Brevet FR2239029A1 — publié le 19750221

La présente invention se rapporte à l'électronique quantique, et notamment à un procédé de réglage de l'intensité de rayonnement lumineux de laser dont le milieu actif est constitué par un gaz inerte avec addition de vapeurs d'éléments chimiques, ainsi qu'à un dispositif pour réaliser le procédé. On connaît largement des lasers comprenant un résonateur optique et, placé dans ce résonateur, un tube à décharge avec un milieu actif susceptible d'une émission stimulée sous l'effet d'une décharge à courant continu amorcée dans le tube. Récemment, on a appliqué le ménage d'un gaz inerte et des vapeurs de métaux et ou de métalloldes comme milieu actif, capable d'une émission stimulée. On connaît bien de tels mélanges tels que,par exemple, He-Se, He-Zn, He-Mg, Ne-Hg, Ne-Kd, etc. Des lasers utilisant de tels mélanges sont connus d'après la littérature technique sous les noms de lasers à vapeurs de métaux et de métalloides", ainsi que de "lasers à vapeurs d'éléments chimiques't. On connaît divers procédés de réglage de l'intensité de rayonnement lumineux de semblables lasers à gaz : par exemple en faisant varier, ou bien l'intensité du courant de décharge à courant continu, qui définit l'intensité de rayonnement lumineux, ou bien la pression des vapeurs de métal ou de métalloide, ou bien la pression du gaz inerte. Il est possible aussi de régler l'intensité de rayonnement lumineux en introduisant des pertes supplémentaires dans le résonateur ou en plaçant un atténuateur sur le trajet du rayonnement lumineux Tous les procédés énumérés présentent un inconvénient commun : ils ne permettent pas de rendre l'intensité supérieure à sua valeur atteinte, au cas où tous les paramètres susdits étaient sélectés au mieux. En outre, chacun des procédés sus-mentionnés présente aussi des inconvénients qui lui sont propres. Ainsi, on peut noter l'inertie comme inconvénient du procédé de réglage de l'intensité-de rayonnement lumineux des lasers à gaz décrit plus haut, qui se réduit à une variation du courant de décharge. La variation du courant de décharge est accompagnée de celle de la pression des vapeurs de métal ou de métallolde, ce qui est dû à une variation de échange thermique entre le tube à décharge et l'ambiance et, de ce fait, au moment initial d'une variation rapide du courant de décharge, l'intensité de rayonnement lumineux ne varie pas de façon univoque, cgest-à-dire qu'elle peut aussi bien augmenter que diminuer suivant les conditions de décharge.Par conséquent, on ne peut obtenir qu'un réglage lent, à inertie, de l'intensité de rayonnement lumineux. L'inertie est aussi inhérente au procédé de réglage de l'intensité de rayonnement lumineux du laser à gaz consistant en une variation de la pression des vapeurs de métal ou de métal bide, car le temps de rétablissement de la température du tube à décharge, et donc de la pression des vapeurs, est ici élevé. Le procédé de réglage de l'intensité de rayonnement lumineux du laser en question, consistant en une variation de la pression de gaz inerte, est en pratique peu commode et présente aussi une inertie. Les procédés de réglage de l'intensité basés sur l'introduction de pertes supplémentaires dans le résonateur, ou en interposant des atténuateurs sur le chemin de propagation du rayonnement lumineux, présentent une plus faible inertie. Ces procédés cependant, ou bien amènent de grandes pertes inutiles de l'intensité de rayonnement, ou bien exigent l'utilisation de pièces mécaniques mobiles, celles-ci étant peu commodes et peu fiables en fonctionnement. D'ailleurs, ces dernières rendent plus mauvais le rayonnement lumineux du laser à gaz, en introduisant des modifications supplémentaires dans le diagramme de directivité et l'homogénéité du rayonnement lumineux. L'invention vise à mettre au point un procédé de réglage de l'intensité de rayonnement lumineux dtun laser à vapeurs d'éléments chimiques, qui serait réalisé en faisant varier les paramètres de la décharge dans le gaz, présenterait une faible inertie, ne détériorerait pas la qualité dù rayonnement lumineux et rendrait possible une variation du rayonnement lumineux entre ses valeurs minimale et maximale. Ce problème est résolu grâce au fait,qu'en réglant l'intensité du rayonnement lumineux d'un laser à gaz,comprenant un tube à décharge rempli d'un gaz inerte avec additions de vapeurs d'éléments chimiques qui servent de milieu actif susceptible d'une émission stimulée sous l'action d'une décharge électrique à courant continu excitée dans ce milieu, selon-leinvention, on applique un champ électrique alternatif au milieu actif et on fait varier la fréquence de ce champ dans la gamme des fréquences d'oscillations non stationnaires du milieu actif, en excitant dans celui-ci une décharge électrique à courant continu, une variation de la fréquence du champ alternatif amenant celle de l'intensité de rayonnement lumineux de laser. Le procédé proposé, du réglage de l'intensité de rayonnement lumineux du laser à vapeurs d'éléments chimiques, présente une inertie notablement plus faible que celle des procédés connus, et permet de-doubler au moins l'intensité de rayonnement lumineux par comparaison avec le cas où ce réglage est absent. En outre, la présente d'un signal électrique alternatif contribue à une atténuation considérable des bruits dans le rayonnement lumineux de laser, ces bruits étant dûs aux oscillations non stationnaires surgissant dans le milieu actif après l'excitation dans ce dernier d'une décharge électrique à courant continu. Une fois que l'intensité maximale est atteinte, la valeur des bruits se trouve diminuée de deux ordres. Lcappli- cation du procédé proposé n'entraîne aucune modification supplémentaire du diagramme de directivité ni de l'homogénéité du rayonnement lumineux. Enfin, on doit noter que le procédé proposé permet de stabiliser l'intensité de rayonnement lumineux de laser à l'aide de simples moyens techniques. Pour le réglage de l'intensité de rayonnement lumineux de laser,à partir de sa valeur minimale jusqu'à sa valeur maximale, il faut utiliser un champ électrique alternatif ayant ure fréquence d'environ de 40 à 220 kHz. Dans le cas d'un laser à milieu actif hélium-vapeurs de cadmium, la gamme de réglage totale est réalisée en faisant varier environ de 80 à 110 kHz la fréquence du champ alternatif. Le réglage de l'intensité de rayonnement lumineux peut être fait en faisant varier aussi bien le courant du champ alternatif, que la tension de celui-ci, le courant électrique (les tensions) du champ alternatif devant alors constituer 0,01 de l'amplitude de courant (de tension) du champ continu, ce qui permettrait d'obtenir le meilleur résultat. Pour réaliser le procédé selon l'invention, le dispositif de réglage de l'intensité de rayonnement lumineux d'un laser à vapeurs d'éléments chimiques ayant un tube à décharge avec électrodes -- dispositif qui comprend une source de courant continu destinée à être connectée sur les électrodes du tube à décharge -- selon l'invention, est doté d'une source de courant alternatif sinusoldal, branchée sur les électrodes du tube à décharge en sérieavec la source de courant continu, la fréquence de cette source de courant acternatif-sinusoidal étant réglée dans la gamme des oscillations non stationnaires du milieu actif de laser. Le dispositif peut être muni d'un transformateur pour brancher des sources de courant alternatif et de courant continu, les secondaires de ce transformateur étant reliés aux électrodes du tube à décharge et à la source de courant continu, et les primaires à la source de courant alternatif sinusoldal. Dans une autre variante de réalisation du dispositif de réglage de l'intensité de rayonnement lumineux du laser à vapeurs d'éléments chimiques, comprenant une source de courant continu, destinée à être connectée sur les électrodes du tube à décharge, selon l'invention, on prévoit une source de tension alternative sinusoidale connectée sur les électrodes du tube à décharge en parallèle avec la source de courant continu, la fréquence de cette source de tension alternative sinusoidale étant réglée dans la gamme des oscillations non stationnaires du milieu actif. Dans cette variante de réalisation, il est avantageux de prévoir un condensateur dont une plaque est à relier à une électrode du tube à décharge, et la seconde à la source de tension sinusoldale, ainsi qu'une résistance, celle-ci devant être connectée sur l'électrode sus-mentionnée du laser en série avec la source de courant continu. L'invention est explicitée dans une description qui va suivre, de plusieurs modes de réalisation du dispositif proposé, dont l'analyse du fonctionnement permettra de mieux comprendre l'essentiel du procédé proposé, en se référant aux dessins, sur lesquels la figure 1 illustre un laser à vapeurs d'éléments chimiques muni du dispositif selon l'invention, pour le réglage de l'intensité de rayonnement lumineux de ce laser la figure 2 est le diagramme de variation de l'intensité de rayonnement lumineux d'un laser à mélange hélium-vapeurs de cadmium en fonction de la variation de la fréquence du champ électrique alternatif la figure 3 est le schéma d'un laser à vapeurs d'élé- ments chimiques avec un dispositif de réglage de l'intensité lumineuse de ce laser, ce dispositif comprenant une- source de courant sinusoïdal la figure 4 est le schéma d'un laser à vapeurs d'éléments chimiques avec un dispositif de réglage de l'intensité de rayonnement lumineux de laser, ce dispositif comprenant une source de tension sinusoïdale. La figure 1 représente un laser 1 dont l'intensité de rayonnement lumineux est réglée à l'aide d'un dispositif 2 comprenant une source 3 de courant continu et une source 4 de champ électrique alternatif. Un laser à gaz 1 comprend un tube à décharge 5 à fenêtres optiques 6, situées sous l'angle de Brewster par rapport à l'axe optique du laser 1, des miroirs 7 constituant un résona- teur optique. Le tube à décharge 5 renferme des électrodes 8 insérées dans le circuit électrique de sortie des sources 3 et 4 de courant continu et de courant alternatif. Entre ces électrodes se forme l'intervalle de décharge du tube à décharge 5. Ce tube 5 est rempli avec de-l'hélium et du cadmium, ce dernier commençant à s'évaporer après l'excitation d'une décharge à courant continu et, de ce fait, un mélange d'hélium et de vapeurs de cadmium se forme dans le tube à décharge 5. Ce mélange est le milieu actif susceptible d'une émission stimulée après l'excitation de la décharge à courant continu susdite.L'hélium peut être remplacé par un autre gaz inerte, et les vapeurs de cadmium, par les vapeurs d'un autre métal ou métallolde, le mélange de celles-ci avec le gaz inerte créant le milieu actif des lasers à vapeurs d'éléments chimiques qu'on vient de mentionner. Comme source 3 de courant continu, on peut utiliser toute source de courant stabilisé connue à présent. Il suffit que cette source fournisse-un courant de 50 à 250 mA et une tension de 1000 à 5000 V. Comme source de champ électrique alternatif, on peut utiliser tout générateur de courant (ou de tension) alternatif sinusoïdal, dont la gamme des fréquences équivaut à celle des oscillations non stationnaires du milieu actif, après l'excitation dans ce dernier d'une décharge électrique à courant continu. Dans la décharge électrique à courant continu interviennent des oscillations non stationnaires du milieu actif, lesquelles sont dues à une différence de vitesses de dérive et de diffusion des électrons et des ions dans un champ électrique engendré par la source de courant continu et aux courants d'électrons et d'ions sur la paroi du tube à décharge 5. Ces oscillations non stationnaires provoquent des irrégularités de concentration et de température des électrons et des ions dans le milieu actif et , de ce fait, les conditions d'excitation deviennent différentes dans les diverses parties du tube. La fréquence du courant (ou tension) alternatif sinusoldal, avec laquelle s'obtient l'intensité maximale de rayonnement lumineux, dépend de la pression du gaz inerte, du diamètre du-tube à décharge, ainsi que de la longueur du tube à décharge et de la pression des vapeurs de métaux et de métalloïdes. En tout cas, il suffit que la gamme de réglage de la fréquence de la source de courant (ou tension) alternatif soit environ de 40 à 300 kHz. Dans les lasers à gaz, où le milieu actif est l'hélium avec addition des vapeurs de cadmium, les intensités de rayonnement minimale et maximale sont obtenues, conformément à la courbe 9 (fig. 2) en faisant varier la fréquence de la source 4 de 80 à 110 kHz. Avec l'intensité maximale, ici 110 kHz, on constate une atténuation dé 100 fois, des bruits dans le ra yonnement lumineux. Au cas où, comme source 4 on utilise une source de courant alternatif, le dispositif 2 est doté d'un transformateur 10 -(fig. 3) dont le secondaire Il est relié à la source 3 de courant continu et à l'électrode 8, et le primaire 12, à la source 4 de courant alternatif. I1 faut choisir une source de courant alternatif dont. l'amplitude de courant constituerait environ O,Olde celle de la source de courant continu. Si une source de tension alternativé est employée comme source 4, on peut recommander le. schéma de la fig. 4. La source 4-de tension alternative est alors connectée en parallèle avec l'intervalle de décharge, à travers un condensateur 13, et la source 3 de tension continue, en parallèle au même intervalle de décharge à travers une résistance dans son circuit de sortie. Il faut choisir une source 4 dont l'amplitude de tension constituerait environ O,O1 de celle de la source de tension continue. L'essentiel du procédé revendiqué consiste en ce qui suit L'enclenchement de la source 3 de courant continu amène l'apparition d'une décharge électrique dans le tube à décharge 5. Cette décharge excite le milieu actif, et une émission lumineuse stimulée surgit à l'intérieur du résonateur d'où cette émission est sortie au moyen d'un des miroirs. Comme on l'a déjà évoqué ci-dessus, apparaissent alors des oscillations transitoires. Après l'application d'un champ électrique créé par la source 4, les oscillations transitoires se transforment en oscillations régulières ayant une fréquence égale à celle du champ électrique alternatif. Lorsque la fréquence du champ électrique alternatif devient telle,que le quotient de la durée de vie des ions du gaz inerte par la période des oscillations régulières constitue un nombre entier impair, la concentration et la température des électrons du milieu actif prennent des valeurs élevées. L'intensité de rayonnement lumineux est alors maximale. Lorsque la fréquence du champ électrique alternatif est telle, que le quotient de la durée de vie des ions du gaz inerte par la période des oscillations régulières constitue un nombre entier pair, la-concentration et la température des électrons du milieu actif prennent des valeurs réduites. L'intensité de rayonnement lumineux est alors minimale. L'établissement des oscillations régulières et de l'intensité de rayonnement lumineux prend un temps égal à quelques périodes d'oscillations, ce qui veut dire que le réglage de l'intensité de rayonnement lumineux se passe sans inertie. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties,ayant été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé de réglage de l'intensité de rayonnement d'un laser gazeux à vapeurs d'éléments chimiques, du genre de cèux consistant en ce qu'on applique un champ électrique à courant continu au milieu actif de ce laser, afin d'exciter ce milieu et d'assurer de cette façon une émission lumineuse stimulée, caractérisé en ce qu'on applique supplémentairement, au milieu actif, un champ électrique alternatif et qu'on fait varier la fréquence de ce dernier dans la gamme des fréquences d'oscillations transitoires du milieu actif lors de l'excitation dans celui-ci d'une décharge électrique à courant continu, en suite de quoi le rayonnement lumineux varie en intensité. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on applique un champ électrique alternatif qui varie eh fréquence dans une gamme d'environ 40 à 220 kHz. 3. Procédé selon la revendication 2 pour réglage du rayonnement lumineux d'un laser ayant le milieu actif héliumvapeurs de cadmium, caractérisé en ce qu'on applique un champ électrique alternatif ayant une fréquence de 80 à 110 kHz. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendication-s 1 à 3, caractérisé en ce qu'on fait varier la fréquence du champ électrique alternatif. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'amplitude du courant électrique du champ alternatif vaut environ 0,01 de celle du courant du champ continu. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on fait varier la fréquence de tension du champ électrique alternatif. .7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'amplitude de la tension du champ électrique alternatif vaut environ 0,01 de celle de la tension du champ électrique continu. 8. Dispositif de réglage de l'intensité de rayonnement lumineux-d'un laser gazeux à vapeurs d'éléments chimiques ayant un tube à décharge renfermant des électrodes, qui comprend une source de courant continu connectée aux électrodes du tube pour exciter une décharge~ électrique à courant continu, caractérisé en ce qu'il comprend une source de. courant alternatif réglable en fréquence et propre à être connectée aux électrodes mentionnées du tube en série avec la source de courant continu. sur le circuit électrique du tube à décharge et élaborant des signaux sinusoïdaux dans la gamme des fréquences correspondant aux oscillations transitoires du milieu actif, lors de l'excitation dans celui-ci de la décharge électrique à courant continu. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur dont les secondaires sont raccordés aux électrodes du tube à décharge et à la source de courant continu, et les primaires, à la source de courant sinu soidal. 10. Dispositif de réglage de l'intensité de rayonnement d'un-laser gazeux à vapeurs d'éléments chimiques ayant un tube à décharge renfermant des électrodes, qui comprend une source de courant continu connectée sur les électrodes du tube afin d'exciter une décharge électrique à courant continu, caracterisé en ce qu'il comprend une source de tension alternative réglable en fréquence, propre à être connectée aux électrodes mentionnées du tube en parallèle avec la source de courant continu et élaborant des signaux sinusoïdaux dans la gamme des frequen- ces d'oscillations transitoires du milieu actif, lors de l'excitation dans celui-ci de la décharge électrique à courant continu. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la source de courant alternatif est connectée à l'une des electrodes directement et à la seconde à travers un condensauteur, et que la source de courant continu contient une résistance dans son circuit de sortie.