Brevet FR2091869A1 — publié le 19710121

07A16 T 2091869 La présente invention a pour objet un laser métallique, c'est-à-dire un laser tel que son milieu actif soit un plasma comportant des électrons et des ions métalliques . Des transitions laser ont été découvertes au cours des dernières années dans les vapeurs métalliques . Toutefois, les difficultés rencontrées pour maintenir une•distrihution uniforme de la vapeur métallique dans le milieu- actif laser ont rendu très difficile le développement de ces lasers métalliques . Lorsque l'on établit une décharge électrique dans une vapeur métallique contenue dans un tube de gros diamètre, le courant d'ions métalliques vers la cathode est compensé par un effet de rétro-diffusion de ces ions et la distribution de la vapeur métallique à l'intérieur du tube est sensiblement uniforme . Cependant, les diamètres des tubes employés pour la réalisation des lasers sont généralement petits et l'effet de rétrodiffusion, proportionnel au diamètre du tube, -est faible . Il se forme- alors un gradient de concentration relativement important des ions métalliques au voisinage de la cathode, ce qui supprime toute possibilité d'obtenir une émission laser continue . Néanmoins, ces difficultés ont été surmontées dans la réalisation du laser utilisant comme milieu actif un mélange d ' hélium-e.t. de cadmium . Dans ce type de laser, on réalise une décharge électrique dans de l'hélium entre une anode et une cathode . Au voisinage de l'anode se trouve une petite cavité contenant du cadmium métallique .que l'on évapore par chauffage . Le cadmium évaporé est excité par l'hélium et il se forme un courant d'ions de cadmium de l'anode à la cathode . A son arrivée près de la cathode, le cadmium est condensé sur les parois du tube par refroidissement de celles-ci . L'énergie maximale de sortie de ce type de laser, dépend de,.la densité maximale des ions cadmium contenus dans la décharge électrique . La conception même de ce laser limite la densité de courant des ions de cadmium et, de ce fait, l'énergie maximale de sortie . De plus, le changement de longueur d'onde de la lumière émise ne peut se faire qu'en modifiant les caractéristiques optiques des miroirs constituant la cavité résonnante . L'invention propose un laser métallique correspondant mieux que ceux de l'art antérieur aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il est d'un emploi très commode, en particulier pour le changement de la.longueur d'onde de l'émission 70 07416 2091869 lumineuse, et en ce que la- puissance de sortie peut.être élevée . De façon plus précise, 1'invention.propose un laser métallique comportant une enceinte dans laquelle on introduit .un gaz ou un mélange de gaz sous pression réduite,, -et comprenant 5. une anode et une cathode, deux miroirs situés de part et d'autre de ladite enceinte et formant une cavité résonnante et des moyens pour établir une différence:de potentiel entre ladite ano de et-ladite cathode, ladite enceinte étant - fermée à ses deux extrémités par deux fenêtres situées dans l'axe de ladite cavité 10 caractérisé en ce que ladite cathode est constituée par une rai nure rectiligne ouverte à ses deux extrémités, percée dans un . bloc, de profondeur supérieure à sa largeur et.d'axe confondu avec ledit axe de ladite cavité, les parois de ladite rainure étant électriquement . conductrices, et en ce que les ions du-plas 15 ma constituant le milieu actif laser sont des ions métalliques arrachés aux parois de ladite rainure . L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de deux modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs . La description se ré-20 fère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels : - la .fig. 1 représente schématiquemenf ' un laser métal lique conforme à l'invention et - la fig. 2 représente les éléments essentiels d'une variante de réalisation de l'invention . 25 L'enveloppe du laser représenté sur la fig. 1 est constituée d'un tube en verre 2 fermé à ses deux extrémités par deux fenêtres 4, placées sous incidence de Brewster . Dans l'axe de ce tube et à chaque extrémité, se trouvent deux miroirs 6 et B, l'un étant à réflexion totale et l'autre semi-transparent, 30 formant une cavité résonnante . Ces éléments sont analogues aux dispositifs de l'art, antérieur . Le tube 2 contient une catha-, de 10 et une anode 12 . La cathode 10 est constituée d'un bloc métallique dans lequel on a usiné sur toute sa longueur une rainure rectiligne ouverte à ses deux extrémités et de profondeur 35 supérieure à sa largeur . L'axe de cette rainure est confondu avec l'axe du tube 2 ainsi qu'avec l'axe de la cavité résonnante constituée par les miroirs 6 et 8 . La cathode décrite n'est qu'un, exemple de réalisation . D'une façon générale,, la cathode B. 3502-3 HD 70 07416 2091869 est constituée d'un bloc dans lequel on a percé une rainure ouverte à ses deux extrémités et dont les parois sont électriquement conductrices . Le bloc peut être en un matériau métallique ou isolant électrique et, dans ce dernier cas, les parois de la rainure sont recouvertes partiellement ou totalement d'une couche métallique . Cette couche, ainsi que le bloc métallique, sont constitués d'un seul métal ou d'un alliage . La rainure a des parois lisses et une profondeur supérieure à sa largeur . La cathode est refroidie par une circulation de fluide réfrigérant pénétrant en 14 par une canalisation percée à l'intérieur du bloc constituant la cathode et sortant en 16 . L'anode est un conducteur rectiligne placé parallèlement à la rainure . Une source de tension 1B permet d'établir une différence de potentiel variable entre l'anode 12 et la cathode 10 . Sur la fig. 1t), qui représente une coupe suivant la flèche A du dispositif de la fig. 1a., la rainure 20 a une profondeur supérieure à sa largeur et ses parais sont arrondies dans le fond de la- rainure . La canalisation 22 percée dans le bloc métallique parallèlement à la rainure 20 permet le refroidissement de la cathode . L'anode 12 est située au-dessus de la rainure 20. Sur la fig. 2, qui représente en perspective différents éléments d'un laser-métallique conforme à l'invention, la cathode 10 est constituée d'un bloc métallique dans lequel on a percé sur toute sa longueur une rainure 20 de section rectangulaire et de profondeur supérieure à sa largeur . Ses parois sont lisses . Deux miroirs 6 et 8, l'un sphérique, l'autre plan, sont placés suivant l'axe de la rainure 20 et forment une cavité résonnante . L'anode 12 est constituée de trois conducteurs rectili-gnes parallèles entre eux et à la rainure 20 et disposés au-des-sus de la rainure . Une source de tension 18 permet d'alimenter successivement à des tensions différentes chacun des trois conducteurs . Une couche métallique 24 a été déposée, par exemple par évaporation thermique sous vide, dans le fond de la rainure 20 . Le métalj l'alliage ou le composé constituant la couche 24 et le bloc métallique sont différents . La couche 24 peut recouvrir également les parois latérales de la rainure 20 . Lorsque la tension appliquée entre l'anode et la cathode est suffisamment élevée, des ions métalliques sont arrachés aux parois de la rainure ce qui donne lieu à la formation B. 3582-3 HD 70 07416 2091869 d'un plasma constituant le milieu actif laser . La profondeur de la rainure étant supérieure à sa largeur et ses parois étant exemptes d'aspérités, le plasma reste confiné dans la rainure • Les ions sont issus du métal formant les parois de la rainure 5 et, de ce fait, ils peuvent être soit des ions du métal, de l'alliage ou du composé, formant le bloc métallique dans lequel est percée la rainure, soit des ions de la couche 24 . Du fait de la forme de la cathode et des moyens utilisés pour créer le plasma, celui-ci peut être de grande densité et de longueur 10 importante . Il est avantageux, mais non nécessaire, que les li gnes de champ électrique entre l'anode et la cathode soient perpendiculaires à l'axe de la rainure 20 . La source 18 fournit une tension électrique continue ou modulée . La valeur de cette tension peut être faible : elle dépend du potentiel d'extraction . 15 des ions, de la géométrie de l'ensemble anode-cathode et de la puissance et de la longueur d'onde du faisceau laser que l'on désire obtenir . En modifiant la valeur de la tension électrique appliquée entre l'anode et la cathode, on obtient des plasmas de 20 température et de densité différentes . De ce fait, les niveaux d'énergie des ions métalliques excités ne sont pas identiques suivant la valeur de cette tension et il en est de même des inversions de population qu'il est possible d'obtenir dans le plasma formé . Si les miroirs 6 et 8 utilisés sont à large ban-25 de, la longueur d'onde d'émission du laser peut être modifiée par simple variation de la tension de polarisation anode-cathode. C'est ainsi qu'à l'aide d'un laser métallique conforme à l'invention, dont la cathode était identique à celle représentée sur la fig. 2 et constituée d'un bloc en acier inoxydable 30 dans lequel était percé sur toute sa longueur une rainure au fond de laquelle on avait déposé une lame de cadmium, on a observé trois émissions lasers de longueurs d'onde différentes pour trois valeurs distinctes de la tension anode-cathode et une pression d'hélium de l'ordre de 6 mbars . Ces émissions avaient pour 35 longueur d'ondes 4416 Angstroms, 5337 Angstroms et 6360 Angs troms correspondant aux trois conditions expérimentales respectives suivantes : tension anode-cathode d'environ 320 V, 280 V et 260 V et courant électrique voisin de 2,9^, 2,5'A et 1,7^ . Si B. 3582-3 HD 70 07416 5 2091869 la tension de polarisation appliquée entre l'anode et la cathode prend alternativement ces trois valeurs, ce qui est facilement réalisable à l'aide d'une source de tension 18 modulée, on obtient à la sortie du laser un faisceau lumineux dont la longueur d'onde varie avec la même fréquence que la fréquence de la modulation de -la tension de polarisation . Un laser métallique conforme à l'invention peut donc être avantageusement utilisé pour la reproduction d'une image en couleurs sur grand écran, par exemple pour un récepteur de télévision'. Dans ce dernier cas, le signal vidéo-fréquence de télévision peut commander la tension de polarisation anode-cathode, soit directement,soit par l'intermédiaire d'une grille . - La puissance de sortie du faisceau laser peut être élevée puisque le plasma formé à l'intérieur de la rainure peut être de grande longueur et de densité élevée . .„.. On peut encore obtenir un laser à deux faisceaux avec une cathode comportant deux rainures orientées suivant deux axes différents . Il va sans dire que la présente invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemples et que la portée du présent brevet s'étend à tout ou partie des dispositions-restant dans le cadre des équivalences, ainsi qu'à toutes applications de telles dispositions . ~ En particulier, la section de la rainure et l'anode peuvent avoir des formes variées et différentes de celles représentées sur les fig. 1 et 2 . Il est également possible de disposer entre l'anode et la cathode une grille formée d'un conducteur relié à un potentiel électrique variable par rapport à la tension de polarisation anode-cathode . Cette grille permet de retarder à volonté l'instant d'apparition du plasma et de modifier l'énergie des ions formés . B. 3582-3 HD 70 07416 s 2091869 REVENDICATIONS 1D) Laser métallique comportant une enceinte dans laquelle on introduit un gaz ou.un mélange de gaz sous pression réduite -et comprenant une anode et une .cathode,. deux miroirs si-5 tués de part et d'autre de ladite enceinte ou à l'intérieur de celle-ci et formant une cavité résonnante et des moyens pour établir une différence de. potentiel entre ladite anode et ladite cathode, ladite enceinte étant fermée à ses.deux extrémités par deux fenêtres situées dans l'axe de ladite cavité, caracté-10 risé en ce que ladite cathode est constituée par une rainure reo- tiligne ouverte à ses deux extrémités, percée dans un bloc, de profondeur supérieure à sa largeur et d'axe confondu avec ledit axe de ladite cavité, les parois de ladite rainure étant électriquement conductrices, et en ce que les ions du plasma crinsti-15 tuant le milieu actif laser sont des ions métalliques arrachés aux parois de ladite rainure . 2°) Laser suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite rainure est percée dans un bloc métallique . 3°) Laser suivant la revendication 1, caractérisé en 20 ce que ledit bloc est réalisé en une substance électriquement isolante, au moins une partie des parois de ladite rainure percée dans ledit bloc étant recouverte d'une couche métallique . 4°) Laser suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins une partie des parais de ladite rainure est re-25 couverte d'une couche constituée d'au moins un métal ou un com posé dudit métal de nature différente du bloc métallique . 5°) Laser suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ledit bloc métallique est réalisé en acier inoxydable et ladite couche métallique en cadmium . 30 6°) Laser suivant l'une des revendications 1 à 5, ca ractérisé en ce que ladite anode est constituée d'un conducteur électrique rectiligne disposé parallèlement à ladite rainure et situé au-dessus de ladite rainure . 7°) Laser suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite anode est constituée de plusieurs conducteurs électriques rectilignes disposés parallèlement entre eux et à ladite rainure et situés au-dessus de ladite rainure . 8°) Laser suivant l'une des revendications 1 à .7 35 B. 3582-3 HD 70 Q7k16 7 2091869 caractérisé en ce que la section de ladite rainure, perpendiculairement à son axe, a une forme rectangulaire . 9°) Laser suivant l'une des revendications précéden tes, caractérisé en ce que le fond de ladite rainure est plus large que le haut „ 10°) Laser suivant l'une des revendications précéden tes, caractérisé en ce que la cathode" comporte deux rainures orientées suivant deux axes différents • B. 3582-3 HD