Brevet FR2321790A1 — publié le 19770318

L'invention a pour objet un laser à gaz de grande puissance dont la stabilité du flux gazeux et, par voie de conséquence, celle du plasma sont améliorées. Dans les lasers connus à grande puissance, dans lesquels le courant gazeux transversal balaie une vaste zone sous une pression élevée, il est difficile d'obtenir un plasma de décharge qui soit stable, c'est-à-dire uniformément distribué dans la cavité optique. Or, le défaut d'uniformité de la distribution du plasma peut se traduire par l'existence d' écoulements concentrés de courants à haute intensité sur des trajectoires de section relativement petite, susceptibles de provoquer des arcs ou des raies de décharge localisés qui diminuent considérablement l'aptitude du plasma à produire l'excitation voulue des molécules gazeuses donnant lieu aux collisions d'électrons cherchées.Dans l'état antérieur de la technique, certains dispositifs ont été élaborés pour résoudre ce problème, tels que, par exemple, celui que décrit le brevet US nO 3 666 982 (wIEGAND). Dans ce dispositif connu, on met en oeuvre une cathode segmentaire dont chaque segment comporte des orifices perpendiculaires à l'axe optique du laser, mais parallèles à son champ électrique établi entre les cathodes et l'anode. Or, lorsque le gaz est injecté parallèlement au champ électrique, la décharge tend à se concentrer le long de bandes étroites, parallèles au flux gazeux, ce qui s'oppose, bien entendu, à l'uniformité désirée de la distribution du plasma. Le dispositif selon I' invention constitue un perfectionnement de celui du brevet précité, ainsi que d'autres dispositifs connus, dont la caractéristique consiste à provoquer l'injection du gaz à une grande vitesse, selon une direction sensiblement normale au champ électrique, ce qui a pour effet une meilleure distribution initiale du gaz dans la zone d'injection, le gaz s'orientant ensuite selon une direction perpendiculaire au chemin optique. Le fait qu'un flux gazeux passe à vitesse élevée sur les bords de la cathode entratne l'avantage supplémentaire de fournir un moyen d'évacuation de sa chaleur par convexion. De plus, le dispositif selon l'invention est de construction scalaire, clest-à-dire qu'il est possible de modifier l'appareil sans difficulté pour obtenir une puissance plus ou moins élevée, permettant une éventuelle construction modulaire, dans laquelle on peut ajouter facilement des éléments de cathode supplémentaires, munis de leurs injecteurs de gaz individuels, pour augmenter à volonté la puissance de l'appa reil. reil. Le but de l'invention consiste donc à augmenter la stabilité du flux gazeux dans un laser à grande puissance, à améliorer le fonctionnement de ce dernier, en stabilisant dans une large mesure la décharge du plasma, et à rendre la construction scalaire. D'autres objectifs de l'invention ressortent de la description détaillée ci-après, illustrée aux dessins annexés, d'exemples de réalisation sans caractère limitatif. Fig. 1 est une vue latérale en élévation, partiellement schématique, d'un mode d'exécution préféré de l'invention. Fig. 2 est une vue en coupe selon le plan défini par les repères 2-2 de la figure 1. Fig. 3 est une vue en coupe transversale illustrant une modification apportée à la structure des électrodes par rapport à la disposition de la figure 2. Fig. 4 est une vue en perspective, partiellement coupée, d'un élément de cathode selon le mode d'exécution privilégié. Le dispositif selon l'invention, brièvement décrit, se présente comme suit t une rangée d'éléments de cathode est alignée le long d'un flanc de la cavité d'un laser, face à une anode unique,. une tension étant appliquée de façon à former un champ électrique perpendiculaire à l'axe optique du laser0 Des moyens sont prévus pour injecter un flux de gaz du laser, à vitesse très élevée, aux cathodes, selon une direction normale au champ électrique régnant entre anode et cathodes. Dans le mode d'exécution préférentiel illustré, cette injection est réalisée au moyen d'une fente créée entre le bord d'un élément de cathode cylindrique et le bord opposé d une pièce cylindrique isolante.Le flux ainsi injecté, qui, dans le mode d'exécution visé, se dirige en sens radial vers l'axe de la cathode cylindrique, fournit une distribution initiale uniforme du gaz sur toute la section droite située au voisinage de la fente, le flux allant ensuite de cette zone vers un échappement selon une direction normale à l'axe optique du laser. La figure 1 illustre sous une forme schématique une version préférentielle de l'inventionr La cavité 11 du laser comporte un miroir à réflexion totale 12 à l'une de ses extrémités, tandis qu'à l'autre extrémité se trouve une glace à réflexion partielle 14, avec interposition d'une fenêtre transparente 15. Cet arrangement fournit donc un chemin d'oscillation optique entre le miroir 12 et le semi-miroir 14, à travers lequel passe une partie de l'énergie optique, constituant l'émission du laser (repérée par la flèche 17).Un courant du gaz constitutif du laser, et qui pourrait être formé d'un mélange tel que 1 C02, -5 N2, -20 He ou CO, -He, '02, arrive du réservoir à gaz 18 dans la cavité du laser par courants fluidiques à vitesse élevée, ainsi qu'il est expliqué plus loin en ce qui concerne les figures 2 et 4. Un certain nombre d'éléments de cathode 20 sont disposés en alignement sur l'un des flancs de la cavité. Sur l'autre flanc, à l'opposé ds- éléments -ca- thodiques 20, se trouve une anode unique 22 ayant la forme d'une grille. Elle est maintenue au potentiel de la masse par l'interné. diaire de son organe de support 24 auquel elle est fixée, tandis qu'unie tension négative élevée -HV, qui peut être de l'ordre de -4 kV, est appliquée aux cathodes 20. Un champ électrique s'établit ainsi entre les cathodes et l'anode, ledit champ étant normal à l'axe optique du laser. Ainsi que le montre principalement la figure 4, le gaz du laser, en provenance du réservoir 18, est injecté à travers une fente annulaire 27, ménagée à chaque élément de cathode, et se dirige vers une zone située à l'intérieur même de la cathode. Ces fentes 27 sont relativement étroites, leur largeur étant de l'ordre de 0,25 mm, et le gaz les franchit à des vitesses soniques, selon une direction générale normale à celle du champ électrique, ainsi que l'illustre la partie médiane de la hampe de la flèche 32. Ensuite, à partir de la zone centrale de chaque cathode 20, le gaz s'écoule selon une orientation normale au chemin optique, dans la direction indiquée par la pointe de la flèche 32. Le gaz s'échappe de la cavité selon la direction indiquée par la flèche 34, à l'aide d'un mécanisme de pompage non représenté.Un plasma de décharge s'établit dans la zone 36 et provoque l'effet laser. Dans le cas d'un laser au C02 ou au CO, un fluide réfrigérant, qui pourrait entre de l'alcool pour le C02, de l'azote liquide pour le CO, est contenu dans la chambre 39 qui entoure le réservoir à gaz 18. Les figures 2 et 4 illustrent, dès lors, la cathode de l'exemple d'exécution préférentiel. La carcasse du laser est formée des éléments de cloisons 40 et 41 réunis par un élément de cloison 43. Ces éléments sont généralement en une matière diélectrique, telle qu'une matière plastique appropriée. Chacune des cathodes 2Q a la forme d'un cylindre creux, comprenant une partie supériéure 20a en forme de bol renversé, une partie médiane 20b à parois relativement épaisses et une partie inférieure 20c taillée dans la base de la cathode.Des lumières 20d, pratiquées dans la partie centrale, font communiquer le réservoir à gaz 45 avec la partie médiane évidée de la cathode, Un organe cylindrique 48 en matériau diélectrique, qui peut entre confectionné en une céramique appropriée, repose sur la carcasse de l'appareil par l'intermédiaire d'une semelle de support 50 en une matière diélectrique, telle qu'un plastique approprié. Une électrode d'arc 52 est disposée à l'intérieur de la cathode 20 dont elle est séparée par un isolateur 54. Comme indiqué plus haut, une tension négative -H\r relativement élevée, qui peut titre de l'ordre de -4 kV, est appliquée à la cathode 20.Une diffécence de potentiel, pouvant être de l'ordre de 200 V, est établie entre l'électrode d'arc 52 et la cathode 20, grâce à une source de tension 56. L'anode 22, formée d'une structure en grille, est mise à la masse, ce qui a pour effet de créer un champ électrique à potentiel élevé entre l'anode et les éléments de cathode. La zone de réflexion du laser est désignée par la référence 58. Une communication fluidique est établie entre l'intérieur de la partie supérieure 20a de chacun des éléments de cathode et la partie médiane 20b correspondante, par l'intermédiaire d'une lumière 20e, relativement petite, pratiquée dans la cloison qui sépare ces deux parties l'une de l'autre. La partie supérieure 20f de la cathode présente un bord conique, rétréci vers l'intérieur, pour engendrer le flux centripète radial de gaz. La fente étant dimensionnée de façon que le rapport entre la pression du.réservoir et celle de la sortie des gaz soit supérieur à 3, le ga est amené à s'écouler à travers la fente 27 en franchissant à des vitesses soniques le bord de la cathode qui le guide, s'orientant selon une direction radiale qu'indique la flèche 32 (figure 4). Ensuite, le gaz s'écoule à des vitesses subsoniques vers l'anode 22. Une décharge luminescente de pré-ionisation sté- tablit entre l'extrémité de l'électrode 52 et la partie évidée 20g à l'intérieur des cloisons de la cathode. Cette décharge constitue une source supplémentaire de plasma et rend inutile l'installation de résistances de ballast entre la cathode et la source de haute tension, puisqu'elle introduit en fait une résistance réelle dans le circuit principal de décharge.Cette pré-ionisation assure une ionisation initiale uniforme de la décharge principale. Le gaz arrive du réservoir 45 en passant par les lumières 20d pou ermettre la décharge entre l'électrode 52 et la partie 20g de la cloison de la cathode. Des paramètres caractéristiques d'une réalisation opérationnelle de 11 invention, présentant la configuration illustrée à la figure 2, s'établissent comme suit s largeur de la fente ........ 0,25 mm diamètre intérieur de la partie supérieu re 20a de la cathode ....... 8,0 mm distance entre les centres des éléments contigus de la cathode .................. 19 mm distance entre l'anode et les cathodes ... 50 mm Dans un appareil en service, réalisé selon les paramètres ci-dessus, il a été possible de travailler avec une puissance spécifique d'entrée de 800w/g/sec, ainsi que des densités de puissance de 100 W/cm3 par élément de cathode, en utilisant des mélanges à base de C02" He à des pressions gazeuses de 50 à 70 Torr, le rendement d'émission optique étant de 15%. La figure 3 illustre, par une vue en coupe, une modification du dispositif selon la figure 2. il s'agit d'un mode d'exé- cution analogue au premier, sauf la présence d'une cathode supplémentaire 21 en forme de grille, qui s'détend à l'opposé de l'anode 22 laquelle est disposée entre les cathodes 20 et 21. La variante selon la figure 3 a une plus grande puissance d'émission de crête que celle de la figure 2, et se prête particulièrement bien aux opérations pulsées, qui réclament généralement des puissances de pointe plus élevées. On réalise une opération pulsée, en appliquant des impulsions négatives à haute tension à la cathode en grille 21. Une haute tension négative, constante, est appliquée à la cathode 20. Une densité élevée d'électrons pré-ionisés s1éta- blit entre la cathode 20 et l'anode 22, tandis qu'un plasma de décharge pulsée apparait entre la cathode 21 et l'anode 22, fournissant l'excitation principale du laser. Il en résulte une augmentation considérable de la puissance de crête disponible. Les exemples d'application décrits et illustrés ci-dessus ne constituent, bien entendu, qu'une illustration de l'invention, et n'ont aucun caractère limitatif. REVENDICATIONS 1. Laser à gaz comportant une cavité, des moyens pour créer un che min optique à oscillations dans cette cavité, des moyens de cré ation d'un champ électrique, transversal par rapport à l'axe du chemin optique oscillant et formé par une anode unique, disposée dans la cavité et une rangée de cathodes situées à l'opposé de l'anode le long de l'un des flancs de la cavité, des moyens pour établir une différence de potentiel entre l'anode et les catho des, produisant le champ électrique, ainsi que des moyens per mettant d'injecter à grande vitesse un courant de gaz de laser au voisinage des cathodes, de manière à former un plasma dans la cavité, l'appareil étant caractérisé eice que les moyens d'in jection du courant gazeux dans la zone des cathodes sont prévus pour que l'injection ait lieu selon une direction substantiel lement normale au champ électrique, de manière à créer dans la cavité du laser un plasma uniformément distribué. 2. Laser à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'injection du gaz comportent un réservoir rempli de ce gaz de laser, que les cathodes comportent des parties intérieu res évidées communiquant directement, au point de vue fluidique, avec la cavité du laser, et qu'unie fente étroite, formée à cha cune des cathodes, fait communiquer le réservoir à gaz avec les parties intérieures des cathodes, pour permettre l'arrivée du gaz, contenu dans le réservoir, aelon une direction normale au champ électrique. 3. Laser selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les cathodes sont de forme cylindrique et comprennent un organe cylindrique en matière diélectrique, coaxial avec elles et dont une extrémité annulaire est située en regard d'une extré mité annulaire de la partie creuse de la cathode correspondante, des fentes étant formées entre lesdites extrémités en regard. 4. Laser selon une des revendications 9 à 3, caractérisé en ce que l'anode comporte une grille qui s'étend le long de la cavité, parallèlement à l'axe du chemin optique oscillant, sur une distance sensiblement égale à la longueur de la rangée de ca thodes. 5. Laser selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'anode est disposée le long de l'un des flancs de la cavité, diamétralement opposé à celui qui porte les cathodes. 6. Laser selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu il comprend une cathode supplémentaire, formée d'une grille dis posée dans la cavité et s'étendant parallèlement à l'axe -de ltoscillateur optique, l'anode étant alors disposée entre la rangée des cathodes segmentaires et ladite cathode supplémen taire. 7. Laser selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une électrode à arcs disposée au voisinage de chacune des cathodes, ainsi que des moyens pour assurer une alimentation supplémentaire de gaz entre les cathodes et les électrodes à arc, et des moyens permettant de créer une diffé rence de potentiel entre chacune des électrodes à arc et la cathode qui lui est associée, de manière à établir une décharge luminescente de pré-ionisation créant une résistance réelle dans le circuit de la décharge principale du laser.