.30° récurrence des impulsions est représentée par f' = 2f. 30 La figure 4 représente une réalisation pratique d'un miroir terminal 18 utilisable pour la mise en oeuvre de l'Invention. Comme indiqué, cet ensemble comprend plusieurs surfaces réfléchissantes ou faces du miroir, 19 à 22, définissant une pyramide. La réalisation est telle que si l'axe B'-B' de rotation du mi-35 roir forme un angle 0 avec l'axe A-A de rayonnement, l'angle au sommet de chaque face par rapport à cet axe de rotation définit l'angle complémentaire 90 - © mentionné ci-dessus. Si l'on met en place quatre de ces faces, il est évident que le nombre de tours par minute du miroir nécessaire pour obtenir la fréquence f' de 40 récurrence représentée par le groupe 3C de formes d'ondes de la 71 29107 6 2102154 figure 3 peut être réduit au quart de cette valeur f'. On peut encore augmenter le nombre de faces, par exemple le porter à huit, pour réduire encore le nombre de tours par minute nécessaire pour une fréquence de récurrence des impulsions déterminées. 25 Si l'on fait tourner le miroir de la figure 4 à 120 000 t/mn, on obtient une fréquence de récurrence des impulsions de 8 000 Hz, valeur pour laquelle on extrait la plus grande partie de l'énergie présentçàans le gaz. En variante, le même résultat peut être obtenu avec une pyramide à huit faces qui tourne à 30 60 000 t/mn. FONCTIONNEMENT : Le fonctionnement du laser à gaz selon l'invention est évident d'après ce qui précède. Comme indiqué, le miroir est de préférence monté à l'intérieur de l'enceinte contenant le gaz et 35 on le fait tourner à la vitesse de rotation désirée, fonction de la fréquence de récurrence des impulsions choisies. L'angle 0 entre l'axe de rotation et l'axe A-A du résonateur est choisi de manière à obtenir un temps de séjour suffisant pour la vitesse de rotation choisie. 40 Lorsque la face (ou facette) du miroir se déplace dans 71 29107 2102154 le dièdre d'angle a dans lequel elle est dans une position à peu près correcte par rapport au miroir constituant l'autre extrémité de la cavité optique, le Q de cette cavité est rétabli et une impulsion utilisable est émise. Pour toutes les autres positions du-5 dit miroir, le Q de la cavité est réduit, si bien qu'aucune impulsion n'est engendrée. Il est évidents d8 après la description ci-dessus„ que l'invention apporta un procédé et an appareil pratique pour augsne;a~ ter considérablement la vitesse de variation du Q des lasers à gas 10 sans réduire le temps de séjour nécessaire pour émettre des impulsions d'énergie rayonnante utilisables. Il va de soi que la présente invention a été décrite ci-dessus à titre purement indicatif, mais nullement limitatif et qu@ l'on pourra lui apporter toutes modifications de détail conforme® 15 à son esprit sans sortir de son cadre. 71 29107 s 2102154 REVENDICATIONS 1 - Procédé destiné à faire varier à une fréquence de récurrence élevée donnée le Q d^un laser à gaz, dans lequel l'émission d'une impulsion utilisable exige au moins un temps de se- 5 jour donné pendant lequel le Q de la cavité optique définie entre des miroirs d'extrémités est rétabli, caractérisé par les opérations ci-après : orientation du plan d'un miroir définissant ladite cavité optique de manière à le rendre normal à l'axe de ladite" cavité formant résonateur du laser et rotation dudit miroir t 10 d'extrémité autour d'un axe formant un angle aigu avec ledit axe du résonateur, la valeur dudit angle étant égale à arc sin , relation dans laquelle f est la fréquence de récurrence des impulsions. nécessaires pour obtenir ledit temps de séjour donné quand ledit angle est de 90° et f est ladite fréquence de récur- 15 rence élevée donnée. 2 - Miroir délimitant une extrémité d'une cavité laser, destiné à faire varier le Q, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit miroir est, monté de manière à tourner autour d'un axe formant un angle aigu 20 avec l'axe, du résonateur dudit laser, de manière à pouvoir augmenter la fréquence de récurrence des impulsions tout en assurant un temps de séjour suffisant' pendant lequel ledit miroir est orienté de manière à délimiter ladite cavité optique, pour émettre des impulsions utilisables. 25 3 - Laser à gaz émettant des impulsions à fréquence de récurrence élevée et comprenant-un gaz laser, un bloc d'alimentation en énergie électrique dudit gaz, des miroirs d'extrémités délimitant un résonateur optique à cavité pour ledit gaz laser et -un appareillage pour la mise en oeuvre du procédé selon la reven- 30 dication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif pour faire tourner un desdits miroirs de manière qu'il soit en position correcte, puis en position incorrecte, afin de rétablir et abaisser le Q dudit résonateur optique à cavité, respectivement, à une fréquence de récurrence donnée, ledit dispositif comprenant un sup- 35 port pour faire tourner ledit miroir d'extrémité autour d'un axe reformant un angle aigu avec l'axe dudit résonateur à cavité optique, le plan dudit miroir étant normal audit axe de résonateur au moins une fois au cours d'une révolution dudit support, d panière à former l'angle complémentaire dudit angle aigu par rapport à l'axe 40 de rotation dudit miroir. BAD ORIGINAL C0PY 71 29107 s 21021^4 4 — Laser selon la revendication J>, caractérisé en ce qu'un desdits miroirs d'extrémité comporte plusieurs faces définissant une pyramide, un arbre dont 'l'axe coïncide avec l'axe de rotation dudit miroir et placé perpendiculairement à la base de 5 ladite pyramide, en son centre, tandis que l'angle au sommet de chaque face par rapport audit axe de rotation définit ledit angle complémentaire. 5 - Laser selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit miroir d'extrémité est placé dans ledit gaz laser de ma- 10 nière à pouvoir tourner. COP^