Brevet FR2059748A1 — publié le 19710604

La présente invention concerne des électrodes de pompage destinées à l'excitation transversale de lasers à gaz moléculaire. La demande de brevet canadien n° 017,844f déposée le 19 avril!968 au nom de Jacques Beaulieu décrit des procédés de pompa-5 ge de lasers à gaz moléculaire dans lesquels des impédances séparées sont associées à plusieurs électrodes ponctuelles pour agir sur les arcs qui se forment entre les diverses électrodes et une grande contre-électrode unique (figure 3 de la demande susmentionnée). Il va de soi que chaque impédance représente une perte de 10 puissance dans les circuits d'arcs, diminuant ainsi le rendement de l'appareillage de pompage. Un dispositif stabilisateur pour chaque arc augmente par ailleurs considérablement la complexité de l'appareillage destiné à exciter ou pomper le gaz du laser. On a observé que les impédances individuelles de stabilisa-15 tion" peuvent être supprimées à condition que l'ensemble d'électrodes contienne une surface étendue à gradient de potentiel constant et que ce gradient ne soit dépassé en aucun point de l'ensemble d'électrodes avant qu'une décharge électrique ne se produise. La présente invention concerne un ensemble perfectionné d'électrodes 20 pour exciter ou pomper un laser à gaz moléculaire qui n'exige pas d'impédance stabilisatrice pour assurer un fonctionnement correct. Un tel ensemble d'électrodes peut être alimenté par un dispositif accumulateur d'énergie électrique, par exemple un condensateur chargé de capacité C prédéterminé-e. La capacité d'un tel conden-25 sateur doit être en corrélation avec l'énergie d'excitation de l'ensemble de pompage. On sait que l'énergie accumulée dans un 2 ' condensateur est égale à 0,5 CV , V étant la tension aux bornes dudit condensateur. Par conséquent, en modifiant la tension appliquée au condensateur et sa capacité, on connaît la quantité d'éner-30 gie totale obtenue par la décharge de ce condensateur. Selon la présente invention, l'énergie fournie par l'ensemble d'accumulation d'énergie à l'ensemble d'électrodes est fournie dans un intervalle de temps insuffisant pour permettre le jaillissement d'un arc principal. 35 Un arc jaillissant entre deux électrodes est déclenché par l'établissement d'un grand nombre de lignes ou parcours de décharge élémentaire entre les électrodes. Ces multiples lignes de décharge partent de tous les points ou surfaces où le gradient de potentiel est maximal. Le courant passant dans ces lignes de dé- BAD ORIGINAL 70 31489 2 2059748 charge augmente, mais les taux d'augmentation sont différents. Finalement, une des lignes devient suffisamment conductrice pour provoquer une chute de tension aux électrodes, supprimant ainsi les autres lignes de décharge. Il en résulte une concentration du 5 courar.t électrique formant un arc unique qui laisse passer tout le courant entre les électrodes, le jaillissement d'un seul arc n'assure pas une excitation appropriée du milieu actif du laser. Avant le jaillissement d'un arc, il existe une gerbe ou un grand nombre de filaments conducteurs entre les électrodes, dénommés ci-après 10 gerbe. Il est indispensable de faire une distinction entre la décharge par gerbe entre les électrodes et une décharge par arc. La présente invention est destinée à éviter les décharges par arcs entre les électrodes et à conserver à la décharge ayant lieu dans l'ensemble de pompage la forme d'une gerbe pendant la totalité de 15 sa durée. Il importe, pour un fonctionnement correct de l'ensemble d'excitation selon l'invention, que la tension appliquée à l'ensemble d'électrodes sous forme d'impulsions ait des valeurs appropriées de temps de montée et de durée pour réduire au minimum les écarts se produisant entre les instants de déclenchement de la 20 gerbe entre les électrodes et provoqués par une variation de l'alignement ou de l'espacement des électrodes. Ces impulsions favorisent l'uniformisation des gerbes entre les électrodes et étalent les gerbes dans la totalité du volume du gaz entre les électrodes® L'intensité et la durée doivent être telles que l'excitation du 25 gaz se termine avant le jaillissement d'un arc. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention restait e sortiront de la description qui va suivre,/en regard des dessins annexés illustrant plusieurs modes de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. 30 Sur ces dessins ; La figure 1 est une vue en élévation longitudinale d'une chambre de laser avec un ensemble d'électrodes selon l'invention» La figure 2 est une vue en coupe transversale d'un autre ensemble d'électrodes dénommé à tige, ou barre, et lame. 35 La figure 3 est une coupe transversale d'un ensemble d'élec trodes dénommé à tige et cylindre. La figure 4 est une coupe transversale d'un ensemble d'électrodes constitué par des tiges. bad original 70 31489 2059748 La figure 5 est une coupe .-ar versale d'un ensemble d'électrodes dénommé à lame et lame, ou barre. La figure 6 est une coupe trjvr-versale d'un ensemble d'électrodes dit à lame et cylindre. 5 La figure 7.est une coupe transversale d'un ensemble d'élec trodes dit à cylindre et cylindre' La figure 8 est une coupe t ansversale d'un ensemble d'électrodes dit à fil et fil. La figure 9 est une coupe ti~nsversale d'un ensemble d'élec-10 trodes profilé. La figure 10 est une vue en plan d'une électrode profilée. La figure 11 est une coupe suivant la ligne 11-11 de l'ensemble d'électrodes de la figure 10. La figure 12 est un schéma simplifié des circuits de l'ensem-15 ble d'excitation selon l'invention ; et La figure 13 est un schéma d'un système d'excitation à- deux éclateurs. La figure 1 représente une chambre de laser 10 contenant un miroir sphérique 11 et un miroir plan 12 semi-transparent. Une en-20 ceinte est remplie d'un gaz approprié pour laser qui est excité par l'ensemble d'électrodes de la chambre 10. Comme l'indique la figure 1, l'ensemble d'électrodes est constitué par un premier groupe d'électrodes-tiges 12 reliées directement à une barre commune 14 et un second groupe d'électrodes-tiges 15 reliées à une se-25 conde barre commune 16. Les barres communes 14 et 16 sont reliées par un interrupteur 18 à un condensateur 17 qui est raccordé à une source appropriée de tension continue. L'interrupteur 18 est relié à l'une des barres communes 14 ou 16 pour provoquer une décharge du condensateur 17 à travers l'ensemble d'électrodes dans la cham?-30 bre 10 du laser. Une décharge par gerbes entre les tiges 13 et 15 est ainsi déclenchée et excite les molécules du mélange de gaz actif du laser de manière à provoquer l'inversion de population bien connue nécessaire au fonctionnement du laser. Il va de soi que l'interrupteur 18 représenté schématiquement sur la figure 1 n'est 35 pas un interrupteur simple mais doit être de préférence ur. éclateur déclenché ou un commutateur à thyratron ou thyristor commandé de manière à raccorder le condensateur 17 à un instant prédéterminé à l'ensemble d'électrodes. 70 31489 2059748 La figure 2 représente un autre ensemble d'électrodes selon l'invention, dans lequel le groupe de tiges 13 constitue une des électrodes de l'ensemble tandis qu'une lame ou barre 19 remplace les tiges 15. La figure 2 représente ces éléments en coupe 5 transversale vus d'une extrémité du laser. La barre ou lame 19 ayant une étendue de surface supérieure à celle des tiges 15 que la barre remplace, cela provoque un étalement longitudinal et latéral de la gerbe et excite un volume de gaz plus grand que l'ensemble tige-tige de la figure 1. 10 Dans l'ensemble d'électrodes représenté en coupe transversa le sur la figure 3, la série inférieure de tiges 15 de la figure 1 a été remplacée par une tige ou cylindre 20. Cet ensemble d'électrodes constitue un perfectionnement important par rapport à l'ensemble tige-tige de la figure 1, permettant une augmentation ap-15 préciable de l'énergie d'excitation par rapport à la structure tige-tige de la figure 1. On observe ici aussi que la gerbe est considérablement élargie et allongée du fait de la présence de la tige ou cylindre 20, ce qui augmente le volume de gaz excité par l'ensemble d'électrodes. 20 L'ensemble d'électrodes représenté sur les figures 1, 2 et 3 est constitué essentiellement par des ensembles linéaires qui excitent une longue bande étroite de gaz. L'ensemble d'électrodes de la figure 4 peut être employé où on le désire pour étendre l'excitation latéralement par rapport à l'axe du laser. Plusieurs files 25 parallèles de tiges 13 sont substituées à la file unique de tiges 13 de la figure 1 et une électrode massive 21 est placée en face du groupe de tiges multiples pour créer une décharge qui intéresse un volume important de gaz. La forme de l'électrode 21 peut être déterminée en étudiant les gradients de potentiel souhaitables à 30 maintenir entre les électrodes. La figure 5 représente une autre réalisation d'ensemble d'électrodes dans laquelle deux pièces en forme d'équerre sont placées de manière que leurs ailes, tournées l'une vers 1'autre,créent une structure comportant effectivement deux lames ou barres entre les-35 quelles se produit la décharge. La figure 6 représente en coupe un ensemble d'électrodes constitué par une lame 24 placée au-dessus d'un cylindre 25. La figure 7 représente un ensemble d'électrodes constitué par deux cylindres 26 et 27 parallèles. Sur la figure 8, deux fils 28 et 29 BAD ORIGINAL 70 31489 2059748 remplacent les files de tiges 13 et 15 de la-figure 1. la figure 9 représente deux électrodes profilées 30 et 31 entre lesquelles on obtient une décharge en gerbe destinée à exciter lin plus grand volume de gaz actif. Les électrodes 30 et 31, au 5 lieu d'être des surfaces lisses massives peuvent être constituées par des nervures ou lames conductrices espacées qui sont façonnées compte tenu du gradient de potentiel souhaitable entre les électrodes, avant de déclencher la décharge en la figure 10 représente en plan une électrode 32 qui peut remplacer l'une ou l'au-10 tre des électrodes 30 ou 31 de la figure 9. La figure 11 représente en coupe transversale ladite électrode 32. La figure 12 représente schématiquement un circuit électrique destiné à alimenter l'ensemble d'électrodes selon l'invention. Comme représenté, ce circuit est constitué par un ensemble d'élec-15 trodes 40, un condensateur 41, et un interrupteur constitué par un éclateur déclenché comportant des électrodes incurvées 43 et.44 amorcées par un circuit d'amorçage 45. Le circuit comprend une source de haute tension continue 46 et une résistance série 47 limitant le courant. Il est à noter que les bornes 48, 49, 50, 51 et 52 s ont 20 représentées sur le schéma sans être raccordées à quoi que ce soitQ Les bornes 48 et 49 peuvent être raccordées aux bornes 51 et 52 ou entre les bornes 51 et 50. Si les bornes 48 et 49 sont raccordées aux bornes 51 et 52, il est nécessaire de brancher un® résistance de charge entre la borne 50 et la borne 52 pour fermer le circuit 25 de charge du condensateur 41. La polarité de la source de courant continu peut être quelconque, la borne 48 ou la borne 49 peut être positive et l'une ou l'autre borne peut être relies à la masse si nécessaire par .mesure de sécurité ou pour d'autres considérations électriques connues. 30 Comme on l'a exposé ci-dessus, la capacité du condensateur d'alimentation 41 destiné à l'excitation des électrodes est choisie en fonction de la tension de sortie de la soxirce de courant continu 46, de la zone à gradient de potentiel élevé, de la forme des électrodes et de la composition du gag pour empêcher toute dé-35 charge par arcs entre les électrodes» Il est également souhaitable de réduire au minimum 1'inductance du circuit de la figure 12 pour améliorer le temps de montée de la tension appliquée à l'ensemble d'électrodes 40. Un temps de montée bref de la tension d'excitation. facilite 1'égalisation des gerbes entre les électrodes et éta- BAD ORDINAL 70 31489 2059748 le lesdites gerbes dans tout le volume du gaz. La figure 13 représente un ensemble d'excitation à double éclateur comportant deux éclateurs déclenchés 53 et 54» Cependants le circuit électrique représenté sur la figure 13 est beaucoup 5 plus efficace et est très intéressant, en particulier quand des fréquences de récurrence élevées sont nécessaires. Dans les conditions normales de fonctionnement, le condensateur réservoir 55 est chargé au potentiel désiré. Si l'éclateur 53 est conducteur, une tension apparaît entre les électrodes 57 provoquant des décharges « 10 La totalité de l'énergie passant dans les décharges est commandée par le condensateur à décharge 56 qui laisse passer une charge bien déterminée avant qu'une tension en opposition annulant la tension appliquée apparaisse, faisant cesser ainsi les décharges des électrodes et la conductibilité de l'éclateur.53. A la fin de e© 15 cycle, des quantités sensiblement égales d'énergie ont été d'une part dissipées dans la décharge et d'autre part accumulées dans le condensateur à décharge 56. Quand l'éclateur 54 est conducteur, 1•é~ nergie accumulée dans le condensateur 56 à décharge est utilisée dans les décharges qui se produisent entre les'électrodes 57. Pas3 20 conséquent, la quasi-totalité de l'énergie emmagasinée dans le condensateur réservoir 55 est consommée dans la décharge «, Si la capacité du condensateur réservoir 55 est grande par rapport à la somme de celles des condensateurs à décharge, la tension aux bornes de ce condensateur ne variera que faiblement et l'énergie dissipé® 25 dans la résistance de limitation 58 sera faible. Le remplacement de cette résistance 58 de limitation par une inductance rendrait;, pour une fréquence de récurrence déterminée, le transfert d'énergie de la source de courant continu à la décharge efficace très proche d'une valeur égale à 100 30 Des éclateurs déclenchés existent dans le commerceB Bien entendu,, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs et procédés qui viennent d'être décrits unique niant à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du;éadre de l'invention® BAD ORIGINAL 70 31489 / 2059748 REVENDICATIONS 1. Ensemble d'excitation transversale pour laser à gaz moléculaire, caractérisé en ce qu'il comprend une source d'impulsions haute tension, un ensemble d'électrodes relié directement à une 5 seconde source, ledit ensemble d'électrodes comportant une surface étendue à gradient de potentiel constant, ledit gradient n'étant dépassé en aucun point de l'ensemble d'électrodes avant qu'une décharge électrique ne se produise entre lesdites électrodes. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que 10 ladite source d'impulsions haute tension comprend une source de haute tension continue, un condensateur accumulateur d'énergie raccordé à ladite source de haute-tension continue et un interrupteur destiné à brancher ledit condensateur entre lesdites électrodes. 3. Ensemble selon l'une des revendications 1 et 2, caracté-15 risé-en ce que ledit ensemble d'électrodes comprend des files espacées de tiges, les tiges de chaque file étant placées en face des tiges de la file de l'électrode opposée, de manière à déclencher des décharges en gerbe entre les extrémités des tiges se faisant face. 20 4. Ensemble d'électrodes pour un ensemble selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend une barre ou lame allongée et plusieurs tiges placées à une distance sensiblement constante de ladite barre et à angle droit sur la direction longitudinale de la barre ou lame, de manière à pouvoir dé-25 clencher une décharge par gerbe entre les pointes des tiges et la, barre ou lame.