Brevet FR2067343A1 — publié le 19710820

i 2067343 Cette invention concerne les dispositifs à laser destinés à la production de lumière. Dans la mise en oeuvre des lasers à l'azote et au néon de la technique antérieure, à impulsions électriques, les 5 inductances du circuit de décharge servant à fournir un champ électrique à impulsions pour actionner le laser, conduisaient à la limitation du courant de décharge, et les pannes des câbles à haute tension faisant partie du circuit de décharge constituaient un incident courant. De plus, dans les lasers sus-mentionnés 10 de la technique antérieure le courant de décharge était limité à une valeur matériellement inférieure à celle qui apparaîtrait si elle n'était limitée que par la résistance de décharge de la cavité du laser. En particulier, il a été révélé un type de laser à champ 15 transversal, dans lequel l'énergie électrique passe d'un condensateur (chargé par une source de haute tension classique), en traversant plusieurs câbles de transmission à faible inductance, à une électrode supérieure qui s'étend le long de la région ou cavité active » Un canal en forme de U sert à la fois de support 20 structurel pour le dispositif et d'autre électrode . La décharge a lieu entre les parois latérales du diélectrique. Sur les courtes échelles de temps qui sont exigées par ces lasers, la répartition initiale du courant est essentiellement déterminéepar 1* inductance et, en fonctionnement normal, n'est pas sujette, par exemple, 25 à des pannes dues à un point d'arc ou à un point chaud, et en particulier, à une défaillance d'un ou plusieurs des câbles de transmission à haute tension montés en parallèle, des décharges tout à fait uniformes peuvent se produire sur toute la longueur du canal. 30 Cependant, comme la répartition du courant est essentiellement déterminée par l'inductance, il est nécessaire que les câbles de transmission à haute tension aient une inductance aussi faible que possible. Ceci contribue à la défaillance des câbles, et ce problème est plus marqué pour les hautes fréquences de répétition 35 des impulsions. Evidemment, à mesure que la fréquence de répétition des impulsions s'accroît, la possibilité d'une défaillance des câbles s'accroît au moins proportionnellement. La présence de câbles de transmission à haute tension entraîne aussi une exposition indésirable à la haute tension employée (typiquement 40 de 20 kV) et un degré assez important de rayonnement parasite 70 41176 2 2067343 à haute tension puisque chacun des câbles tend aussi à fonctionner comme une antenne. C'est un but général de la présente invention de surmonter les caractéristiques gênantes sus-mentionnées cor&atées dans les 5 lasers gazéux de la technique antérieure, en fournissant un dispositif à laser qui est à la fois simple et peu coûteux à fabriquer et qui présente un rendement et une fiabilité accrus par rapport aux dispositifs antérieurs connus. Un autre but de cette invention est de fournir un laser à 10 gaz destiné à la production de lumière à de hauts niveaux de puissance de sortie, laser qui emploie un circuit de décharge amélioré de façon à fournir un champ électrique à impulsions au milieu de décharge gazeux. Selon l'invention, il est fourni un dispositif à laser 15 à impulsions destiné à la production de lumière, qui comprend : des moyens délimitant une cavité allongée à a::e longitudinal; un moyen pour alimenter ladite cavité avec un gaz ayant au moins deux niveaux d'énergie, au-dessus du niveau d'énergie fondamental,chna, lesquels la fréquence nette d'excitation, pour le plus haut des 20 deux niveaux supérieurs, est plus grande que la fréquence nette d'excitation pour le plus bas des deux niveaux d'énergie au cours de la décharge électrique dans ledit gaz; et un premier et un second moyens électrodes, disposés face à face et communiquant avec ladite cavité pour appliquer un cahmp électrique ù 25 ladite cavité normalement à - et le long de - ledit axe longitudinal de façon à produire une inversion entre les deux niveaux d'énergie supérieurs dudit gaz, dispositif dans lequel il est prévu un circuit de décharge comprenant un moyen d'entrée à raccorder à une source de haute tension, un condensateur 30 accumulateur qui raccorde ledit premier moyen électrode et ledit moyen d'entrée, un second moyen condensateur raccordé auxdits premier et second moyens électrodes, et des moyens comprenant un moyen de commutation pour charger successivement ledit condensateur accumulateur puis coupler la charge dudit condensateur 35 accumulateur audit second moyen condensateur de façon à provoquer une décharge électrique dans ledit gaz. Pour que l'invention puisse être parfaitement comprise, on va maintenant la décrire en se reportant aux dessins annexés, dans lesquels : 40 La Figure 1 est une vue en perspective d'un mode de réalisation 70 41176 3 2067343 de l'invention, prise partiellement en coupe et montrant en détail des parties de l'invention; La Figure 2 est un schéma montrant le circuit électrique gui est employé dans le dispositif de la Figure 1; et 5 La Figure 3 est un schéma du circuit de la Figure 2 tout de suite après que le thyratron commence à redresser Reportons-nous aux dessins, et en particulier à la Figure 1 t Il y est représente un dispositif à laser généralement désigné par le nombre 10 qui peut être fixé à - et enfermé dans - une enceinte 10 protectrice (non représentée). Le dispositif lo comprend une embase 11 qui peut être fixée à l'enceinte sus-mentionnée. L'embase 11 est un élément en forme de U fabriqué avec un matériau conducteur approprié quelconque, tel que l'aluminium, ayant deux parties latérales lia et 11b et une partie inférieure 15 ou anee 11c qui les* relie. A l'intérieur de l'embase 11, qui sert également d'électrode , est disposé un couple de parois latérales 12a et 12b fabriquées avec un matériau isolant approprié tel que le quartz ou le verre résistant à la chaleur. Les parties les plus extérieures 20 des éléments parois latérales 12a et 12b ont un rebord relativement mince qui s'étend vers le haut. Un élément électrode 13 formé d'aluminium ou d'un matériau similaire est supporté par les parois latérales et disposé entre les rebords sus-mentionnés, s'étendant vers le haut, des éléments parois latérales 12a et 12b. Outre 25 qu'il est supporté en contact d'ajustement mutuel entre les parois latérales, l'élément électrode 13 sert à maintenir espacées les parois latérales, et les rebords des éléments 12a et 12b empêchent la formation d'arcs entre l'élément électrode 13 et l'embase 11. Plusieurs éléments de séparation 14, ou bien une partie à gradins, 30 peuvent être prévus à l'intérieur de l'embase 11 pour maintenir espacées les parties inférieures des parois latérales. L'espace ainsi ménagée entre les parois latérales forme un conduit ou cavité 15 allongé et relativement mince, s'étendant du voisinage d'une extrémité du dispositif à laser 10 à son extrémité opposée. 35 Un couple de tubes 16 et 17 d'alimentation en gaz est prévu dans la partie inférieure 11c et l'embase 11, et eee tubes forment des passages d'entrée et de sortie de gaz dans la partie inférrieuï.-e 11c de façon à permettre à un gaz de circuler dans la cavité 15. Un couple de panneaux transparents 18 et 19 est disposé près 40 de chaque extrémité des parois latérales et sert à obturer 10 41176 4 2067343 les extrémités de la cavité. Les panneaux 18 et 19 sont transparents à la lumière pour la longueur d'onde du rayonnement produit dans la cavité. Les panneaux 18 et 19 peuvent être fabriqués en quartz ou autre matériau bien connu ayant les propriétés voulues 5 telles qu'elles sont établies. Il faut noter ici que la cavité 15 est généralement maintenue à une pression autre que la pression atmosphérique, par exemple à environ 15-25 torr , pendant le fonctionnement du dispositif à laser 10. Ce qui est évident, par conséquent, c'est qu'il est lo nécessaire de rendre étanche à la pression les moyens qui forment la cavité 15. Les diverses surfaces de contact entre les parois latérales et l'embase 11, l'élément électrode 13, et les panneaux 18 et 19 sont donc rendus étanchespar un mastic ou un matériau d'étanchéité approprié de façon à former au moins une enceinte 15 relativement hermétique dans la cavité 15. Reportons-nous encore à la Figure 1 : près du panneau translucide 19 il est prévu un miroir 21 disposé de façon réglable, de préférence d'un type aluminisé, et qui est monté de façon réglable et conventionnelle de façon à établir la perpendicularité 20 avec l'axe longitudinal de la cavité 15. Un moyen couvercle 22 et des éléments de support rectangulaires 23 s'étendent sur toute la longueur de l'embase 11. Un élément cylindrique 24 est supporté par l'élément 22, ledit élément 24 étant fixé audit élément 22 par an élément toroïdal 25. 25 Les éléments 22, 23 et 24 supportent et protègent les composants disposés à l'intérieur et forment un trajet de retour pour le courant de décharge, qui est décrit plus complètement ci-après. L'élément de support 24 est fixé à - et en contact électrique avec -l'embase 11 au moyen de vis,, si bien qu'on peut facilement le 30 retirer pour le réparer. L'élément électrode 13 est raccordé électriquement à un condensateur d'accumulation d'énergie 26, à plusieurs condensateurs secondaires 27, et à une résistance 28, de la manière suivante. A l'intérieur du moyen couvercle 22 et des moyens de support 23 35 sont disposés plusieurs condensateurs secondaires 27. Les condensateurs secondaires 27 peuvent être du type classique avec une borne filetée supérieure 29 conçue pour recevoir une vis 31, et un couple de goujons filetés 32 dont l'un (de préférence le goujon intérieur) constitue l'autre borne. Les condensateurs 27 40 sont supportés par - et fixés à - l'élément 23 par les 70 41176 5 2067343 goujons filetés 32. Une plaque électriquement conductrice 33, qui s'étend par dessus et recouvre l'électrode 13 est supportée par - et raccordée électriquement à - la borne supérieure 29 des condensateurs 27 par des vis 31. Une longueur de plaque 34 à 5 doigts élastiques s'étendant le long de l'électrode 13 assure la connexion électrique entre la plaque 33 et l'électrode 13. Le condensateur d'accumulation d'énergie 26, à diélectrique de mica, qui est disponible dans le commerce, et qui est de préférence pourvu d'une borne filetée à une extrémité (non représentée), 10 est typiquement supporté par - et en contact électrique avec -la plaque 33 par l'intermédiaire de la borne filetée. Au dessus du condensateur accumulateur 26 est disposé un moyen de commutation 35 tel que, par exemple, un thyratron à hydrogène type 1802 fabriqué par Edgerton, Germeshausen & Grier, Inc. Le condensateur 15 accumulateur et le thyratron sont disposés dans un élément cylindrique 24, la plaque 33 étant espacée et électriquement isolée des éléments de support 23 et du moyen couvercle 22. L'une des bornes du moyen de commutation 35 est raccordée à la borne non filetée du condensateur accumulateur 26 tandis que la 20 borne opposée du moyen de commutation est raccordée à la base de l'élément cylindrique 24. Les condensateurs secondaires peuvent être agencés par couples disposés face à face suivant la longueur de la cavité, parallèles l'un à l'autre, et espacés suivant la longueur du 25 canal, comme représenté, en formant, par exemple, vingt-et-un couples de condensateurs sur une longueur d'environ 90 centimètres. La résistance 28 est montée en parallèle avec les condensateurs secondaires 27. Les condensateurs secondaires doivent avoir une taille suffisante pour accumuler assez d'énergie pour créer une 30 inversion dans le milieu gazeux à action de laser à l'intérieur de la cavité 15 lorsque le moyen de commutation ou thyratron 35 est déclenché par un circuit de déclenchement 36 (voir la Figure 2) qui commande la fréquence de répétition du laser. Le condensateur accumulateur 26 peut être un condensateur à diélectrique de mica SS disponible dans le commerce, de taille suffisante pour accumuler la charge de haute tension qui est nécessaire pour charger les condensateurs secondaires 27. Le condensateur d'accumulation d'énergie 26 est chargé à partir d'un circuit réseau de charge comprenant une résistance 37 et une inductance 38. Le circuit de 40 charge est couplé à une source 39 de haute tension qui fournit, 70 41176 6 2067343 par exemple, 20 kilovolts. Le circuit de charge opère en laissant le dispositif à laser fonctionner à une faible fréquence de répétition d'une impulsion unique, ou bien répétitivement jusqu'à des fréquences de 100 impulsions par seconde ou plus, Les valeurs S de la résistance 37 et de l'inductance 38 sont choisies compatibles avec la plus grande fréquence de répétition à laquelle le circuit est destiné à fonctionner» La résistance 37 et l'inductance 38 servent aussi d'éléments isolants entre la source de haute tension 39 et le reste du circuit. La résistance 37 qui est employée dans 10 le mode de réalisation préféré était de 250 kilo-ohms et l'inductance 38 était de 100 henry* Dans les dispositifs à laser de la technique antérieure, du type à champ transversal, des douilles de haute tension montées dans un élément couvercle sont raccordées à plusieurs 15 câbles de transmission coaxiaux ou à haute tension. L'une des extrémités de ces câbles montés en parallèle est couplée électriquement, »:ay l'intermédiaire des douilles sus-mentionnées, à intervalles réguliers, à l'électrode supérieure, leur autre extrémité étant couplée, par l'intermédiaire d'un éclateur asservi 20 ou thyratron, à un condensateur accumulateur, généralement un banfc de condensateurs. L'énergie nécessaire au banc de condensateurs est fournie par une source de courant continu à haute tension qui est monté en série avec une résistance chutrice. Les câbles de transmission à haute tension sont mis à la terre 25 par l'intermédiaire de l'élément couvercle et servent à compléter le circuit dans l'élément couvercle et l'élément embase jusqu'au milieu gazeux qui se trouve dans la cavité. Reportons-nous maintenant à la Figure 2, considérée conjointement à la Figure 1 : On constate que plusieurs condensateurs 30 secondaires 27, séparés l'un de l'autre par des distances sensiblement égales, sont couplés en parallèle aux bornes de la cavité 15, tout en étant montés en parallèle sur l'électrode 13 et l'élément embase 11, comme le montre la Figure 2, de même que la résistance 28. Les condensateurs secondaires 27 montés en 35 parallèle sont à leur tour raccordés, par l'intermédiaire du condensateur 26 d'accumulation d'énergie,à la plaque 41 d'un thyratron 42. La grille de commande 43 du thyratron 42 est couplée à un circuit de déclenchement classique 36, et la cathode 44 du thyratron 42 est reliée à la terre, de même que l'élément 40 embase IL La plaque 41 du thyratron est couplée, par un réseau 70 41176 7 2067343 de charge formé par une résistance 37 et une inductance 28 montées en série, à la source 39 de haute tension . La source 39 de haute tension et le circuit 3e déclenchement 36 sont reliés à la terre en complétant ainsi les circuits haute tension et déclenchement. 5 La valeur de la résistance 28 qui est montée aux bornes de la cavité 15 est choisie grande par rapport à la résistance du gaz pendant la décharge, et petite par rapport à la valeur de la résistance 37. Comme déjà signalé, un thyratron approprié est, par exemple, un thyratron à hydrogène type 1802 fabriqué par 10 Edgerton, Germeshausen & Grier, Inc. Le condensateur 26 d'accumulation d'énergie doit, par exemple, avoir une inductance d'environ cinq nanohenry ou moins, une capacité d'environ 12.000 picofarads à 20 kV de façon que la charge qu'il emmagasine soit suffisante pour charger les condensateurs secondaires 27, montés aux bornes 15 de la cavité 15, à la tension nécessaire pour dissocier le gaz qui se trouve dans la cavité 15. Les condensateurs 27 doivent bien entendu, comme indiqué ci-dessus, avoir une capacité telle que, lorsque la charge emmagasinée par le condensateur 26 s'y décharge du fait de l'actionnement du thyratron 42, ils se 20 déchargent à leur tour uniformément dans le gaz de la cavité 15 et le dissocient. Dans un circuit tel que celui de la Figure 2t si la capacité des condensateurs 27 qui sont montés aux bornes de la cavité 15 est égale à zéro, le dispositif ne fonctionne pas de façon satisfaisante, ou même pas du tout. Par contre, si ces 25 condensateurs sont de trop grande dimension, il n'est pas possible de dissocier le gaz qui se trouve dans la cavité 15 du fait de l'impossibilité d'accumuler une tension assez haute pendant chaque impulsion, il existe toutefois un rapport optimal entre la taille des condensateurs secondaires 27 et la taille du 30 condensateur accumulateur 26. Ce rapport optimal est de 0,8 environ. Le circuit qui est représenté sur la Figure 2 minimise les effets de la limitation du courant existants dans le dispositif sus-mentionné de la technique antérieure. Sur la Figure 3 est 35 représenté le circuit équivalent pendant la commutation du thyratron 42 de la Figure 2. Sur la Figure 3 une source de tension V en courant continu représente la charge du condensateur accumulateur 26 désigné par C^; la tension v, variable avec le temps, représente la chute anodique du thyratron 42; l'inductance 40 L^ représente l'inductance - série équivalente du thyratron 42 et 70 41176 8 2067343 du condensateur accumulateur C^; l'inductance L2 représente l'inductance - série équivalente des condensateurs secondaires désignés par C2; L3 représente l'inductance - série équivalente de l'ensemble du laser; et la résistance variable r représente 5 la résistance- du milieu gazeux dans la cavité 15. Immédiatement après que le thyratron commence à redresser le courant, le courant i^—i^^ et la tension aux bornes des condensateurs secondaires est égale à zéro, tandis que la résistance r du gaz est pratiquement infinie. De plus, immédiatement 10 après que le thyratron commence à redresser le courant, le condensateur secondaire C2 commence à se charger, le courant i2 restant pratiquement égal à zéro puisque la résistance du milieu gazeux qui se trouve dans la cavité 15 est très grande jusqu'à ce que la tension aux bornes du condensateur secondaire 15 C2 atteigne une valeur suffisante pour provoquer la dissociation du gaz. A la dissociation du milieu gazeux dans la cavité 15, le condensateur secondaire C2 se décharge dans le milieu gazeux par les inductances équivalentes L2 et • En choisissant convenablement le condensateur secondaire C2 et en construisant 20 le canal du laser comme représenté et décrit ci-dessus, on peut faire que les inductances équivalentes L2 et sont matériellement inférieures à l'inductance équivalente du thyratron et du condensateur accumulateur. Si les inductances du circuit sont prévues comme décrit ci-dessus, il sera fourni 25 un courant maximal de laser sensiblement plus grand que le courant maximal dans le thyratron. De plus, le courant maximal du laser aura également un temps de montée sensiblement plus court que celui que sinon le thyratron et l'inductance équivalente permettraient. 30 Si seule la résistance 37 est prévue, le circuit décrit ci-dessus fonctionne de façon satisfaisante en ne permettant qu'un fonctionnement par impulsion unique ou un fonctionnement par impulsions à une faible fréquence de répétition. Par contre, si seule l'inductance 38 est prévue, le circuit fonctionne de façon 35 satisfaisante en ne permettant qu'une fréquence d'impulsions répétitive, et la haute tension exigée est réduite approximativement de moitié» Une combinaison appropriée de résistance et d'inductance fournit un réseau de charge monté en série qui permet le fonctionnement sur une impulsion unique ou bien sur 40 une haute fréquence de répétition (100 impulsions par seconde) 70 41176 9 2067343 et avac une source d'énergie à tension fixe. Il est préférable que la combinaison de résistances et d'inductances formant le réseau de charge en combinaison avec le condensateur d'accumulation d'énergie,soit choisie de façon à former un circuit à amortissement 5critique. Tel qu'il est utilisé ici, le terme "à amortissement critique" signifie que les paramètres du circuit sont choisis tels que le condensateur accumulateur se charge, au moins sensiblement, à la tension totale d'alimentation dans l'intervalle de temps entre les impulsions, au moins sans dépassement balistique 10substantiel ou amortissement substantiel.- 70 41176 10 2067343 REVENDICATIONS 1.- Un dispositif de laser à impulsions destiné à la production de lumière, comprenant s un moyen qui forme une cavité allongée à axe longitudinal; un moyen destiné à alimenter ladite cavité' 5 avec un gaz ayant au moins deux niveaux d'énergie au-dessus du niveau d'énergie fondamental, la fréquence nette d'excitation pour le plus haut des deux niveaux supérieurs étant plus grande que la fréquence nette d'excitation pour le plus bas des deux niveaux d'énergie pendant la décharge électrique dans ledit gaz; et un premier et un second moyens électrodes, disposés face à face, communiquant avec ladite cavité pour appliquer un champ électrique à ladite cavité normalement au - et le long du - dit axe longitudinal de façon à produire une inversion entre les deux niveaux d'énergie supérieurs dudit gaz, dispositif caractérisé par le fait qu'il est prévu un circuit de décharge comprenant un moyen d'entrée destiné à être raccordé à une source de haute tension, un condensateur accumulateur qui couple ledit premier moyen électrode et ledit moyen d'entrée; un moyen condensateur secondaire couplé auxdits premier et second moyens électrodes, et un moyen incluant un moyen de commutation pour, successivement, charger ledit condensateur accumulateur puis coupler la charge dudit condensateur accumulateur audit moyen condensateur secondaire de façon à provoquer une décharge électrique dans ledit gaz. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait 2 *5 que le moyen condensateur accumulateur et le moyen condensateur secondaire sont portés par le moyen qui forme la cavité allongée. ,3.- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le moyen condensateur secondaire comprend plusieurs condensateurs raccordés au premier et au second moyens électrodes en des points respectivement différents sur la longueur desdits moyens électrodes. 4.- Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que le rapport entre la capacité du moyen condensateur secondaire et la capacité du condensateur accumulateur est de 35 0,8 environ. 5.- Dispositif selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, caractérisé par le fait que des moyens résistances sont couplés au premier et au second moyens électrodes, et que le moyen d'entrée comporte un réseau de charge à amortissement critique formé d'au moins 40 une résistance et une inductance montées en série. 70 41176 ii 2067343 6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la valeur du moyen résistance qui est couplé au premier et au second moyens électrodes est grande par rapport à la résistance du gaz pendant la décharge dans le gaz, et est 5 petite par rapport à la résistance du réseau de charge. 7.- Dispositif selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé par le fait que le condensateur accumulateur, le moyen de commutation et le moyen condensateur secondaire sont portés par le moyen qui forme la cavité et en sont très voisins, 10 le moyen qui forme la cavité faisant partie, au moins partiellement, du circuit électrique entre le moyen condensateur secondaire et le second moyen électrode. 8.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la source de haute tension fournit une tension assez 15 haute pour dissocier le gaz dans la cavité, que le condensateur accumulateur est monté en série entre le premier moyen électrode et le moyen d'entrée, que le second moyen condensateur secondaire a une capacité sensiblement moindre que celle du condensateur accumulateur, et que le moyen de charge successive petit charger le 20 condensateur accumalstcur à une tension suffisante pour provoquer une dissociation du gaz dans la cavité. 9.- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que des moyens résistances sont couplés au premier et au second moyens électrodes, le second moyen électrode comprenant 25 un élément électriquement conducteur, sensiblement en forme de U, avec deux parties branches et une partie anse qui relie entre elles lesdites parties branches, ladite partie anse formant un côté de la cavité et étant disposée normalement au champ électrique, le premier moyen électrode formant un côté de la 30 cavité opposé à ladite partie anse, et un couple d'éléments électriquement non conducteurs recouvrant la surface interne de chacune des deux parties branches et s'étendant entre le premier moyen électrode et ladite partie anse, et que des moyens de support électriquement conducteurs sont portés par le second 35 moyen électrode et sont en contact électrique avec lui, le moyen condensateur secondaire comprenant plusieurs condensateurs portés par les moyens de support au voisinage étroit des premier et second moyens électrodes, chacun desdits plusieurs condensateurs étant raccordé électriquement au premier et au 40 second moyens électrodes en des points respectivements différents 70 41 176 12 2067343 de leur longueur. 10.- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le condensateur accumulateur et le moyen de commutation sont portés par les moyens de support au voisinage étroit du 5 moyen condensateur secondaire.-