Brevet FR2123101A1 — publié le 19720908

La présents invention concerne des lasers à gaz et en particulier des lasers où une émission stimulée est obtenue à la suite d'une décharge électrique dans le milieu actif- gazeux. On connaît des lasers è gaz, compoz-tant une cavité longitudinale contenant le 5 gaz actif, et où la décharge électrique est obtenue grâce à une onds progressive de courant, se propageant dans la milieu sctif d'une extrémité à l'autre de la cavité avec une vitesse égale è celle de la propagation d'une émission lumineuse stimulée dans cette cavité. Lin laser a gaz de ce type est décrit dans l'article de John D. SHIPMAN Jr 10 "Travaling wave exaitatic.i of high pow-ir gaz lasers" (Applied Physics Letters, vol. 10, no. 1, p. 3 è 4). On rappelle, et cale fera décrit et illustré plus loin, qu'un tel laser à gaz comprend une ligne électrique plate, composée d'une plaque isolante interposée entre une première et une seconde plaque métallique portées à des potentiels dif-15 férents, et des moyens d'excitation pour engendrer une onde de décharge dans cette ligne. Le milieu actif gazeux est disposé dans une fente longitudinale ménagée dans l'une des plaques métalliques de la ligne, sur le trajet de l'onde de décharge, cet angle est de préférence tel que la vitesse da propagation de l'onde de décharge 20 dans la direction de la fente soit égale à la vitesse de propagation d'une émission lumineuse stimulée dans cctte même direction, On sait qu'un rayonnement laser obtenu par cette méthode présente une puissance optimum lorsque l'onde progressive de décharge est parfaitement plane. Dr, les dispositifs d'excitation des lasers ae ce type, connus jusqu'à 25 présent, ne permettent pas de réaliser une onde de décharge bien plane. Les faisceaux lumineux émis par de tels lasers présentent donc des puissances médiocres. La présente invention a pour but de remédier à est- inconvénients et de réaliser un laser à gaz de structure plus simple que ïss lasers précédents et per-3Q mettant d'obtenir an meilleur rendement énergétique. La présente invention a pour objet un "user à gaz comprenant un milieu actif gazeux, une ligne électrique plate d'excitation, composée d'une plaque isolante interposée entre une première et une seconde plaque métallique, parallèles entre elles et reliées respectivement aux deux bornes d'une source de tension, ladite 25 première plaque métallique orésentant au mains une fente la séparant en deux parties distinctes, des moyens pour engendrer dans ladiLe ligne une onde de courant progressive d'une extrémité à l'autre de ladite fente, des moyens pour maintenir un milieu actif gazeux dans ladite fente, caractéx-isé par le fait que ladite première plaque métallique est découpée, à l'une de ses extrémités, en 40 forme de parabole, l'axe de ladite parabole faisant ur. angle a non nul avec etAD ORIGINAL 70 47312 2 2123101 ladite fente, et que lesdits moyens pour engendrer une onde de courant dans ladite ligne sont constitués par un circuit de déclenchement d'une décharge sensiblement ponctuelle entre lesdites plaques métalliques au niveau du foyer de ladite para-bolr. 5 La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante et qui sera faite en regard des figures annexées à titre illustratif mais njalement limitatif et parmi lesquelles : - la figure 1 illustre schématiquement en perspective un laser a gaz connu» - la figure 2 illustre schématiquement en perspective un mode de réalisation 10 particulier d'un laser à gaz selon l'invention - la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un détail d'une variante de ligne plate d'excitation mise en oeuvre dans un laser selon l'invention. - la figure 4 est uns vue de dessus schématique d'une variante de laser à gaz selon l'invention. 15 La figure 1 illustre un laser à gaz connu conforme à l'article précédemment cité. Ce laser comprend une ligne électrique plate constituée par une plaque isolante 1 interposée entre deux plaques métalliques 2 et 3 parallèles entre elles et portées à des potentiels différents. Une fentp longitudinale 4 est aménagée dans la plaque 2 pour contenir à 20 pression normale un milieu actif gazeux. A titre d'exemple ce milieu acti-f" peut être un gaz de l'air tel que l'azote pression normale. Le laoer comprend des moyens pour engendrer des décharges ponctuelles dans la plaque isolante 1 au niveau des points 5, 6, 7 et B } ces points sont alignés par exemple sur une droite parallèle à la direction 12 de la fente 4. Ces moyens 25 d'excitation comportent un générateur d'impulsions 10 relié respectivement aux points 5, B, 7 et B par des câbles coaxiaux tels que le câble 9. Selon un mode de réalisation, les câbles 9 de longueurs différentes consti-t-jent des lignes à retard variable et transmettent successivement en 5, B, 7 et B unp irtipulsion émise par le générateur 10. 30 L'enveloppe des surfaces d'ondes de décharge sphériques créées dans le rtf.é-lectrique au niveau des points 5, 6, 7, B est une surface d'onde progressive représentée schématiquement en 11 et faisant un angle — - a avec la direction 12 de la fente. La surface d'onde progressive 11 atteint successivement dans le sens de la 35 flèche 12 les différents éléments du milieu actif, excite ce milieu actif, et crée une? émission stimulée se propageant dans la direction 12. On sait que l'obtention d'un rayonnement laser de puissance optimum nécessite la réalisation des conditions suivantes : La vitesse de propagation de l'onde de décharge dans la direction 12 doit être 40 parfaitement constante j l'angle entre la surface d'onde 11 et la direction 12 ®AD ORIGINAL 70 47312 3 2123101 doit être tel que la vitesse de propagation de l'onde de décharge soit égale à celle de l'émission lunineuse dans la direction 12. Or, le dibpositif décrit dans l'article cité ci-dessus ne permet pas de réciiser les conditions précédentes, en particulier parce que l'onde progressive 5 créée par lu, ligne n'est pas rigoureusement plane. En accroissant le nombre de décharges ponctuelles telles que 5, 6,,7, 8, il . serait possible d'obtenir une onde résultante sensiblement plane, mais cbci nécessiterait la mise en oeuvre de générateurs d'impulsions très complexes. La figure 2 illustre schématiquement en perspective un exemple de générateur 10 laser selon l'invention. Ce générateur laser comprend une ligne plate constituée par une plaque isolante 20 disposée entre une première plaque métallique 22 et une .seconde plaque métallique 21 portées à des potentiels différents. La plaque isolante 20 est avantageusement une feuille de Nylar que l'on peLit 15 éventuellement enrouler, dérouler, entraîner, entre les plaques 21 et 22 à l'tide d'un dispositif mécanique très schématiquement-illustré en 32. Selon l'invention, l'une des extrémités de la plaqua 22 est découpée en forn.e de parabole 37 d'axe 23, de foyer F, et de sommet 5. Le laseï" comprend des moyens pour engendrer une décharge électrique sensi-20 blement ponctuelle au niveau du foyer F de la parabole 37. Ces moyens d'excitation sont constitués par pxemple par un générateur laser auxiliaire 33 commandé par un organs électronique 34 et susceptible d'émettre des impulsions lumineuses 35 J focalisées au niveau du foyer F de la parahole 37. Gn règle le générateur laser 33 pour que l'énergie soit suffisamment grande pour que la plaque métallique 22 25 et la plaque isolante 20 puissent être percées au niveau du foyer F. Dans le css le plus probable où la plaque métallique 22 comporte déjà une percée cylindrique au niveau du foyer F, on règle le générateur laser pour que la plaque isolante 20 'joit percée au niveau do ce foyer. Le temps de montée du front d'onde de décharge est avantageusement inférieur 30 au double du temps de propagation d'une onde de décharge dans la ligne plate entre le foyer F et le sommet S de la parabole (ce temps est par exemple de l'ordre d'une nanoseconde). Le générateur laser 33 peut être remplacé par un outil mécanique de perçage ponctuel de la plaque 20 ou encore par un générateur de tension susceptible de 35 créer une décharge dans la plaque 20 au niveau du foyer F, ou par tout dispositif analogue. La plaque 22 possède une fente 30 la séparant en deux parties distinctes où est maintenu un milieu laser actif. S'il s'agit de .l'air sous la pression atmosphérique, il n'est pas nécessaire 40 de fermer le logement du gaz. Dans le cas contraire, le milieu gazeux peut être BAD ©RiÊV-îft,^ -i - ORIGINAL 70 47312 4 2123101 enfermé t l'aide d'une lame isolante 28 disposée en regard de la fente 30 et fixée, par collage par exemple, sur les deux bords de cette fente. Une seconde lame 27 disposée sur la plaque isolante 20 est avantageusement placée en regard de la lame isolante 28. Dans ce cas les bords de la fente présentent des coudes 5 29 interposas entre les lames 27 et 28. Les extrémités du loger:,ent du gaz sont fermées par deux fer.êtres dont l'une est schématiquement représentée en 39. L'angle a est choisi de manière que cos a soit égal au rapport entre la vitesse de propagation d'une onde de décharge dans la ligne dans la direction définie par l'axe 25 et la vitesse de propagation d'une émission lumineuse dans 10 la direction de la fente 30. Les extrémités de l'axe de la fente 30 coupent avantageusement la plaque 22 en deux points de la parabole 37. L!n réflecteur 36, constitué par exemple d'une perçée de la plaque 22 en forme d'arc de cercle, centré sur le point F, est disposé du côté opposé à S 15 par rapport au foyer F. Ses dimensions transversales sont limitées par deux droites joignant le point F aux points extrêmes de la fente 30, par exemple la droite 38. Un laser à gaz selon l'invention fonctionne de la façon suivante : A un instant donné, le générateur 33 émet une impulsion lumineuse qui perce 20 la lame 20 au niveau du foyer F de la parabole 37 j l'onde de décharge émise présente une symétrie de révolution par rapport au foyer F, la fraction de la surface d'onde de décharge comprise dans l'angle défini par la droite 30 et son homologue est réfléchie par le réflecteur 36. Toutes les ondes émises au niveau du foyer F sont donc dirigées vers la para-25 bole 37 et se réfléchissent sur cette parabole ; on sait que la parabole est parfaitement stigmatique pour deux points conjugués : son foyer F et l'infini. La surface d'onde issue de F et réfléchie par la parabole est donc une surface d'onde parfaitement plane perpendiculaire à l'axe 23 de la parabole 37, et représentée par sa trace 26. 30 L'onde progressive de décharge 26 atteint donc successivement dans le sens de la flèche 31 les atomes ou les molécules du gaz actif. L'émission de lumière stimulée s'effectue donc d'un bout à l'autre de la fente dans le sens de la flè-cho 31 à la même vitesse que l'onde progressive 26 dans la direction de cette fente. Cette condition permet l'obtention d'un rayonnement laser cohérent très 35 puissant à la sortie de la fente 30. La mise en oeuvre d'un laser selon l'invention, de construction facile, ne nécessite qu'une décharge ponctuelle unique ; l'alimentation électrique de la ligne de décharge est donc considérablement simplifiée. D'autre part, la surface d'onde ds décharge présente moins d'aberrations que celle des lasers à gaz de ce 40 type connus jusqu'à présent. BAD 70 47312 5 2123101 Aprèc. l'émission d'une impulsion lasT, on déplace la feuille de Mylar entre les plaques 21 et 22, par exemple en l'enroulant en 32, de manière à décaler la percée effectuée au niveau du foyer F au delà du point S. La ligne d'excitation c1>j laser selon l'invention est alors en état de fonc-5 tionnement. L'opération de uéplacement de la feuille 20 peut s'avérer longue et délicate; une structure de ligne, dont un exemple est illustré en coupe par la figure 3, peut permettre de pallier cet inconvénient. La feuille 20 se compose dans ce cas de deux feuilles diélectriques super-10 posées 60 et 61. Au niveau du foyer F de la parabole, la plaque métallique 20 présente une percée cylindrique 65. Cette percée 65 est remplie d'un disque métallique 66 présentant une percée au niveau du foyer F. Les feuilles 6D et 61 présentent deux percées superposées en regard de la percée 65, respectivement complétées par deux pastilles 62 et 63, la pastille 53 15 ayant un diamètre supérieur à celui de la pastille 62. Les interstices entre ces pastilles peuvent être colmatés par une graisse isolante. Après le passage; de ces pastilles au niveau du foyer F, il suffit de les remplacer et il n'est pas besoin de déplacer l'ensemble de la feuille diélectrique. Le figure 4 est une vue de dessus très schématique d'une variante de laser 20 à gaz selon l'invention. On a représenté simplement la plaque supérieure parabolique 22 avec son foyer F et son réflecteur 36. Ce laser comprend plusieurs fentes telles que 40, 41, 42, 43, 44... communiquant deux à deux à leurs extrémités et dent les axes sont optiquement conjugués à l'aide de miroirs tels que 51, 52, 53, 54, paraliè-25 les à l'axe 23 de la parabole. On a représente en 26a, 26b, 26c, 26d, les positions successives de la surface d'onde de décharge. Cette surface d'onde fait un angle constant avec les tubes lasers qui s'éclairent les uns après les autres dans le sens des flèches toiles que 56. 30 II est possible ainsi d'exciter à l'aide d'une décharge unique une pluralité de tubes lasers disposés en ligne brisée. La dernière lame 55 peut être semi-transparente pour laisser passer le rayonnement laser. Dans un autre mode de réalisation, elle peut être totalement réfléchissante et être orientée perpendiculairement à l'axe du tube 44. L'onde de dé-35 charge est réfléchie par l'extrémité 57 de la ligne et excite à nouveau dans les mêmes conditions les milieux actifs des tubes lasers (dans le sens de la double ■flèche) Un laser à gaz selon l'invention permet d'obtenir facilement des puissances lumineuses considérables. 40 Le dispositif d'excitation par ligne plate permet une excitation très rapide BAD ORIGINAL 0 47312 6 2123101 des niveaux d'énergie de gaz tels que par exemple l'hydrogène ou l'azote permettant l'obtention de rayonnement ultraviolet. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décri et représenté qui n'a été dnnné qu'à titre d'exemple. En particulier, on pourra, 5 sans sortir du cadre de l'invention modifier certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. BAD ORIGINAL 70 47312 7 2123101 REVENDICATIONS 1/ Laser comprenant : - un milieu actif gazeux, - une ligne électrique plate d'excitation composée d'une plaque isolante interposée entre une première et une seconde plaque métallique, parallèles entre 5 elles et reliées respectivement aux deux bornes d'une source de tension, ladite première plaque métallique présentant au moins une fente la séparant en deux parties distinctes, - des moyens pour maintenir un milieu actif gazeux dans ladite fente, caractérisé par le fait qu'un bord de ladite première plaque métallique est en forma 10 de parabole, l'axe de ladite parabole faisant un angle a non nul avec ladite fente, et que lesdits moyens pour engendrer une onde de courant dans ladite ligne sont constitués par un circuit de déclenchement d'une décharge sensiblement ponctuelle entre lesdites plaques métalliques au niveau du foyer de ladite parabole. 2/ Laser à gaz selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits 15 moyens pour maintenir ledit milieu actif gazeux dans ladite fente comportent une première lame isolante longitudinale fermant ladite fente et fixée sur lesdites deux parties de ladite première plaque métallique. 3/ Laser à gaz selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour maintenir ledit milieu actif gazeux dans ladite fente comportent en 20 outre une seconde lams isolante longitudinale disposée sur ladite plaque isolante en regard de ladite première lame isolante, 4/ Laser selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les bords de ladite fente sont coudés et interposés entre ladite première et ladite seconde plaque isolante. 25 5/ Laser selon l'une des revendications 2, 3, 4, caractérisé par le fait que le logement défini par ladite fente et ladite première lame isolante est fermé à ses extrémités par deux fenêtres isolantes transparentes à un rayonnement d'émission dudit gaz. 6/ Leser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit angle oc est 30 tel que cos a est égal au rapport de la vitesse de propagation de ladite onde de courant suivant l'axe de ladite parabole, à la vitesse de propagation dudit rayonnement d'émission dudit gaz dans la direction de ladite fente. 7/ Laser selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que, ladite première plaque comportant une pluralité de fentes formant une ligne brisée et la 35 traversant de part en part, deux fentes consécutives communiquant entre elles au niveau de leurs extrémités, les axes de ces deux fentes consécutives sont conjugués optiquement par un miroir parallèle à l'axe de ladite parabole. 8/ Laser salon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'extrémité de la dernière fente est fermée par un miroir perpendiculaire à l'axe de cette fente. BAD ORIGINAL 70 47312 8 2123101 9/ Laser selon l'une des revendications précédentes caractérisé par 1g fait que ladite première plaque métallique comporte une percée cylindrique au niveau dudit foyer de ladite parabole. 10/ Laser selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ladite prt.nière 5 plaque métallique comporte en outre un réflecteur d'onde constituune perçée limitée par un arc de cercle sensiblement centré sur ledit foyer, les sommets de ladite parabole et dudit arc dè cercle étant disposés de part et d'autre dudit foyer. 11/ Laser selon la revendication 9, caractérisé par le fait que lesJits moyens 10 pour engendrer une onde de courant dans ladite ligne sont constitués par un organe de perçage de ladite plaque isolante au niveau dudit foyer. 12/ Laser selon la revendication.10 caractérisé par le fait que ledit organe de perçage est constitué par un générateur laser susceptible d'émettre une impulsion lumineuse focalisée au niveau dudit foyer. 15 13/ Laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens pour déplacer ladite plaque isolante entre lesdites plaques métalliques. 14/ Laser selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ladite plaque isolante est constituée par deux plaques diélectriques superposées présentant res-20 pectivement deux perçées cylindriques de diamètres différents en regard de la perçée de ladite première plaque métallique, ces dernières perçées étant remplies respectivement par deux disques amovibles en matériau diélectrique. 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