Brevet FR2312873A1 — publié le 19761224

L'invention concerne un laser à décharge brève entre deux electrodes allongees. Dans un tel laser la direction de l'émission de lumière est Rénéralement définie principalement non pas par une cavité optique résonnante. mais par la forme de l'espace dans lequel l'amplification de lumière peut avoir lieu. ta direction principale d'emission est alors celle selon laquelle la lumière peut être amplifiée le plus longtemps, c'est-à-dire celle du canal situé entre les deux électrodes. C'est en effet dans ce canal, contenant un gaz convenable. quta lieu la décharge electrique qui crée le milieu amplificateur en excitant ce gaz. Le probleme se pose alors d'obtenir une émission de lumière a divergence aussi faible que possible. C e problème se pose notamment dans le cas d'un laser à décharge brève du type à onde progressive. Un tel laser comporte classiquement une ligne électrique plate dont les surfaces conductrices ont une forme parabolique ; au foyer de la parabole, on place un éclateur qui, après une charge de la ligne, court-circuite les deux surfaces conductrices et engendre ainsi une onde électrique progressive dans la ligne ; un canal laser est réalisé en interroeiptant l'une des surfaces conductrices par une fente rectiligne dont les bords constituent deux electrodes et en maintenant un gaz, tel que l'azote, dans cette fente. Ce canal fait un angle convenable avec l'axe de la parabole, les deux electrodes sont reliées electriquezent par une self pour la charge de la lient plate.On obtient ainsi entre les électrodes une décharge électrique localisée qui se déplace dans le canal à une vitesse eaale à celle de la lumière et oui realise une excitation très rapide de l'azote. Cette excitation permet l'amplification sélective d'une onde lumineuse oro- agressive y accompagnant la zone de décharge. Un tel laser est décrit dans l'article de M. B. GODARD - " A simple high-power large efficiency N2 ultraviolet laser" I.E.E.E. Journal of Quantum Electronics. vol. QE-lO n 2. February 1974. pp. 147 à 153 Les faces en regard des electrodes entre lesquelles apparaît la de charge electrique progressive sont polies et ont la forme de surfaces planes parallèles avec des bords arrondis. Une telle forme est en effet simple et classique pour l'ctablissement d'une de charge electrique entre deux electrodes lorsqu'on veut que la tension d'amorçage soit bien déterminée et que les électrodes ne soient pas détériorées. Le faisceau au laser impulsionnel ainsi obtenu n'est pas parallèle et presente une divergence. qui peut être partiellement supprimee en plaçant sur le trajet du faisceau une lentille dont le foyer coïncide avec une première extrémité du canal laser, c'est-à-dire avec la zone où commence la décharge électrique et où apparaît l'onde lumineuse qui sera ensuite amplifiée tout le long du canal. La divergence qui subsiste est cependant encore gênante et ne peut pas être suffi somment corrigée par des moyens optiques agissant sur le faisceau. La présente invention a pour but la réalisation d'un laser à décharge brève entre deux électrodes allongées permettant d'obtenir un faisceau dont la divergence peut être rendue très faible. Elle a pour objet un laser à décharge brève entre deux électrodes allongées comportant - une enceinte ayant au moins une paroi transparente et contenant un gaz susceptible de devenir amplificateur de lumière lorsqu'il est excité par une décharge électrique, - dans cette -enceinte deux électrodes métalliques allongées et parallèles dont les faces en regard délimitent entre elles un canal laser allongé ayant une première et une deuxième extrémité, - des moyens électriques pour provoquer une décharge brève entre les faces en regard desdites électrodes de manière à ce qu'une onde lumineuse apparaissant dans la décharge à la première extrémité du canal et se propageant vers la deuxième extrémité soit amplifiée le long de ce canal jusqd i cette deuxième extrémité puis sorte de l'enceinte par ladite paroi transparente, caractérisé par le fait que chacune desdites faces en regard des électrodes présente, lorsqu'elle est vue en coupe par un plan perpendiculaire au canal, une fors -n pointe arrondie dirigée vers l'autre électrode, grâce à quoi la lumière qui se propage obliquement dans le canal et qui arrive sur l'une de ces faces n'est sensiblement pas réfléchie vers le canal et n'est donc blus amnlifiée . L'vfficacité de la Drésente invention tient au fait azote la partie irréductible de 1a divergence des lasers à décharge brt connus était essentiellement due au fnit au'une partie de l'énergie d'excitation du eaz était utilisée pour amplifier des ondes lumineuses se propageant obliquement dans le canal laser par réflexions successives sur les parties planes des faces en regard des électrodes. A l'aide des figures 1 à 3 ci-jointes on va décrire ci-après un mode de réalisation de 11 invention. les éléments se correspondant sur diverses figures v Dortant les mimes numéros de référence. La figure 1 représente une vue schématique de dessins en coupe Dartielle d'un laser à onde proaressive selon l'invention. La figure 2 représente une vue schématique en coupe du laser de la figure 1. La figure 3 représente une vue en coupe par un Dlan perpendiculaire au canal laser montrant à plus grande échelle les électrodes entre lesquelles se produit la décharge électrique progressive. Selon les figures 1 et 2 le laser selon l'invention comporte une enceinte allongée 2, en polyméthacrylate de méthyle contenant de l'azote sous une pression comprise entre 10 et 200 millibars, 50 millibars par exemple. Peux électrodes allongées d'acier inoxydable 4 et 6 sont disposées parallèlement dans cette enceinte et forment les bords d'un canal laser 8 de 90 cm de long. Une ligne électrique plate est formée par deux feuilles minces de cuivre 10 et 12 dont un bord forme une parabole 14, séparée par une feuille isolante 16 formée de polyester ou polyimide avec une épaisseur de 75 microns. Un autre bord de la feuille 10 est en contact avec l'électrode. Une autre feuille de cuivre la est placée dans le prolongement de la feuille 10 et a un bord en contact avec ltelectrode 6. Elle est connectée à la feuille 10 nar une inductance 20. Un générateur électrique 22 charge la ligne plate ainsi formée sous une tension de 1 à 10 kV, par exemple 5 kV. Un éclateur 24, placé au foyer de la parabole 14, provoque ensuite la décharge de cette ligne plate en connectant brusquement la feuille 10 à la feuille 12. Il en résulte l'apparition d'une onde électrique dans la ligne. Cette onde est d'abord circulaire, puis, par réflexion sur la parabole 14, devient une onde rectiligne qui est perpendiculaire à l'axe de cette parabole et qui se oronge vers le canal 6 parallèlement à l'axe de cette parabole. Lorsqu'elle atteint ce canal, elle y provoque une décharge électrique brève entre les électrodes 4 et 6. En raison de l'inclinaison de ce canal par rapport à l'onde électrique, cette décharge se propage d'une première extrémité 26 de ce canal jusqu a sa deuxième extrémité 28 à la vitesse de la lumière. Une onde lumineuse apparaissant à l'extrémité 26 et se dirigeant vers l'extrémité 28 accompagne donc la décharge électrique. Si cette onde lumineuse a une longueur d'onde convenable, de 3371 angstroems, elle est amplifiée tout le long du canal 8 par l'azote qui est excité par la décharge électrique, alors qu'une onde lumineuse de même longueur d'onde mais avec une direction de propagation très différente ne sera amplifiée que sur un trajet très court. Compte tenu du fait que l'onde amplifiée prend naissance à l'extrémité 26, il faute pour obtenir un faisceau de sortie parallèle, utiliser une lentille convergente 30, dont le foyer coincide avec l'extrémité 26. Une divergence du faisceau subsiste cependant car certaines ondes ayant la longueur d'onde conve nahle sont réfléchies par les électrodes 4 et 6 en formant un angle très faible avec l'axe du canal 6, ce qui leur donne une vitesse de propagation dans la direction du canal très voisine de celle de la décharge électrique. Files sont donc amplifiées elles aussi tout le long du canai. La forme des électrodes 4 et 6 représentée sur la figure 3 permet d'éviter ces réflexions et cette amplification parasite. Chacune de ces électrodes est polie et présente, en coupe, une forme en pointe arrondie dirigée vers l'autre électrode. Le rayon de courbure de la pointe arrondie, 1 mn par exemple de préférence inférieur au quart de la largeur du canal 8 situé entre ces pointes, 6, 7 mm par exemple. Ce rayon reste cependant de préférence supérieur à 2X de cette largeur. Chaque pointe forme un arc de cercle compris de préférence entre 120 et 1700 de manière à ce que l'épaisseur des électrodes devienne plus grande quand on s'éloigne du canal 8. En dehors de ces pointes, ces électrodes ont la forme générale de lames épaisses de 5 mn et présentent deux faces parallèles à la direction générale des feuilles 10, 12 et 18. La face la plus éloignée, telle que 40, reste parallèle à cette direction générale jusqu'à la pointe arrondie. L'autre face, telle que 42, est en contact avec la feuille 10 ou la feuille 18, jusqu'au bord de cette feuille qui constitue en meme temps une ligne d'arête telle que 44. Puis cette face s'éloigne du prolongement de cette feuille jusqu'à la pointe arrondie. Ceci permet d'éloigner la zone de décharge, de la feuille isolante 16. Cette zone est représentée par un trait tiré et situé entre les pointes arrondies. Les feuilles 10, 12, 16 et 18 qui sont souples sont fixées sur un support 46 qui assure la rigidité mécanique de l'ensemble. Ce support est creusé de deux rainures sous les parties des électrodes 4 et 6 en contact avec les feuilles 10 et 18, au voisinaRe des lignes d'arête telles que 44. Dans ces rainures sont disposés des moyens pour presser élastiquement lten- semble des feuilles 10, 12, 16 et 18 contre les électrodes 4 et 6 pt assurer un bon contact entre ces électrodes et les feuilles 10 et 18. Ces moyens sont constitués nar des tuyaux souples 48 et 90. Lo sncle 46 forme d'autre Dart un creux 52 en regard de l'esDnce intérieur à l'enceinte 2. de manière à Permettre d'éloigner encore les feuilles 16 et 17 du canal 8. Cet éloignement est assuré en faisant communicuer le fond de ce creux 52 avec une pompe à vide non représentée. Le laser qui vient d'etre décrit permet d'obtenir, à l'aide de la lentille 30. un faisceau au avant une divergence de 0,3 milliradians, alors aue si l'on avait utilisé la forme habituelle des électrodes la divergence aurait été de 10 milliradians environ en utilisant une lentille snslneut. La durée de l'imDul- sion lumineuse est généralement comprise entre 2 et 12 ns. Il peut etre parfois utile de disposer au voisinage de l'éclateur 24 un réflecteur pou r empêcher l'onde circulaire prenant naissance sur cet éclateur d'atteindre directement le canal laser 8. Cependant cette précaution n'est pas indispensable car cette onde directe parvient au canal laser presqu'en meme temps que l'onde réfléchie par la parabole constituant le bord de la liane plate. REVENDICATIONS 1/ Laser à décharge brève entre deux électrodes allongées comportant : - une enceinte (2) ayant au moins une paroi transparente et contenant un gaz susceptible de devenir amplificateur de lumière lorsqu'il est excité par une décharge électrique, - dans cette enceinte deux électrodes métalliques allongees et parallèles (4, 6) dont les faces en regard sont polies et délimitent entre elles un canal laser allongé (8) ayant une première (26) et une deuxième extrémité (28), - des moyens électriques (10, 12, 16, 18, 20, 22, 24) pour provoquer une décharge brève entre les faces en regard desdites électrodes de manière à ce qu'une onde lumineuse apparaissant à la première extrémité du canal et se propageant vers la deuxième extrémité soit amplifiée le long de ce canal jusqu'à cette deuxième extrémité puis sorte de l'enceinte par ladite paroi transparente, - caractérisé par le fait qu'un système optique convergent (30) est placé sur le trajet de ladite onde lumineuse sortant de ladite deuxième extrémité du canal, le foyer de ce système optique coincidant sensiblement avec ladite première extrémité du canal, chacune desdites faces en regard des électrodes (4, 6) présentant, lorsqu'elle est vue en coupe par un plan perpendiculaire au canal, une forme en pointe arrondie dirigée vers l'autre électrode, grâce à quoi la lumière qui se propage obliquement dans le canal et qui arrive sur l'une de ces faces est réfléchie en dehors du canal et n'est donc plus amplifiée. 2/ Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayon de courbure de ladite pointe arrondie est compris entre 2% et 25% de la largeur dudit canal laser. 3/ Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que les côtés de ladite pointe arrondie sont sensiblement plans, l'arc formant l'extrémité de cette pointe formant un angle compris entre 1200 et 1700. 4/ Laser selon la revendication 1 comportant - une enceinte (2) ayant au moins une paroi transparente et contenant un gaz susceptible de devenir amplificateur de lumière lorsqu'il est excité par une décharge électrique, - dans une enceinte deux électrodes métalliques allongées et parallèles (4, 6) dont les faces en regard délimitent entre elles un canal laser allongé (8) ayant une première (26) et une deuxieme extremite (28), - des moyens électriques (10, 12, 16, 18, 20, 22, 24) pour provoquer entre les faces en regard desdites électrodes une décharge localisée se déplaçant de la première à la deuxième extrémité dudit canal à la vitesse de la lumière de manière à ce qu'une onde lumineuse apparaissant dans la décharge à la première extrémité du canal et se propageant vers la deuxième extrémité soit accompagnée par la décharge le long de ce canal et sélectivement amplifiée jusqu'à cette deuxième extrémité puis sorte de l'enceinte par ladite paroi transparente, - caractérisé par le fait que chacune desdites faces en regard des électrodes (4, 6) présente, lorsqu'elle est vue en coupe par un plan perpendiculaire au canal, une forme en pointe arrondie dirigée vers l'autre electrode, grâce à quoi la lumière qui se propage obliquement dans le canal et qui arrive sur l'une de ces faces n'est sensiblement pas réfléchie vers le canal et n'est donc plus amplifiée.