Brevet FR2141558A1 — publié le 19730126

La présente invention a pour objet un di-spositif pour laser, appelé tête laser, dont le milieu actif est un liquide. es têtes laser à liquide sont constituées essentiellement d'un boltier contenant une enceinte de forme cylindrique fermée à chacune de ses deux extrémités par une fenêtre plane, réalisée en un matériau transparent et destinée à contenir le milieu actif liquide, des moyens de pompage optique dudit milieu actif entourant ladite enceinte et un reflecteur entourant lesdits moyens de pompage et ladite enceinte de façon à augmenter le rendement de pompage. Chacune des deux fenêtres planes de l'enceinte contenant le milieu actif est située en regard d'une ouverture percée dans le boîtier de façon à ce que la lumière qui se propage suivant l'axe de l'enceinte puisse sortir du boîtier Les moyens de pompage couramment utilisés sont un ou plusieurs tubes à eclairs entourant l'enceinte.Le tube à éclairs est sénérale- ment connecté à un condensateur, ou à une batterie de condensateurs, fournissant l'énergie électrique nécessaire à l'amorçage de la décharge dans le tube à éclairs. Ce condensateur est placé à l'extérieur du boîtier. L'émission de lumière laser est notamment obtenue par la réalisation d'une inversion de population entre deux niveaux d'énergie, un niveau inférieur et un niveau supérieur, de molécules fluorescentes excitées, contenues dans le milieu actif laser. Ce sont les photons émis par le tube à éclairs qui excitent lesdites molécules. La durée de cette inversion de population dépend de la durée de vie du niveau supérieur.Dans certains cas, lorsque le milieu actif laser est constitué par exemple d'un colorant organique, la durée de l'inversion de population est relativement courte, une dizaine de nanosecondes par exemple. il devient alors necessaire de réaliser le pompage optique dans un temps très bref, au moins aussi court que la durée de vie du niveau supérieur des molécules fluorescentes.La décharge électrique produite dans le tube à éclairs doit être brève, ce qui impose de réduire au minimum les valeurs des coefficients de selfinduction de l'ensemble "condensateur-tube à éclairs11. Le couplage optique du tube à éclairs avec l'enceinte contenant le milieu actif liquide dolt également être ie meilleur possible, afin d'éviter les pertes optiques et d'utiliser au mieux Ja puissance du tube à éclairs. La présente invention propose une tête laser à liquide permettant d'obtenir une impulsion lumineuse de pompage du milieu actif ayant un temps de montée très bref ainsi qu'un bon rendement du pompage optique. A cette fin, l'invention propose une tête laser pour un laser dont le milieu actif est un-liquide, comportant principalement dans un boîtier une enceinte de forme cylindrique fermée à chacune de ses deux extrémités par une fenêtre plane située en regard d'un trou percé dans ledit boitier, réalisée en un matériau transparent et électriquement isolant, destinée à contenir ledit milieu actif liquide et munie d'un orifice d'entrée et d'un orifice de sortie dudit milieu actif liquide, des moyens de pompage optique dudit milieu actif liquide entourant ladite enceinte et un réflecteur entourant lesdits moyens de pompage, ladite tête laser étant caractérisée en ce qu'elle comporte un condensateur d'alimentation en énergie electrique desdits moyens de pompage placé à l'intérieur dudit boîtier, ledit condensateur ayant la forme d'un cylindre percé de part en part suivant son axe, la partie interne creuse dudit condensateur étant de forme cylindrique, les deux extrémités dudit condensateur formant chacune une électrode, en ce que lesdits moyens de pompage sont un tube à éclairs de forme coaxiale, et en ce que ladite enceinte, ledit tube à éclairs, ledit réflecteur et ledit condensateur constituent une structure coaxiale d'axe confondu avec celui de ladite enceinte, laquelle forme la partie centrale de ladite structure, la partie externe étant formée dudit condensateur, la paroi externe de ladite enceinte et la paroi interne dudit tube à éclairs délimitant une chambre dans laquelle peut circuler un fluide réfrigérant, chaque électrode dudit condensateur étant reliée électriquement à l'une des deux électrodes dudit tube à éclairs. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de reallsatlon avantageux de l'invention donné à titre d'exemple expllcatlf mais non limitatif. Ia descriptlon se réfère aux dessins qui 'accompagnent dans lesquels: - La figure 1 représente une coupe axiale dudit mode de réa3isation et - la figure 2 montre lme vue agrandie d'une partie de ladite coupe axiale. Le mode de réalisation avantageux représenté sur les figures J e-t 2 a une structure très compacte, ce qui permet d'obtenir des valeurs très faibles des coefficients de selfinduction du tube à éclairs et du condensateur alimentant en énergie électrique ledit tube. Le temps de montée de l'impulsion lumlneuse produite par la décharge électrique dans le tube à éclairs est ainsi très bref, ce qui permet d'établir très rapidement une inversion de population à l'intérieur du milieu actif liquide.Ce mode de réalisation comprend tout d'abord un boîtier I constitué d'un tube cylindrique métallique 2 fermé à chacune de ses deux extrémités par plusieurs pièces mécaniques de forme annulaire, ces pièces formant d'une façon générale un flasque 4 ou 6. Ces flasques sont percés, notamment, de deux trous circulaires centrés sur axe du cylindre 2 et permettant le passage étanche des deux extrémités d'une enceinte cylindrique 8 destinée à contenir le milieu actif laser qui est un iiquide. Ce dernier peut être par exemple formé d'un colorant organique ou encore constitué d'ions de terres rares incorporés dans des molécules organiques complexes cnélatesj dissoutes dans des solvants organiques. L'enceinte 8 est rormée pour sa partie centrale d'un tube cylindrique 10 de faible diamètre réalisé en un matériau transparent et électriquement isolant tel que le verre ou le quartz, de deux pièces cylindriques métalliques 12 et 14 scellées d'une façon étanche aux deux extrémités du tube transparent 1(0. L'enceinte 8 est fermée à ses deux extrémités par deux fenêtres planes 16 et 18 inclines à l'incidence de Brewster par rapport à l'axe de l'enceinte et réalisées en un matériau transparent tel que le verre ou le quartz.Les fenêtres peuvent être constituées également par deux miroirs parallèles, l'un à réflexion totale, l'autre semi-transparent pour realiser à l'intérieur du tube une cavité "Perot---Fabry". Cette enceinte 8 comporte un orifice d'entrée SQ et un orifice de sortie 22 du milieu actif liquide. En fonctionnement, ce dernier remplit totalement l'enceinte 8 et y circule parallèlement à l'axe de cette enceinte à l'aide d'une pompe, non représentée sur les figures 1 et 2, située à l'extérieur du boîtier I et con nectée entre les orifices d'entrée et de sortie 20 et 22.Un tube à éclairs 24 de forme coaxiale entoure la partie cylindrique transparente 10 de l'enceinte 8. I1 est constitué principalement de deux enveloppes cylindriques 26 et 28 coaxiales, ayant pour axe commun l'axe de l'enceinte 8, réalisées en un matériau transparent et électriquement isolant tel que le verre ou le quartz, et de deux électrodes annulaires 30 et 32 formant l'espace libre compris entre les deux enveloppes cylindriques 26 et 28. La première électrode 3n est munie d'un passage 34 permettant de pomper l'air du tube à éclairs 24 et d'y lntro- duire un ou plusieurs gaz dans lequel, ou ïesquels, on réalisera les décharges électriques entre les électrodes 30 et 32.La paroi externe de l'enceinte 8, la paroi interne du tube à éclairs 24 constituée par l'enveloppe cylindrique 26 et partiellement les deux flasques 4 et 6 délimitent une chambre 36 Cette dernitre est munie d'un orifice d'entrée 38 et d'im orifice de sortie 40 permettant de faire circuler dans cette chambre un fluide réfrigérant et optiquement filtrant. Ce dernier peut être avantageusement une huile à base de silicone absorbant les rayon nements ultraviolets émis par le tube à éclairs 24. Ces rayonnements sont en effet néfastes car, d'une part, ils échauffent le milieu actif liquide contenu dans l'enceinte 8 et, d'autre part, ils dissocient par photolyse les molécules fluorescentes de ce liquide.La puissance électrique nécessaire au fonctionnement du tube à éclairs 24 est fournie par un condensateur 42 placé à l'intérieur du boîtier 1. Cette caractéristique essentielle, ainsi que la forme et la disposition du condensateur, permettent d'obtenir des coefficients de self-induction très faible pour l'ensemble "condensateur-tube à éclairs".Le condensateur 42 a la forme d'un cylindre percé de part en part suivant son axe qui est confondu avec l'axe de l'enceinte 8, la partie creuse, de torme cylindrique, accuelSlant le tube à éclaires 24 et l'enceinte 8 Les électrodes 44 et 4Ç du condensateur 42, situées chacune à l'une des deux extrémités de ce condensateur, sont reliées respectivement aux électrodes 30 et 32 du tube à éclairs 24 par l'intermédiaire de deux pièces métalliques 48 et 50 ayant chacune une partie souple en forme de couronne s'appuyant en formant un bon contact électrique sur les deux électrodes du tube à éclairs.Une couche métallique 52 d'un matériau réflé- chissant, tel que l'or ou le plate, est déposée sur la surface externe de l'enveloppe cylindrique 28 du tube à éclairs. Cette couche 52, qui forme un réflecteur pour la lumière mise par le tube à éclairs, est en contact avec l'électrode 32 mais est suffisamment éloignée de l'électrode 30 de façon à être élec triquement isolée de cette dernière.L enceinte 8, ie tube à éclairs 24, le réflecteur formé par ia couche réfléchissante 52 et le condensateur 42 forment ainsi une structure coaxiale ayant pour axe l'axe de l'enceinte 8: cette dernière forme la partie centrale de ladite structure et ie condensateur 42 constituant la partie externe. Deux vls métalliques 54 et 56 en contact respectivement avec les électrodes 44 et 46 forment des bornes électriques et permettent. de charger le condensateur 42. L'électrode 54 et le tube 2 sont avantageusement reliés à la masse électrique du montage La chambre 36 contient, noyé dans le fluide réfrigérant, un fil électrique 58 enroulé sans contact sous forme d'une hélice autour de l'enceinte 8 Ce fil 58 n'est pas en contact avec l'enveloppe cylindrique 26 du tube à éclairs 24 de façon à en être isolé électriquement. L'amorçage rapide du tube à éclairs 24 est réalisé en envoyant sur le fil 58 une impulsion de déclenchement de tension électrique élevée, de 10 à 40 kV par exemple, et de polarité opposée à la tension de charge du condensateur 42- La tension électrique est répartie de la façon suivante: l'électrode 44 est connectée à la masse, l'électrode 4F et la couche conduc trics 52 sont à un même potentiel de polarité donnée. L'impulsion électrique de déclenchement appliquée sur le fil 58 est de polarité opposée.Cette façon de procéder permet d'augmenter très sensiblement le courant capacitif passant dans le tube à éclairs 24 à partir des électrons présents dans ie tube, et de diminuer ainsi très fortement le temps nécessaire à la décharge électrique principale. Les flasques latéraux 4 et 6, conçus de façon à permettre l'introduction de l'enceinte 8 et du tube à éclairs 24 dans le boîtier J sont réaLisés en un matériau électriquement isolant, mises à part bien entendu les pièces métalliques 48 et 50.Ces flasques peuvent être munis de supports, non représentés sur les figures 1 et 2, permettant de fixer en regard des fenêtres 16 et 18 deux miroirs, dont l'un au moins est semi-transparent, disposés de façon à former une cavité résonnante de Pérot-Fabry dans laquelle est insérée l'enceinte 8. L'un des deux miroirs peut être remplacé par un prisme à réflexion totale, l'autre par un réseau, ce qui permet de sélectionner une longueur d'onde déterminée de la lumière laser émise. La tête laser décrite munie des deux dits miroirs forme un oscillateur laser. I1 va sans dire que la présente invention ne se limite pas au seul mode de réalisation qui a été représenté et décrit à titre d'exemple explicatif mais non limitatif. En - particulier, le tube à éclairs 24 peut être un tube scellé; le passage 34 n'existant pas dans ce cas. REVENDICATIONS f 7 Tête laser pour laser dont Je milieu actif est un liquide, comportant principalement dans un boîtier une enceinte de forme cylindrique, fermée à chacune de ses deux extrémités par une fenêtre plane, site en regard d'un trou percé dans ledit boitier, réalise en un matériau transparent et électriquement isolant, destinée à contenir ledit milieu actif liquide et munie d'un orifice denturée et d'un orifice de sortie dudit milieu actif liquide, des moyens de pompage optique dudit milieu actif liquide entourant ladite enceinte et un réflecteur entourant lesdits moyens de pompage, ladite tête laser étant caractérisée en ce qu'elle comporte un condensateur d'alimentation en énergie électrique desdits moyens de pompage placé à l'intérieur dudit boîtier, ledit condensateur ayant la forme d'un cylindre percé de part en part suivant son axe, la partie interne creuse dudit condensateur étant de forme cylindrique, les deux extrémités dudit condensateur formant chacune une électrode, en ce que lesdits moyens de pompage sont un tube à éclairs de forme coaxiale, et en ce que ladite enceinte, ledit tube à éclairs, ledit réflecteur et ledit condensateur constituent une structure coaxiale d'axe confondu avec celui de ladite enceinte, laquelle forme la partie centrale de ladite structure, la partie externe étant formée dudit condensateur, la paroi externe de ladite enceinte et la paroi interne dudit tube à éclairs délimitant une chambre dans laquelle peut circuler un fluide réfrigérant, chaque électrode dudit condensateur étant reliée électriquement à lune des deux électrodes dudit tube à éclairs. 2'/ Tête laser suivant la revendication 1 , caractérisée en ce que la paroi externe dudit tube à éclairs est recouverte d'une couche d'un matériau réfléchissant formant ledit réflecteur. 3 / Tête laser suivant la revendication 2, caractérisée en ce que ladite couche est reiiée électriquement à l'é- lectrode dudit tube à éclairs portée au potentiel électrique le pl.us élevé en valeur absolue 40/ Tête laser suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte dans ladite chambre un fil électrique enroulé en forme d'hélice sans contact autour de ladite enceinte et isolé de ladite enceinte et dudit tube à éclairs, ledit fil électrique pouvant être parcouru, d'une façon synchrone avec le début de la décharge dudit condensateur, par une impulsion de terolon électrique de valeur élevée et de polarité opposée à la torsion de charge dudit condensateur. 50/ Tête laser suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit fluide réfrigérant est de l'huile à base de silicone absorbant les rayons ultraviolets. 6 / Application de ladite tête laser définie à l'une des revendications précédentes à la réalisation d'un oscillateur laser dont le milieu actif est un liquide.