Brevet FR2057075A1 — publié le 19710507

La présente invention se rapporte en général aux lasers, et concerne plus particulièrement un laser de grande puissance (un kilowatt ou plus) à courant gazeux. La construction et le fonctionnement couronné de succès d'un laser à gaz de i kilowatt produisant des ondes continues ont été recherchés depuis longtemps dans la technique. Bien que les lasers utilisant un mélange de gaz comprenant du C02 comme milieu pour réaliser un effet laser, et que l'on appellera dans ce qui suit les lasers à C02, se sont montrés capables de produire une telle puissance élevée, les dimensions de tels lasers dans le passé les ont rendus peu pratiques pour des applications générales. Par exemple, la puissance maximum et continue de sortie des lasers actuels classiques à C02, est approximativement de 50 watts par mètre de longueur active de la région d'interaction, ou 20 mètres pour i kilowatt.Un facteur essentiel contribuant à ce faible rapport puissance sur longueur est l'échauffement dans la région d'interaction laser. L'échauffement du gaz provoque la dégradation de l'inversion de population principalement en raison du remplissage complet des états d'énergie inférieurs et du blocage éventuel du niveau inférieur. le but principal de l'invention est de proposer un laser pratique et capable de produire de manière continue 1 kilowatt ou plus en puissance de sortie par mètre de région active d'interaction. Un autre objet de cette invention est de proposer un laser de grande puissance qui produit 1 kilowatt de puissance de sortie par mètre de longueur active. L'invention a encore pour objet un laser à courant gazeux en cycle fermé qui est relativement compact et efficace. les possibilités de puissance de sortie d'un laser à C02 sont grandement étendues en déplaçant le gaz dans la région d'interaction transversalement aux électrodes, et par conséquent transversalement à l'axe optique, en refroidissant le gaz enlevé de la chambre d'interaction, et en le faisant revenir à cette chambre suivant un chemin formant un cycle fermé. Un ventilateur placé dans ce chemin déplace le gaz à des vitesses sabsoniques et la configuration des électrodes par rapport à la direction du déplacement du gaz fournit un effet laser sensiblement identique pour chaque unité de longueur d'électrode. En plus de la suppression du gaz chauffé de la région d'intéaction par débit continu, cette disposition stabilise la décharge et élimine par conséquent la nécessité d'une résistance tampon dans le circuit des électrodes.Ceci contribue en outre au rendement accru de ce laser. D'autres buts, avantages et caractéristiques de la présente invention apparaitront plus clairement dans la description détaillée qui suit et se réfèrent aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels - la figure l e st une vue schématique montrant un laser conformément à l'invention - la figure 2 est une vue en coupe des électrodes faite suivant la ligne 2-2 de la figure 1 - la figure 3 est une vue en élévation de côté généralement schématique et en coupe partielle de l'appareil suivant l'invention - la figure 4 est une vue de dessus de cet appareil faite suivant la ligne 4-4 de la figure 3, et - la figure 5 est une courbe montrant la puissance de sortie du laser (watts) en fonction de la puissance d'entrée (kilowatts). Suivant l'exemple de réalisation illustré dans les dessins, un dispositif laser suivant cette invention est représenté sur la figure 1 et comprend une enveloppe hermétiquement fermée 10 définissant un chemin ou circuit pour le gaz 11 formant une boucle ferméé, lequel circuit comprend à la suite une région d'interactionlaser 12, un échangeur de chaleur 13 et un ventilateur 14.Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, le mélange gazeux comprend du dioxyde de carbone, de l'azote et de l'hélium qui sont enfermés et peuvent recirculer autour du chemin ou circuit 11. La région d'interaction 12 comprend des miroirs 17 et 18 sur les côtés opposés des parois de l'enveloppe lOa et lOb, et des électrodes tubulaires droites 19 et 20 (voir figure 2) entre les parois 10a et 10b et voisines de et du côté amont des miroirs. Les électrodes 19 et 20 ont des axes parallèles A1 et A2, respectivement, qui sont écartés suivant un plan commun P normal å la direction du courant gazeux dans le circuit 11.Les électrodes sont reliées directement à une source 22 d'alimentation en courant continu par les cables 23, l'électrode 19 constituant la cathode et l'électrode 20 l'anode qui est à la masse. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'enveloppe 10 est conçue pour permettre un débit sensiblement linéaire de gaz dans la région d'interaction suivant une vitesse uniforme et sur toute la longueur des électrodes. Cette réalisation est illustrée schématiquement sur la figure 1 qui montre le cheminou circuit 11 avec une largeur sensiblement uniforme T au voisinage de la région d'interaction 12. On croit que ceci permet de produire une zone de décharge électrique, montrée schématiquement en 24 sur la figure 2, et qui se prolonge ou s'étend dans la région d'interaction 12. On pense que la décharge électrique est stabilisée par le courant gazeux, ce qui élimine la nécessité d'une résistance tampon en série avec la décharge.L'étendue de la décharge dans la région d'interaction permet un couplage efficace de la puissance électrique pour produire des molécules de C02 excitées en vibration dans cette région. L'élimination de la résistance tampon renforce en outre le rendement ou l'efficacité du dispositif.l'emplacement des électrodes tubulaires en meme temps que la géométrie transversale du courant gazeux, permet essentiellement de réaliser un débit sans obstruction du mélange gazeux, de sorte que seulement une quantité minimum de puissance doit être appliquée au ventilateur afin d'entretenir le débit. L'effet laser se produit dans la région d'interaction qui produit le faisceau laser de sortie 25. Un dispositif laser selon l'invention et qui fut actuellement construit et testé est représenté sur les figures 3 et 4, dans lesquelles les numéros de référent correspondant à des parties identiques sont les mêmes que ceux portés sur les autres figures. L'enveloppe hermétiquement fermée 10 comprend une chambre supérieure allongée 26 ayant des parois supérieure et inférieure parallèles 27 et 28 et des chambres d'extrémité s'étendant verticalement 30 et 31 qui sont reliées aux extrémités opposées des chambres supérieures 26. L'échangeur de chaleur 13 est couplé par des brides 33 et 34 aux chambres d'extrémité 30 et 31, respectivement, et comprend une chemise à circulation d'eau 35 dans laquelle une pluralité de tubes allongés et écartés 36 est prévue pour transporter le gaz de recirculation. De l'eau de refroidissement passe dans la chemise 35 via les orifices d'entrée et de sortie 37 et 38 pour enlever la chaleur du gaz par convection dans les tubes 36. Un ventilateur centrifuge 15 dans la chambre d'extrémité 30 est entraîné par un moteur 39 et déplace le gaz dans le dispositif comme il est indiqué par les flèches. Les électrodes 19 et 20 sont en tube de cuivre et sont reliées aux conduits extérieurs d'eau 41 et 42, respectivement, pour recevoir une alimentation continue en eau de refroidissement. Ces électrodes sont également reliées aux câbles ou lignes de puissance 23 par des moyens adaptateurs ou analogues convenables 44, et l'une des électrodes, de préférence l'électrode 20, est à la masse. les miroirs 17 et 18 peuvent être montés sur les parois latérales de l'enveloppe 10 comme il est représenté, ou peuvent etre alternativement supportés à l'intérieur de ou sans l'enveloppe. le gaz circule dans le sens des aiguilles d'une montre comme on le voit dans la figure 3, et les miroirs sont voisins et sur le côté aval des électrodes 59 et 20. Bien que l'appareil qui à été décrit ci-dessus constitue une source ou un générateur de rayonnement infrarouge cohérent, il peut être utilisé avantageusement comme un amplificateur d'un faisceau cohérent de rayonnement dirigé dans la région d'interaction à partir d'une source externe à l'appareil. Cette application du dispositif est montré sur la figure 4 où le dispositif a été modifié et comprend une source de rayonnement cohérent externe ou laser S et des miroirs supplémentaires facultatifs 46 et 47 voisins des miroirs 17 et 18, respectivement, comme il est clairement représenté.Un faisceau B depuis la source externe S est dirigé dans la région d'interaction 12 par un orifice convenable dans la paroi latérale de l'enveloppe 10, peut être réfléchi plusieurs fois dans cette région par les miroirs 18, 46 et 47 ou peut passer seulement une fois dans la région d'interaction, et émerge finalement comme un faisceau amplifié en 48. Par conséquent, l'effet laser produit par l'appareil peut être utilisé pour réaliser une fonction d'amplification'si on le désire. Un dispositif laser conforme à cette invention et qui a été construit et essayé avec succès, présente les paramètres physiques et les performances typiques suivantes DIMENSIONS. Hauteur H 1,20m. Longueur L 1,50m. Largeur W 1m. Profondeur de la zone d'interaction 5,8cm. Paramètres du gaz (typiques) Mélange C02,He, N2 Pression (Torr) C02 2 He 5 2 11 Température maximum du gaz 400 E Vitesse du courant gazeux aux électrodes 30 mètres/sec. électrodes Matériau tube de cuivre -Diamètre Cathode 0,94cm. Anode 0,62cm. Espacement interélectrodes 5cm. Longueur active 1 mètre. Faisceau de sortie (typique) Diamètre 30mu. Longueur d'onde Pureté des modes multimodes, non polarisé Puissance 1.000 watts Rendement Tube 10 % Global 8 Une courbe de ces résultats actuels obtenus avec le dispositif décrit ci-dessus, est représentée sur la figure 5. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. R E V B N D I C A T I O g S 1.- Laser à gaz de grande puissance, caractérisé en ce qu'il comprend - une enveloppe hermétiquement fermée présentant un chemin ou circuit allongé pour fluide à configuration en boucle fermée et contenant un mélange gazeux, - des moyens pour déplacer ledit mélange suivant une direction dans ledit circuit, - au moins deux électrodes allongées et écartées supportées par et à l'intérieur de ladite enveloppe, et s'étendant transversalement à la direction du courant gazeux, lesdites électrodes ayant des parties actives aptes à produire une décharge électrique dans ledit circuit de fluide, - une source de puissance électrique reliée auxdites électrodes, et - une cavité laser d'oscillation ou oscillateur comprenant au moins une paire de miroirs montés sur laditelknveloppe, voisins de et sur le côté aval desdites électrodes en alignement optique l'une avec l'autre sur l'axe optique du dispositif, ledit axe s'étendant transversalement à ladite direction du courant gazeux; et des moyens pour refroidir ledit mélange gazeux. 2.- Laser suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit mélange gazeux comprend du dioxyde de carbone. 3.- Laser suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit mélange comprend en outre de l'hélium et de l'azote. 4.- Laser suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les parties actives desdites électrodes sont droites et parallèles et comportent des axes dans un plan commun normal à ladite direction du courant gazeux. 5.- Laser suivant la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites électrodes sont tubulaires, et le laser comprend des moyens pour faire passer le fluide dans lesdites électrodes pour les refroidir. 6.laser suivant la revendication 1, caractérisé en ee que ladite enveloppe voisine desdites électrodes comporte une paire de parois planes et parallèles écartées suivant une distance plus grande que la longueur effective desdites électrodes et définissant un circuit ou chemin sensiblement non obstrué ou dégagé pour le fluide. 7.- laser suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une source externe de rayonnement cohérent ayant un faisceau dirigé dans ladite cavité pour réaliser au moins un passage transversalement à la direction du courant gazeux, ce afin d'amplifier l'énergie dans ledit faisceau.