Brevet FR2301938A1 — publié le 19760917

La présente invention a pour objet un laser à gaz avec enceinte de décharge étanche au vide, dans lequel au moins l'enveloppe de l'enceinte est en verre et l'une au moins de ses faces frontales est obturée par une plaque métallique pourvue d'une ouverture derrière laquelle se trouve monté sur la face extérieure de l'enceinte un organe réfléchissant. I1 existe déjà sur le marché un tel laser à gaz obturé sur ses deux faces par des plaques et fabriqué de façon entièrement automatique et selon un procédé ne comportant que relativement peu d'opérations, Dans cette réalisation connue, les organes réfléchis sangs sont directement fixés sur les plaques au moyen d'une étanchéi- V té du type dit "hard-seal" (se reporter pour plus de détail à la pu- blication : "Iaser+Elektro-Optik", n 4, novembre 1974, page 64). Une telle matière de scellement offre sans doute de meilleures propriétés d'étanchéité que les colles à base de résine époxyde habituellement utilisées, notamment en ce qu'elle s'oppose de façon connue à la pénétration par diffusion de l'humidité atmosphérique, mais elle ne peut toutefois égaler les qualités exceptionnelles d'un scellement durablement étanche à la soudure de verre. I1 ne peut etre toutefois question d'employer une soudure au verre dans la structure d'enceinte précitée, du fait qu'il est excessivement difficile d'adapter,avec une suffisante précision,les uns aux autres, les coefficients de dilatation thermique des organes réfléchissants, des plaques d'obturation, et de l'enveloppe en verre, et que par voie de conséquence, le joint d'étanchéité doit être suffisannt ductile. Pour cette raison, on s'est jusqu'à présent toujours contenté de ne souder l'organe réfléchissant à une pièce métallique que lorsque cette pièce métallique servait elle-même d'embout pour un tube capillaire en verre, c'est-à-dire lorsqu'on avait affaire à une géométrie moins délicate en ce qui concerne les déformations thermiques (se reporter à ce sujet à la demande de brevet allemand publiée sous le n 2.345.001, figure 1 et passage correspondant de la description). La présente invention se donne pour but de concevoir un laser à gaz dans lequel, tout en conservant les avantages offerts par les plaques d'obturation métalliques, les organes réfléchissants puissent entre encastrés dans un joint constitué de soudure au verre. Ce but est atteint, conformément à l'invention, et dans un laser à gaz du genre précité, grâce au fait que l'organe réfléchissant est lié par l'intermédiaire d'une soudure au verre à une pièce de jonc tion tubulaire métallique formant monture de miroir, laquelle est de son coté fixée de préférence par soudure à la plaque métallique en forme de capuchon, les coefficients de dilatation thermique de l'enveloppe de verre et des capuchons métalliques, d'une part, et ceux des montures de miroir, de la soudure au verre et des organes réfléchissants, d'autre part, étant choisis au moins approximativement égaux entre eux. las deux éléments intermédiaires métalliques respectivement associés à des éléments en verre et partiellement de configuration tubulaire (c'est-à-dire, la monture de miroir et le capuchon métallique) garantissent un assemblage durablement étanche au vide et exempt de contraintes thermiques. Le capuchon métallique et la monture de miroir peuvent en 1' occurrence posséder des coefficients de dilatation thermique différents l'un de l'autre, puisqu'ils seront généralement fixés l'un à l'autre par l'intermédiaire d'une soudure métallique peu fragile. Ceci rend possible une grande souplesse de choix pour les matériaux constitutifs de l'enveloppe en verre et des organes réfléchissants. Diverses conibinaisons possibles de matériaux sont indiquées ci-dessous. Dans la mise en oeuvre de 1' invention, il peut hêtre prévu que la monture de miroir comporte une zone d'épaisseur de paroi affaiblie, laquelle peut ttre déformee plastiquement de l'extérieur et de manière durable grSce à l'application d'un outil. Une telle structure de laser à gaz offre en outre l'avantage substantiel de permettre à tout moment l'ajustage de la position de l'organe re- fléchissant.Une monture de miroir plastiquement déformable aux fins d'ajustage de position appartient en soi à l'état de la technique (se reporter à cet égard à la demande de brevet allemand précirée ainsi qu'au brevet U.S.A. nO 3.826.998), mais elle n'a été envisagée jusqu'à présent que pour constituer 11 élément terminal d'un tube capillaire en verre. Il sera particulièrement avantageux, dans la mise en oeuvre de l'invention, que l'enceinte de décharge du laser à gaz soit fermée sur ses deux faces par un capuchon métallique et une monture de miroir, et que chacun de ces deux ensembles d'éléments métalliques serve de connexion de raccordement électrique pour la cathode ou pour l'anode de la décharge gazeuse, ou encore constitue lui-meme une telle électrode de décharge.En pareil cas, sont rendues superflues des traversées spéciales, telles par exemple que des broches dépassant en saillie de l'enceinte ; le laser à gaz est particulie rement maniable, mécaniquement robuste, ne nécessite comparativenent que peu d'éléments constitutifs, et peut enfin, du fait de sa structure parfaitement symétrique, titre fabriqué économiquement au moyen d'équipements automatiques. Dans une variante de réalisation de l'invention, il peut etre prévu que la monture de miroir du laser à gaz s'engage à travers le capuchon métallique pour pénétrer dans llintérieur de llen- ceinte de décharge et y soit pourvue d'une lame transparente pour le rayonnement laser, cette lame formant avec Iraxe de l'enceinte un angle aigu, de préférence l'angle de Brewster. De cette manière, le rayonnement émis peut subir de façon simple une polarisation linéaire. L'invention sera à présent décrite plus en détail à propos de deux formes de réalisation préférentielles, données à simple titre d'exemples illustratifs, et avec références aux deux figures du dessin ci-annexé, dans lesquelles des éléments correspondants sont pourvus des mémes repères numériques. Sur ce dessin La figure 1 représente en coupe longitudinale une première forme de réalisation d'un laser à gaz selon l'invention ; Et la figure 2 représente en coupe longitudinale partielle une seconde forme de réalisation du laser à gaz selon llinvention. Le laser à gaz représenté à la figure 1 des dessins est un laser du type hélium-néon. Son enceinte de décharge se compose pour l'essentiel d'une enveloppe de verrel lisse et cylindrique, laquelle est obturée de façon étanche au vide à ses deux extrémités au moyen de capuchons métalliques fixés sur elle par fusion (capuchon métallique dorsal 2, capuchon métallique frontal 3).L'enveloppe de verre I entoure de façon concentrique un tube capillaire en verre 4 s'ouvrant en forme d'entonnoir et fixé par fusion au niveau de son extrémité dorsale. Ce tube capillaire est supporté, pour des raisons de stabilité, par un ressert 5. Les de-ax capuchons métalliques de l'enceinte de décharge comportent chacun une ouverture centrale dans laquelle est engagée et fixée par soudure une monture de miroir 6 ou 7 pareillement réalisée en métal. Chacune de ces montures de miroir porte de son côté un organe réfléchissant 8 ou 9, auquel elle est associée de manière parfaitement étanche par l'intermédiai- re d'une soudure au verre. La paroi de chaque monture de miroir comporte, aux fins d'ajustage de position , et de manire en elle me connue, une zone d'affaiblissement 14 au niveau de laquelle elle neut etre plastiquement déforroee par l'application d'un outil convenable. Le capuchon métallique frontal porte, en plus de la monture de miroir, une tubulure métallique de pompage 10.Dans le cas de réalisation pris en considération sur les dessins, le capuchon métallique dorsal et sa monture de miroir 6 sert d'anode pour la décharge gazeuse qui se produit à l'intérieur de l'enceinte, tandis qu'est prévue comme cathode (cathode froide) une tôle d'aluminium enroulée 11, laquelle prend appui de l'intérieur sur l'envelop- pe de verre 1 sous l'effet de son élasticité propre. La cathode creuse est reliée par l'intermédiaire d'une connexion 12 au capuchon métallique frontal 3, ce qui rend superflue une traversée particulière de raccordement à la cathode. > Grtce à un montage soigné et à une température de réchauffage suffisamment élevée, un getter n'est pas indispensable. Pour la réalisation des capuchors métalliques sont choisis des matériaux dont le coefficient de dilatation thermique correspond à celui de l'enveloppe en verre. Ils peuvent par exemple, Si l'on fait choix d'une enveloppe en verre trempé possédant un coefficient i = 50. 10-7/ C ou en verre plombeux, titre réalisés en un alliage Ni-Co ou en un alliage à base de Ni-Co. D'autre part, on choisira pour la réalisation de la monture de miroir, de 1' organe réfléchissant, et de la soudure au verre associant ces deux éléments l'un à liautre, des matériaux dont les coefficients de dilatation thermique sont sensiblement égaux.Si l'on prend par exemple pour la réalisation des organes réfléchissants un verre crown possédant un coefficient &alpha; = 96 . 10-7/ C (verre crawn I) ou un verre crown traité au zinc possédant un coefficient &alpha; = 50 . 10-7/ C (verre crown II), on peut alors recourir pour la réalisation des montures de miroir à des alliages appropriés Ni-Cr ou Ni-Co. En cas d'emploi du verre crown I, se recommande l'emploi d'un verre au borate de plomb comme verre de soudure.Particulièrement favorables se sont révélées les combinaisons enceinte en verre trempe/organe réfléchissant en verre crown I, et enceinte en verre plombeuxlorgane réfléchissant en verre crown II. Il est toutefois évident que l'on peut recourir à d'autres combinaisons de matériaux que celles précitées. De mise, le choix de la matière constitutive de la tôle constituant la cathode n'est nullement limité à l'aluminium, d'autres matériaux élastiques, tels que le chrome, le titane, le zirconium etc. pouvant également convenir. Pour la réalisation de la connexion él astique 12 doit entre choisi un matériau résistant à la température et susceptible d'entre durci après montage. A cette fin se recommande prin cipalement un alliage à base de Co-Ni-Cr, en particulier répondant à la composition 40 % Co, 26 % Ni, 12 % Cr, 0,2 % Be, le reste étant constitué de fer.Un tel ressort peut titre facilement monté et s'adapter aux dimensions du modèle de laser à gaz concerné, et peut être durci pendant 1' opération de revenu sous vide à des températures d'environ 500"C. Ces températures élevées éliminent d'éventuelles tensions dans l'organe en verre. Pour l'opération subséquente de réchauffage, avec les organes réfléchissants fixés en position, peuvent etre pareillement choisies des températures élevées dans le cas d'une jonction par soudure au verre résistant à la chaleur, ce qui a pour effet de dégazer de façon efficace la cathode et les parois. Un tel traitement thermique donne au laser ainsi fabriqué une espérance de vie particulièrement longue. Llensemble du tube est de structure coaxiale, et ne contient aucune broche de contact introduite par fusion, ce qui permet de le fabriquer sur des équipements automatiques. On pourra par exemple faire choix des parametres de fonctionnement suivants :Proportion de mélange /Ne compris entre 6 : l et 10 : 1, pression de remplissage 2 à 4 Torr, longueur totale 15 à 30 cm, diamètre maximal 2,5 a 3,5 cm, diamètre de l'alésage du tube capillaire 1 à 2 mm, tension d'amorçage 5 à 6 kv, tension d'anode de l'ordre de 1 kV, courant d'anode pouvant atteindre 6 mA, résistance de polarisation supérieu- re à environ 60 Kilo-Ohms, puissance de sortie de l'ordre de 1 à 2 mW. La forme de réalisation de la figure 2 des dessins ne se différencie de celle qui vient d'étire décrite que par le fait que la monture de miroir 7 placée du côté de la cathode s'engage dans l'intérieur de l'enceinte et y est fermée par une fenêtre dite de Brewster 13. Cette fenCtre a pour effet, de façon en elle-mfme connue, de polariser le rayonnement émis selon une direction perpendiculaire au plan de l'angle de Brewster Dans l'exemple de réalisation considéré, la monture de miroir 7 comporte un orifice 15 de dégazage qui assure une compensation de la pression entre la chambre de décharge et l'intérieur de la monture. Cette compensation de pression permet de faire choix d'une épaisseir de fenetre particulièrement mince, laquelle ne déplace que de façon insignifiante le rayonnement ; elle est rendue possible par le fait que l'obturation étanche au vide et exposée à la pression atmosphéri- que est déjà constituée par l'organe réfléchissant lui-mEme. REVENDICATIONS 1 - Laser à gaz avec enceinte de décharge étanche au vide, dans lequel au moins l'enveloppe de 11 enceinte est en verre et l'une au moins de ses faces frontales est obturée par une plaque métallique pourvue d'une ouverture derrière laquelle se trouve inon- té sur la face extérieure de l'enceinte un organe réfléchissant, caractérisé par le fait que l'organe réfléchissant (8, 9) est lié par l'intermédiaire d'une soudure au verre à une pièce de jonction tubulaire métallique (6, 7) formant monture de miroir, laquelle est de son côté fixée de préférence par soudure à la plaque métallique (2, 3) en forme de capuchon, les coefficients de dilatation thermique de l'enveloppe de verre (1) et des capuchons métalliques (2, 3), d'une part,et ceux des montures de miroir (6, 7), de la soudure au verre et des organes réfléchissants (8,9), d'autre part, étant choisis au moins approximativement égaux entre eux. 2 - Laser à gaz selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la monture de miroir (6, 7) comporte une zone (14) où l'épaisseur de paroi est affaiblie, cette zone pouvant titre déformée plastiquement de l'extérieur et de façon durable gracie à l'application d'un outil approprié. 3 - Laser à gaz selon l'une des revendications 1 ou 2, Ca- ractérisé par le fait que le capuchon métallique (2, 3) et la monture de miroir associée (8, 9) servent d'électrode de décharge ou de connexion électrique pour une électrode de décharge. 4 - Laser à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la monture de miroir s'engage dans l'intérieur de l'enceinte de décharge et y est munie d'une vitre transparente qui forme avec 1' axe de 1' enceinte un angle aigu, de préférence 11angle de Brewster. 5 - Laser à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'enveloppe en verre (1) est réalisée en verre trempé possédant un coefficient de dilatation thermique d'environ 50 .i0'7/OC, que les capuchons métalliques (2, 3) le sont en un alliage Ni-Co, que les montures de miroir (6, 7) le sont en un alliage Ni-Co, que la soudure au verre est constituée par un verre au borate de plomb possédant un c coefficient de dilata- tion d'environ 96 . 1O7/"C, et que les organes réfléchissants (8, 9) sont réalisés en verre crown. 6 - Laser à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'enveloppe en verre (1) est réa lisée en verre plombeux, que les capuchons métalliques (2, 3) le sont en un alliage à base de Ni-Co, que les montures de miroir (6, 7) le sont en un alliage Ni-Co, que les organes réfléchissants (8, 9) sont réalisée en un verre crown traité au zinc, et que la soudu rc au verre posséde un coefficient de dilatation d'environ 50.10-7/ C.