Brevet FR2107918A1 — publié le 19720512

. * * > 71 32773 1 2107918 L'invention concerne un procédé pour augmenter la puissance de lasers à gaz excités électriquement, - de préférence de lasers , à CO2 -, et un appareillage pour la mise en oeuvre de ce procédé. Les lasers à gaz connus jusqu'à ce jour fonctionnent sur le 5 principe que le gaz au repos ou s'écoulant lentement dans la chambre du résonateur est excité par une décharge électrique dans le gaz. Dans ce cas, la voie de la décharge est choisie de telle sorte que le courant de la décharge s'écoule parallèlement à l'axe du résonateur et remplit la chambre du résonateur aussi complètement jO que possible. En outre, on connait des procédés dans lesquels, pour accroître le rendement, le gaz de travail s'écoule à travers la chambre du résonateur perpendiculairement à l'axe de celui-ci à des vitesses comprises entre 10 et 100 m/sec. environ. Toutefois ces procédés connus imposent de grandes dimensions au dispositif de laser et jtj n'offrent que de faibles puissances pour la dépense nécessitée. L'invention se propose d'éliminer ces inconvénients et de procurer un procédé, ainsi qu'un appareillage, permettant d'obtenir un rendement élevé par rapport aux dimensions de l'appareil, ainsi qu' un degré d'inversion considérablement plus grand. 20 Selon l'invention, le gaz de travail du laser, - de préféren ce un mélange de COg, Ng, He et H^ est mis en circulation continue dans un circuit fermé sur lui-même à une pression d'environ 1 à 50 mm de Hg, de sorte que la chambre du résonateur est traversée perpendiculairement à l'axe du laser-, de préférence à une vitesse 25 inférieure à celle du son, en même temps que s'effectue l'excitation électrique. Grâce à cette excitation dans la chambre du résonateur et/ou immédiatement avant elle, on obtient que les molécules excitées soient transportées par le courant de gaz dans la chambre du résonateur, 50 de préférence à une vitesse inférieure à celle du son, et que les molécules désactivées après l'émission soient également éloignées rapidement. En outre, le procédé conforme à l'invention prévoit que la voie de la décharge d'un laser à gaz en présence d'un courant de -55 gaz transversal est stabilisée dans l'espace au moyen d'un champ de forces magnétiques ou d'un agencement déterminé des éléments de construction. Ces mesures empêchent que la voie de la décharge dans le gaz soit, partiellement entraînée par le courant gazeux, ce qui aurait pour conséquence que la décharge brûle en partie à l'extérieur ilO de la chambre du résonateur. Ceci empêcherait d'obtenir une excitation et un rendement optimals étant donné que les molécules excitées 71 32773 2 2107918 en aval de la chambre du résonateur ne seraient pas disponibles pour le couplage de puissance. En ce qui concerne l'agencement, l'invention propose dans ce but de disposer, dans la chambre d'écoulement du gaz comportant 5 une chambre de résonateur, placée perpendiculairement au sens de l'écoulement, et des miroirs de résonateur ainsi que des électrodes, des pièces polaires de manière/'que*eies lignes de force magnétiques soient perpendiculaires à l'axe du résonateur et au sens d'écoulement du gaz. 10 Pour mettre en oeuvre le procédé, l'invention prévoit de placer dans un conduit d'écoulement fermé sur lui-même, étanche au vide, et perpendiculairement au sens d'écoulement, une chambre de résonateur de laser traversable par le courant gazeux, à laquelle sont associés une soufflante à haute pression, une voie de décharge 15 dans le gaz ainsi qu'un échangeur thermique pour refroidir le gaz de travail. Il est par ailleurs proposé, pour évaculer le gaz du laser, d'associer au conduit d'écoulement par l'intermédiaire d'un clapet une pompe à vide de faible puissance et un réservoir à gaz pour con-20 tenir le gaz de travail. Ces mesures permettent un pompage continu du gaz devenu inutilisable, ainsi qu'un remplacement constant par du gaz de travail frais. L'invention se distingue de l'état actuel de la technique par les avantages suivants ; 25 Grâce au courant rapide de gaz traversant transversalement le résonateur, on obtient un débit de gaz élevé et en conséquence un degré d'inversion élevé, ce qui conduit à une puissance continue élevée. En outre, le réemploi constant du gaz qui a été introduit une fois pour toutes dans le circuit fermé permet une consommation 30 de gaz minimale malgré le remplacement constant du gaz utilisé par du gaz frais provenant du réservoir fermé.. En outre, pour faire cirucler le gaz dans un circuit fermé, il faut seulement vaincre une faible chute de pression due à la résistance à l'écoulement, inférieure à 1 mm de Hg environ ; il 35 suffit dans ce but d'une soufflante de puissance relativement faible, de poids et de volume également faibles. Le rendement d'ensemble du système n'est pas compromis de façon notable par la soufflante. Dans un autre exemple de réalisation, on propose de placer dans la chambre d'écoulement du gaz, après 1-a chambre du résonateur, 40 - vu dans le sens d'écoulement du gaz -, des lamelles en matériau 71 32773 3 2107918 isolant ou conducteur de l'électricité, pour favoriser l'écoulement, et on propose de réaliser ces lamelles pour éventuellement refroidir le gaz du laser. Dans un exemple de réalisation spécial, on propose de 5 placer dans la chambre d'écoulement du gaz aussi bien des pièces polaires que des lamelles. L'invention sera bien comprise par la description qui suit d'exemples de réalisation, faite à titre d'exemple et en référence au dessin annexé sur lequel : jO fig. 1 représente schématiquement un montage conforme â l'invention ; la fig. 2 montre une coupe partielle le long de la ligne I-I de la fig. 3 ; la fig. 3 montre une coupe partielle en vue de dessus 15 selon la fig. 2 ; la fig. 4 montre une coupe partielle le long de la ligne III-III de la fig. 4, relative à un autre exemple de réalisation ; et la fig. 5 montre une coupe partielle en vue de dessus selon la fig. M. 20 L'appareillage est constitué par un conduit de gaz fermé 10 dans lequel sont placés un ventilateur 12 et un résonateur de laser 13. Pour un laser à CO2 qui est calculé pour une puissance continue de 1 kW, le débit du ventilateur est, de façon typique, de 10.000 m3 à l'heure, pour une différence de pression de 1 %, et 25 les dimensions du conduit de gaz, par rapport au résonateur, sont d'environ 1 m pour la longueur 1 et d'environ 1 ou plusieurs cm pour la hauteur h. Avant la mise en fonctionnement, on fait le vide dans le conduit par la pompe 14 par l'intermédiaire d'un clapet 15 et le conduit est rempli à partir d'un réservoir 16 par l'intermédiaire 30 d'un clapet 17 avec le gaz de travail,-de préférence un mélange de COg, Ng, He et H^,-jusqu'à une pression d'environ 1-50 mm de Hg. La pompe 14 et le réservoir 16 peuvent également être utilisés pour vider et remplir de façon continue le conduit de gaz pendant le fonctionnement. Pour la mise en service, le gaz est mis en circulation (dans le sens des flèches) par le ventilateur 12 et il est excité par une décharge dans le gaz par l'intermédiaire des électrodes 18. Dans la chambre du résonateur, la lumière du laser est produite à l'aide des miroirs de résonateur 19 et 20 et elle est découplée 1|0 sous forme de rayons laser 21 par le miroir 20 partiellement transparent. Cet agencement permet également d'utiliser le laser comme a»- 71 32773 ii 2107918 plificateur. Dans ce cas, les miroirs 19 et 20 sont remplacés par des fenêtres. L1échangeur thermique dans le circuit d'écoulement est référencé 22. Les fig. 2 et 3 montrent un exemple de réalisation de 5 l'invention. L'appareillage est constitué par une chambre d'écoulement de gaz 110 qui comporte la chambre de résonateur 112 avec les miroirs de résonateur 113 et 114. Cette chambre 110 est traversée par le courant de gaz - représenté par les flèches 105 -perpendiculairement à l'axe 116 du résonateur. Les électrodes 117 10 et 118, qui sont de préférence de forme annulaire, entretiennent une décharge électrique. En aval de la chambre du résonateur 112 sont placées les pièces polaires 119,120 d'un électro-aimant de telle sorte que les lignes de force magnétiques 111 sont perpendiculaires à l'axe 116 du résonateur et au sens d'écoulement du 15 gaz 105. L'induction magnétique, pour une vitesse du gaz d'environ 100 m/sec. est, de façon typique, d'environ 1.000 gauss. Le champ magnétique ainsi prévu empêche que la voie de décharge dans le gaz se déforme, - comme indiqué par la ligne pointillée 135 et a pour effet que le volume du résonateur est rempli de façon 20 optimale. Les fig . 4 et 5 montrent un autre exemple de réalisation de l'invention. L'appareillage représenté est à nouveau constitué par une chambre d'écoulement de gaz 110 qui comporte la chambre de résonateur 112 avec les miroirs de résonateur -113, 114. Cette 25 chambre 112 est traversée par le courant gazeux 105 perpendiculairement à l'axe 106 du résonateur. Les électrodes 117 et 118, de préférence de forme annulaire, maintiennent la décharge électrique. En aval de la chambre de résonateur 112 sont disposées des lamelles 130 qui sont constituées par un matériau conducteur de l'électricité, 30 ou dans des cas spéciaux, par un matériau isolant. La disposition et la réalisation de ces lamelles sont telles qu'elles n'offrent pas de résistance notable à l'écoulement du courant gazeux. La distance entre les lamelles est dans ce cas de quelques millimètres et, de façon typique, elle peut également être augmentée jusqu'à 35 quelques centimètres. Les lamelles ainsi disposées empêchent également que la voie de la décharge dans le gaz se déforme du fait de l'écoulement du gaz selon la ligne pointillée 135, ce qui permet d'obtenir à nouveau un remplissage optimal du volume du résonateur. 40 Dans de nombreux cas, il est avantageux que les lamelles 71 32773 5 2107918 130 soient également réalisées et utilisées comme ailettes de refroidissement pour le gaz du laser, en plus de leur forme facilitant l'écoulement du gaz. En outre, il est possible, dans des cas spéciaux, de réaliser un agencement conforme à l'invention dans lequel se 5 trouvent les pièces polaires 119 et 120, ainsi que les ailettes 130. Un autre avantage de l'invention est qu'elle peut être réalisée sous forme compacte et avec de petites dimensions, ce qui permet son utilisation dans l'industrie comme machine d'usinage des matériaux, pour couper, souder, percer ou fondre. Dans la technique 10 de traitement de l'information et du radar, l'invention convient •particulièrement pour la transmission d'informations. 71 32773 6 2107918 REVENDICATIONS I. - Procédé pour augmenter la puissance de lasers à gaz excités électriquement, de préférence de lasers à CO^, caractérisé en ce que le gaz de travail du laser, - de préférence un mélange de COg, Ng, He et Hg - , est mis en circulation de façon continue dans un 5 circuit fermé à une pression d'environ 1 à 50 mm de Hg, de sorte que la chambre du résonateur est traversée par le courant gazeux perpendiculairement à l'axe du laser, de préférence à une vitesse inférieure à celle du son, en même temps que s'effectue l'excitation électrique. 10 2. - Procédé pour augmenter la puissance de lasers à gaz, - de préférence de lasers à gaz CO^ -, caractérisé en ce que la voie de décharge d'un laser à gaz est stabilisée dans l'espace en présence d'un courant de gaz transversal au moyen d'un champ magnétique ou d'éléments de construction de forme et d'agencement déterminés. 15 3. - Appareillage pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on place dans un conduit d'écoulement (10) fermé sur lui-même et étanche au vide, perpendiculairement au sens d'écoulement, une chambre de résonateur de laser (13) traversable par le courant, à laquelle sont associés une souf- 20 fiante à haute pression (12), une voie de décharge dans le gaz comportant des électrodes (18), ainsi qu'un échangeur thermique (22) pour refroidir le gaz de travail. 4. - Appareillage selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que pour évacuer le gaz du laser, une pompe à vide (14) de 25 faible puissance est associée au conduit d'écoulement (10) par l'intermédiaire d'un clapet (15), et en ce qu'un réservoir à gaz (16) est disposé pour contenir le gaz de travail. 5. - Appareillage pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que dans la chambre d'écou- 30 lement du gaz (110) comportant une chambre de résonateur (112) placée perpendiculairement au sens d'écoulement et comportant des miroirs de résonateur (114, 113) ainsi que des électrodes (117, 118) sont disposées des pièces polaires (119.» 120) de telle sorte que les lignes de force magnétiques (111) sont orientées perpendiculairement 35 à l'axe (11b) du résonateur et au sens d'écoulement du gaz (105). 6. Appareillage selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que dans la chambre d'écoulement du gaz (110) sont disposées pour favoriser l'écoulement, après la chambre de résonateur (112), - vu dans le sens (105) de l'écoulement - , des lamelles 71 32773 7 2107918 (1^0) en matériau isolant ou en matériau conducteur de l'électricité, 7. - Appareillage selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que les lamelles (1^0) sont réalisées pour refroidir le gaz du laser. 8. - Appareillage selon l'une des revendications 3 à J, caractérisé en ce que dans la chambre d'écoulement du gaz (110) sont placées des pièces polaires (119, 120) et des lamelles (1J0).