Brevet FR2059750A1 — publié le 19710604

7t) 31496 1 2059750 La présente invention concerne un ensemble d'excitation transversale pour un laser moléculaire à gaz à haute pression. la demande de brevet français déposée ce jour par le Demandeur et intitulée "Ensemble destiné à l'excitation transversale 5 de lasers" décrit des ensembles à électrodes multiples pour l'excitation directe d'un laser moléculaire à gaz dans lequel une décharge en gerbes se produit entre deux électrodes et un dispositif est incorporé pour empêcher l'amorçage d'arcs. Avec cet ensemble d'électrodes, l'augmentation de la largeur des électrodes placées 10 transversalement par rapport à la direction du faisceau laser provoque des instabilités qui accentuent la tendance au jaillissement désordonné d'arcs entre les électrodes. Par conséquent, si l'on essaie d'exciter un grand volume de gaz pour laser en utilisant une décharge en gerbes entre des électrodes de grandes dimensions 15 transversalement par rapport au faisceau laser, des arcs tendent à s'amorcer de manière désordonnée ou &u hasard entre les électrodes, et à absorber la totalité du courant circulant entre les électrodes, de sorte qu'ils éteignent la décharge en gerbes. Pour essayer d'augmenter le volume excité, on doit incorpo-20 rer des dispositifs appropriés pour empêcher le jaillissement au hasard d'un arc en un point ou un autre entre les électrodes de l'ensemble. La présente invention constitue une solution de ce problème qui empêche pratiquement le jaillissement désordonné d'arcs et entretient la décharge en gerbes très avantageuse entre 25 les électrodes de l'ensemble. Conformément à l'invention, on a observé que si une troisième électrode est placée à proximité d'une des deux électrodes principales de l'ensemble et si une décharge est provoquée entre la troisième électrode et l'électrode adjacente principale, il est possible d'ioniser le gaz à proximité 30 immédiate de cette électrode de décharge principale. Ensuite, quand une décharge jaillit entre les deux électrodes de décharge principale, la tendance au jaillissement d'un arc est faible ou nulle. Il semble que si le gaz se trouvant à proximité d'une des électrodes de décharge principale peut être ionisé lorsqu'unè ten-35 sion élevée est appliquée entre les électrodes de décharge principale, une décharge en gerbes stable peut être entretenue entre les électrodes principales et la probabilité d'amorçage d'une décharge par arc tout à fait indésirable peut être considérablement réduite. bad original ! - 70 31496 2059750 Diverses théories ont été proposées pour expliquer ce phénomène. Les bases théoriques qui ont conduit à la mise au point de l'invention sont les suivantes t le jaillissement d'arcs est un phénomène aléatoire associé à la répartition aléatoire des parti-5 cules chargées . (électrons ou ions) dans le gaz entre les électrodes à l'instant d'application de l'impulsion de tension ; les trajets multiples de la décharge en gerbes correspondent chacun à la présence d'au moins une particule chargée à l'instant d'application de l'impulsion de tension. Le taux de croissance des décharges fi-10 lamenteyses de la gerbe est en relation avec le nombre de particules chargées au départ dans chaque filament. La décharge filamenteuse dont l'intensité croît très rapidement se transforme alors en un arc qui fait disparaître tous les autres filaments et détruit l'uniformité de l'excitation dans le sens de la longueur de la ca-15 vité du laser. Ceci explique le phénomène observé suivant : une augmentation de l'aire de la décharge augmente la probabilité de jaillissement d'arcs. L'addition d'une électrode d'amorçage provoque plus facilement une décharge que l'excitation principale, engendrant un grand nombre de particules chargées pour l'amorçage de 20 la décharge principale. Par conséquent, il se forme un nombre plus grand de filaments de décharge et leurs taux de croissance sont plus proches d'être égaux, grâce aux densités plus uniformes des particules chargées, réduisant encore la probabilité de jaillissement d'arcs. 25 Cependant, il va de soi que la présente demande n'est pas considérée comme limitée à une théorie particulière,car des recherches ultérieures pourraient établir que la première théorie n'explique pas correctement les phénomènes observés. L'augmentation de l'énergie d'excitation obtenue avec le 30 système double à décharge selon l'invention correspond au rapport 10 vis-à-vis de l'énergie utilisable avec des électrodes sans résistance, de grande surface active, comme décrit dans la demande de brevet français mentionnée plus haut dans le but d'exciter un éclateur de laser en l'absence de l'ensemble à double décharge. La 35 puissance émise par le laser est augmentée de façon correspondante dans le rapport 10 environ en fonction de l'augmentation de l'énergie d'excitation,, bad original 70 31496 3 2059750 Les dessins ci-annexés représentent des formes de réalisation de la présente invention et leur mode de fonctionnement : La figure 1 est un schéma d'un laser à gaz moléculaire. La figure 2 est une vue en coupe transversale d'une forme de 5 réalisation de l'ensemble d'électrodes selon l'invention. La figure 3 est une vue dans le sens longitudinal de l'ensemble de la figure 2. La figure 4 est un schéma électrique d'un ensemble à double décharge selon la présente invention ; et 10 La figure 5 est une coupe transversale d'une forme préférée d'ensembles d'électrodes selon la présente invention. La figure 1 représente un laser à gaz moléculaire dans lequel l'ensemble d'électrodes à double décharge selon l'invention peut être incorporé. Un tel ensemble a été décrit par exemple, dans la 15 demande de brevet canadien n° 01? 844 du 19 avril 1968, au nom de J. Beaulieu. Cet ensemble peut comprendre une chambre de laser 10 contenant un mélange approprié de gaz moléculaires pour laser, un miroir courbe 11 et un miroir plan 12 semi-réfléchissant. Un ensemble d'électrodes constitué par des électrodes 13 et 14 est placé 20 dans la cavité 10 du laser, ces électrodes étant raccordées à des bornes auxquelles on applique des impulsions à haute tension en courant continu. Le premier mode d'exécution du dispositif d'amorçage est représenté sur les figures 2 et 3. L'ensemble d'électrodes étant 25 constitué par deux barres en équerre 30 et 31, un fil 32 est tendu près du bord d'une des barres mais isolé de celle-ci. La barre inférieure 30 est la cathode ; le fil tendu 32 est l'anode de l'ensemble de décharge principal. Cet ensemble fonctionne avec la seconde barre 31 débranchée électriquement à condition que l'énergie élec-30 .trique ne soit pas trop grande. Le branchement d'un petit condensateur entre la barre supérieure 31 et la cathode 30 provoque l'apparition d'une décharge d'amorçage. Ceci permet d'augmenter plusieurs fois l'énergie de décharge sans jaillissement d'arcs, et la puissance du laser est également augmentée en proportion. L'in-35 terposition d'un isolant 33 entre l'électrode de déclenchement 31 et le fil 32 améliore le comportement puisqu'il conduit à une décharge d'amorçage plus uniforme. 70 31496 4 2059750 La figure 4 est un schéma représentant une forme de réalisation d'ensemble d'électrodes à double décharge selon l'invention. Une cathode 15 est reliée à la masse et une anode 16 constituée par une grille métallique est raccorâée a la borne non reliée à la mas-5 se du générateur d'impulsions 17. Une couche d'isolant 18 est placée en arrière de ladite anode 16 et en contact intime avec l'arrière de celle-ci. Une électrode additionnelle 19, dénommée ci-après électrode d'amorçage, est placée derrière l'isolant 18 et est raccordée à la masse par un condensateur 20 de faible valeur. 10 II va de soi que l'ensemble d'électrodes représenté sur la figure 4 se trouve dans une cavité de laser et que l'ensemble d'électrodes est plongé dans un mélange de gaz actifs. En fonctionnement, l'ensemble d'électrodes à double décharge de la figure 4 provoque l'ionisation du gaz moléculaire actif à 15 proximité de la grille ou anode 16, et quand la tension entre l'anode 16 et la cathode 15 atteint une valeur élevée, il se produit une décharge en gerbes entre l'anode 16 et la cathode 15 qui est très uniforme et provoque l'excitation d'un volume important du gaz du laser. On a obtenu des impulsions de sortie de l'ordre de 20 3' à 4 joules par mètre de longueur du laser en utilisant un tel ensemble d'électrodes avec une section transversale active d'envi- p i?on 10 cm . L'isolant solide 18 intercalé entre l'électrode d'amorçage 19 et la grille 16 simplifie la construction et crée des efflu-25 ves plus uniformes, puisque la décharge principale consomme moins d'énergie si l'anode et l'électrode d'amorçage s'ont très proches. On a employé diverses configurations pour l'ensemble de l'anode et de l'électrode d'amorçage selon la présente invention, et line réalisation-type est représentée sur la figure 5. La figure 5 30 est une coupe transversale d'un mode d'exécution d'un ensemble d'électrodes selon l'invention comportant une cathode profilée 15 dont la forme est déterminée par des considérations de gradient de potentiel, comme exposé dans la demande de brevet français mentionnée plus haut.L'anode de la figure 5 comprend une équerre d'alu-35 minium 2t contre laquelle est appliquée une grille en treillis 22. Une barre d'amorçage en aluminium est placée derrière la grille 23. Bien que cela ne soit pas essentiel, il est préférable d'appliquer une pellicule isolante sur la barre d'amorçage, réalisée par exemple sous la forme d'une pellicule 24 en matière plastique 70 31496 5 2059750 rétrécissant à la chaleur, par exemple du nylon. Des tronçons de tubes d'aluminium 25 et 26 sont fixés à 1'équerre en aluminium 21 de manière à réduire le gradient de potentiel aux extrémités de cette équerre. Dans une réalisation,fonctionnant effectivement,de 5 l'invention, la grille 22 est réalisée en fil de 0,711 mm enroulé à raison de 3,9 tour^ par cm, 1'équerre en aluminium mesure 5,1 x 5,1 cm et la barre/d.'amorçage recouverte d'une couche isolante de 0,952 mm d'épaisseur rétrécissant à la chaleur, mesure environ 2,5 x 0,63 cm. Avec un ensemble de ce genre d'environ 1 m de loi>« 10 gueur, on obtient un laser ayant une puissance de l'ordre de 4 joules par impulsion avec une fréquence de récurrence des impulsions d'environ 1 Hz (cette fréquence étant limitée par la source d'énergie disponible). Il va de soi pour l'homme de l'art que la grille 22 peut 15 être ..remplacée, par exemple, par une toile métallique, à condition que celle-ci soit suffisamment transparente pour que l'ionisation de la décharge principale crée la couche nécessaire de gaz ionisé à la surface de ladite toile voisine de la cathode 15. Il va également de soi qu'on peut réaliser d'autres ensembles d'anode(s) et 20 d'électrode(s) d'amorçage, par exemple cette anode peut être sous la forme d'une tige filetée, l'électrode d'amorçage étant un fil isolé enroulé dans la base du filetage de la barre. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs et procédés qui viennent d'être 25 décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs,sans sortir du cadre de l'invention. bad original 70 31496 6 2059750 flEVEMDICATIOIÏS 1. Ensemble d'excitation transversale destiné à un laser à gaz moléculaire, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur haute tension, deux électrodes de décharge principales reliées au- 5 dit générateur haute tension et orientées dans le sens de la longueur de la cavité laser, une électrode auxiliaire située à proximité d'une desdites électrodes de décharge principales et un dispositif pour provoquer une décharge entre ladite électrode auxiliaire et ladite électrode de décharge principale contiguë pour ioniser 10 le gaz à proximité immédiate de ladite électrode de décharge principale contiguë avant le déclenchement d'une décharge entre lesdi-tes électrodes de décharge principales. 2, Ensemble d'excitation de laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif destiné à déclencher une 15 décharge entre lesdites électrode auxiliaire et électrode principale contigu&s comporte un condensateur branché entre ladite électrode auxiliaire et l'électrode principale non contiguè' à cette dernière. 3» Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que 20 ladite électrode auxiliaire est placée du côté de ladite électrode principal© contiguë éloignée de 1'autre électrode principale et en ce que ladite électrode principale contiguè' comporte des orifices par lesquels ledit gaz ionisé à proximité immédiate de ladite électrode principale contiguë pénètre également dans la région si-25 tuée entre lesdites électrodes principales. 4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite électrode principale contiguë à ladite électrode auxiliaire est constituée par une grille et en ce que ladite électrode auxiliaire est une barre massive isolée de ladite grille par un isolant 30 continu9 bad original