Brevet FR2385242A1 — publié le 19781020

La présente invention concerne des lasers a gaz fonctionnant en régime pulsé et, plus particulièrement, un procédé et un appareil permettant de produire les impulsions laser avec une vitesse de répétition élevée et une bonne reproductibilité au moyen de milieuxgazeux susceptibles d'effet laser tels que N2a Ne Ar, Xe a He, Kr, EF3 et CO2. Différents types de lasers a gaz å impulsions ont été décrits dans diverses publications, comme par-exemple celle de H. GUndel et W. Ross : "Zur Anregung und Emission im N2 - Impulsgaslaser", Analer der Physik 7 (1974):3 p. 263-276.Cet article compare un certain nombre de lasers a azote connus fonctionnant en régime pulse. Toutefois, un petit nombre-d1articles- seulement traite des propriétés électriques de ces lasers a impulsions et, a la connaissance de la demanderesse, on ne peut trouver une étude numérique des circuits équivalents associés que dans une seule publication, celle d'Anderson et Tobin : "Electrical Breakdown in an Axial-Field Nitrogen Laser", Physica Scripta, 9 (1974) p. 7-14. Les lasers gaz impulsions,et en particulier les lasers A N2 a impulsions sont souvent utilisés comme sources d'excitation de lasers employant des colorants organiques.Dans une bonne source de pompage pour lasers utilisant des colorants organiques, la reproductibilit des impulsions doit etre bonne a de préférence à mieux que 1%, et, en outre, le laser de pompage doit avoir une vitesse de répétition d'impulsions d'au moins 100 Hz pour faciliter des techniques appropriées d'echantillonnage et d'extraction de signaux. il est vrai que, dans- presque toutes les applications des lasers a impulsions, comme la spectroscopie cinétique I'analyse par extinction de fluorescence et ltétalonnage en temps de monté des systèmes détecteurs rapides, la reproductibilité de la hauteur d'impulsion et du temps de montée détermine directement la résolution en précision et en temps de l'information obtenue.En outre, le taux de répé- tition & utiliser doit pouvoir etre maintenu pendant toute une journée de travail et non pas seulement pendant quelques minutes. En particulier dans les lasers å gaz 8 impulsions excités en mode axial, il est rarement possible d'obtenir à la fois une bonne reproductibilité des impulsions et un taux de répétitions élevé. De plus, l'énergie maximale des impulsions de sortie varie beaucoup d'un laser à un autre laser d'un type identique Ces problèmes ont été soulignés dans l'article de GUndel et Rose. L'absence d'une bonne reproductibilité apparaît clairement si les impulsions laser sont enregistrees par des techniques d'échantillonnage.De semblables enregistrements, qui sont classiques pour des lasers connus, sont indiqués sur la figure 11, page 565 d'un article d'Ericsson et Lidholt : "Generation of Short Light Pulses by Superradiance in Gases", Ark.Fys. 37 (1968) p. 557-568. C'est pourquoi le besoin s'est nettement fait sentir de lasers gaz à impulsions possédant a la fois un taux de répétition élevé et une bonne reproductibilité des impulsions. Selon les principes de l'invention, un dispositif de commande du temps de montée des impulsions de tension est placé dans le circuit du laser de telle manière que l'évolution temporelle d'une ispul- sion de tension appliquée a l'électrode haute tension du laser est en correspondance avec le temps de claquage dans le gaz du tube laser afin de donner des valeurs optimales pour le niveau de sortie du laser et la reproductibilité des impulsions. Ce dispositif de commande est de préférence incorporé dans le tube laser ou est monté à demeure sur le tube laser sous la forwH d'une combinaison d'éléments a effet LC dont les valeurs dépendent des caractéristiques du tube laser. Ces caractérigtique8 sont par esetple la longueur et le diamètre du tube la tension maximale de l'impulsion appli- quée à l'électrode haute tension du laser et la pression de gaz régnant dans le capillaire de décharge en atmosphère gazeuse.Les tubes laser pourvus du dispositif de commande selon l'invention peuvent en outre étire interchangés ou remplacés sans qu'il soit' besoin d'un réglage annexe du générateur d'impulsions haute tension du laser. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris a la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation illustré par les dessina annexés a sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe d'un tube laser compor tant un dispositif de commande du temps de montée des impulsions de tension sous la forme d'une combinaison LC selon l1invention; - la figure 2 est un diagramme faisant apparaître les principes de fonctionnement d'un laser a gaz à impulsions excité en mode axial; - la figure 3 est un schéma équivalent représentant un laser a gaz à impulsions selon l'invention;; - la figure 4 illustre graphiquement les oscillations de la tension appliquée 8 l'électrode du laser avant et après le claquage dans le gaz; - la figure 5 illustre graphiquement la relation existant entre le temps et une impulsion de tension appliquée å l'électrode du laser dans le cas d'un laser à gaz à impulsions ne possédant pas la combinaison LC de commande du temps de montée de l'impulsion de tension, la relation entre le temps et l'intensité de l'impulsion laser- correspondante étant également graphiquement portée sur la figure 5;; - la-figure 6 illustre graphiquement, à la même échelle que la figure 5, la relation existant antre le temps et l'impulsion de tension appliquée A l'électrode du laser dans le cas d'un laser å gaz b impulsions comportant une combinaison LC de commande du temps de montée des impulsions de tension, la valeur de l'inductance étant trop faible, la relation graphique existant entre le temps' et l'intensité de l'impulsion laser correspondante étant également portée sur la figure 6; - la figure 7 est identique aux figures 5 et 6, mais elle concerne un laser dans lequel les constituants de la combinaison LC ont des valeurs optimales; et - la figure 8 illustre graphiquement de façon détaillée la relation existant entre l'intensité de l'impulsion de sortie et le temps pour un laser gaz a impulsions de la technique antérieure et un laser gaz impulsions selon l'invention. La figure I est une vue en coupe.d'un tube laser comportant la bobine d'induction L1 constituant un des élément du circuit de commande du temps de montée des impulsions de tension, cette bobine étant montée sur le tube laser dans un mode de réalisation prEfere de l'inve'ntion.La bobine L1 est donc connectée à l'extrémité extérieure dtun Conduçteur interne métallique H de haute tension en forme de tige ou de tube ayant une longueur prédéterminée.L'extrémité interne M du conducteur H est connectée a l'une des électrodes, soit A, des deux électrodes A et 3 du tube laser LT, entre lesquelles a lieu la décharge électrique à l'int4- rieur d'un capillaire GFC rempli de gaz. L'électrode' 3 est connectée b la terre afin de former la deuxième borne et comporte un trou LPH, par lequel l'impulsion laser émise passe, comme cela est indiqué par la flèche de l'extrémité droite de la figure 1. Pour empocher le gaz présent dans le tube laser LT de s'échapper par le trou LPH de l'électrode B, le tube laser est terminé par une fênetre W ayant la forme d'un disque plan parallèle, d'une lentille, etc. L'électrode B connectée a la terre est montée dans un porte-électrode G. Le porte-électrode G est également conçu pour soutenir un tube de protection ST qui entoure coaxialement l'ensemble du tube laser et son conducteur interne H. Le conducteur H forme donc, avec letube de protection ST un condensateur-C2 (figures 2 et 3).C2 est le deuxième élément du circuit de commande du temps de montée des impulsions de tension qui est donc formé par la combinaison L1C2. Les caractéristiques des impulsions laser dépendent des valeurs de L1 et de C2, ainsi que des dimensions du capillaire GFC, de la nature du milieu gazeux présent dans le capillaire, de la pression du milieu gazeux et de la tension pulsée appliquée å l'électrode A par l'intermédiaire de la bobine L1 et du conducteur H. La figure 2 illustre schématiquement comment sont produites les impulsions haute tension appliquees au tube laser. Une source GHT de haute tension (continue, alternative redressée sur une ou deux alternances, ou alternative non redressée) charge le condensateur C1. Un commutateur normalement ouvert bai (par exemple un éclateur 9 commande électronique ou un thyratron qui peut titre actionné par amorçage) ferme le circuit comprenant le tube laser CTL, de sorte que C2 est d'abord chargé par C1, puis, peu après, se décharge dans le tube laser-au aoplent du-claquage du milieu gazeux présent dans le capillaire oec. Les circuits électriques équivalents du générateur d'impul- sions haute tension et du tube laser sont représentés sur la figure 3 Le génerateur d'itpulsions a une résistance interne équivalente R et une auto-inductance Ls . Une résistance -de fuite R2 est placée dans le gdnera- teur d'impulsions haute tension, par laquelle le condensateur C1 se charge lorsque le commutateur S1 est ouvert. Le tube laser a un circuit équivalent formé dvune résistance interne équivalente R3 et d'une auto-inductance L2 en série avec un élé ment S2 faisant fonction de cozmutateur. Cet élément S2 se réalise par le claquage du gaz présent dans le capillaire amenant une brusque augmentation de la conductivite du milieu gazeux a affect laser. Entre le générateur d'impulsions et le capillaire oec du tube, est connectée l'induction L1 selon I'invention, et la connexion entre la bobine L1 et l'électrode A de haute tension (figure 1) est shuntée par le condensateur C2 formé par le tube de protection ST et le conducteur fl haute tension. Lorsque le commutateur normalement ouvert S1 est actionné, le condensateur chargé C1 transmet une partie de se charge au condensateur C2 relativement non chargé. L'actionnement de S1 donne naissance a une oscillation amortie due å l'existence du circuit résonnant formé par C1, C2, L1, Ls et Rs, de sorte que la tension U2 aux bornes du condensa s teur C2 varie selon la formule où Uo est la tension aux bornes de C1 avant l'actionnement de S1, où et où La valeur approximative du temps de montée 1/2#g su est G donc Il est donc évident que l'on peut faire varier la valeur de tG en modifiant une ou plusieurs des valeurs L1, C1 ou C2. L'évolution temporelle de la tension aux bornes de C det 2, illustre sur les figures 4 a7. Après un certain retard At, qu'on a appelé ct-dessus temps de claquage dans le gaz, le claquage se produit dans le gaz. Ceci correspond à l'actionnement du commutateur S2 (figures 3) Un second circuit résonnant, constitué de C2 L2 et R3 introduit une seconde oscillation au moment où se produit le claquage. Ceci est illustré sur la figure 4. Le temps de claquage #t peut être déterminé empiriquement et dépend de U (voir figure 4), de la longueur et du diamètre du capillaire GFC, de la pression du gaz et de sa nature. On a toujours cru que le temps de montée de l'impulsion de tension appliquée à l'électrode du laser devait etre aussi brève que possible et, donc, que l'inductance (la somme de L8 + L1) devait Entre aussi petite que possible. Ceci peut être vu dans l'article cité ci-dessus d'Ericsson et Lindholt Ark Fysik 37 (1968) page 559, ou dans l'article de Rlihl, Lindner et Fischer "Effects of a Spark Switch and Stray Capacities on the Operation of a N2-Laser" Appl. Phys 3 (1974) p. 245.Toutefois, la-demanderesse a découvert et-prouvé que le temps de montee 1/2 #G qui est associé à des valeurs optimales pour le niveau de sortie et la reproductibilité des impulsions devait être en correspondance avec le temps de claquaget dans le gaz, de telle manière que 1/2 SCG At Ceci signifie que l'émission de l'impulsion laser doit cotncider avec le moment où la tension aux bornes de C2 atteint sa valeur maximale. Cette mise en correspondance, on synchronisation, est obtenue dans l'invention au moyen de la combinaison convenable L1-C2. Une valeur d'inductance pour la bobine L1 dépend donc de la capacité du condensateur C2, de la nature du milieu gazeux de la pression dans le gaz, de la longueur et du diamètre du capillaire et de la tension maximale appliquée. Comme on l'a noté précédemment, la bobine L1 peut Entre incorporée dans le tube laser ou dtre montée à demeure sur le tube laser. Dans ce cas, des tubes contenant une combinaison spécifique L1C2 conçus pour une certaine tension, par exemple de 60 kVw et utilisant un certain type de générateur d'inpulsions haute tension, peuvent étre remplacés ou interchangés sans qu'il soit besoin d'un réglage annexe du générateur d'impulsions haute tension. Bien que ceci n'ait pas été indiqué sur des dessins, la bobine peut aussi bien être incorpore dans le circuit du générateur dtimpulsi;ons ou se présenter sous la forme d'un élément distinct qui doit étre placé et connecte entre le générateur d'impulsions et le tube laser. Toujours est-t-il que la combinaison LC peut être réglable d'une maniere connue dans la technique antérieure, par exemple par compression axiale de la bobine d'induction et, ou bien, par réglage de la valeur diélectrique du condensateur. Ainsi, la figure 3 reprisente- une bobine L1 à inductance variable et un condensateur C2 à capacité variable. La figure 5 représente la variation de la tension d'électrode TE en fonction du temps et décrit le cas d'une absence de correspondanse entre le temps de montée et le temps de claquage d'un laser de la technique antérieure, c'est- -dire d'un laser à gaz à impulsions dans lequel %/2 et bt ne sont pas synchronisés. L'impulsion laser mesurée par Int est émise alors que la dérivée de la tension d'électrode, dU/dt, est grande, ce qui entratne une mauvaise teproductibilité des impulsions et une faible énergie de sortie laser. La figure 6 illustre la variation en fonction du temps de la tensiond'électrode et de l'impulsion de sortie d'un laser comportant un dispositif de commande du temps de montée des impulsions.de tension réglé de telle manière que #G/2 est presque égal à At. La reproductibilit des impulsions et la puissance de sortie sont. améliorées a mais ne sont pas optimisées. La figure 7 est identique aux figures 5 et 6 mais le laser utilise un circuit de commande du temps de montée des impulsions de tension régulé de telle manibre-que #G/2 est égal à #t selon la présente invention si bien que la reproductibilité des impulsions et le niveau de sortie laser ont des valeurs optimales. La demanderesse a ainsi obtenu des reproductibilités d'impulsions (mesurées à la valeur maximale de l'impulsion) à mieux que 1% pour des vitesses de répétition d'impulsions atteignant 400 Us. La figure 8 représente des impulsions de sortie laser enregistrées par une technique d'échantillonnage La courbe A correspond 8 un laser dans lequel la relation entre le temps de montée de la tension d'électrode et l'impulsion émise est celle de la figure 5 et la courbe B correspond à un laser présentant la synchronisation optimale indiquée sur la figure 7. La mauvaise reproductibilité des impulsions du laser correspondant la figure 5 produit sur la courbe Aune structure 8 laquelle des bruits sont superposes. L'amplitude de la courbe B est plusieurs fois plus élevée que celle de la courbe. A, maie les deux courbes ont été normalisées afin de permettre une meilleure comparaison entre les reproductibilités des deux lasers. Bien entendu, l'homme de l'art peut apporter sans sortir du cadre de l'invention, diverses modifications au procédé et b appareil de production d'impulsions laser a reproductibilité élevée qui viennent entre décrites uniquement 8 titre d'exemple non limitatif de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1 -.Prccédé de production d'impulsions laser dans un laser b gaz impulsions excité en mode axial et alimenté par des impulsions de tension qui atteignent chacune une tension maximale après un certain temps de montée de tension, les impulsions laser étant produitespar des claquages dans le gaz b effet laser qui se produisent-chacun a la fin d'un temps de claquage en atmosphère gazeuse, le procédé étant caracterise en ce qu'on ajuste chaque impulsion de tension de façon que la tension augmente conti moment pendant tout le temps de claquage et on fait en sorte que le-moment auquel la tension atteint son maximum cotncide avec le moment auquel la conductivite du gaza effet laser augmente brusquement la fin du temps de claquage; de sorte qu'on fait correspondre chaque temps de montée de la tension avec chaque temps de claquage et que l'on permet que les impur sions laser soient crées avec une reproductibilité optimale. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mise en correspondance de chaque temps de montée de la tension avec chaque temps de claquage est réalisée par l'intermédiaire d'un circuit de commende du temps de montée des impulsions de tension produisant pour chaque impulsion de tension un temps de montee prédéterminé et, par consé- quent, fixant de manière prédéterminée le moment où se produit le maximum de tension. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le temps de montée prédétermine est réglable afin qu'il soit tenu compte des conditions de chaque temps de montée de chaque tubé laser de sorte obtient des valeurs optimales pour la puissance de sortie et la reproductibilité des impulsions, mssme-aprds remplacement d'un tube laser par un autre 4 - Ensemble de fonctionnement d'un laser gaz a impulsions utilisant le procédé défini dans l'une quelconque des revendications 1 A 3 et comprenant un laser å gaza impulsions excité en zode axial et une source d'énergie alimentant le laser en impulsions de tension qui atteignent chacune leur maximum après un certain temps de montée de la tension et qui font chacune que le laser crée des impulsions laser se produisant chacune å la fin d'un certain temps de claquage en atmosphère gazeuse, l'ensemble étant caractérisé en ce qu'un élément de commande est destiné à co-iander chaque impulsion de tension de manière que la tension croisse continûment pendant toute la durée du temps de claquage et que le moment auquel le maximum de tension est atteint se produise en méme temps que le moment auquel la conductivité du gaz à effet laser augmente brutalement, c'est-8-dire à la fin du temps de claquage, afin de faire correspondre chaque temps de montée de la tension avec chaque temps de claquage pour permettre que le laser crée des impulsions avec une reproductibilité optimale. 5 - Ensemble selon-la revendication 4, caractérisé en ce que la mise en correspondance de chaque temps de montée de la tension avec chaque temps de claquage est obtenue par l'intermédiaire'd'un circuit de commande du temps de montée des impulsions de tension qui donne à chaque impulsion de tensipn un temps montée prédéterminé et, par conséquent, fixe de manière prédéterminée le moment où sè produit le maximum de la tension. 6 - Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit de commande du temps de montée des impulsions de tension est formé par une combinaison induction-capacité reliant la source d'énergie au tube de décharge du laser à gaz. 7 - Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que, dans la combinaison induction-capacité, au moins un des constituants est de grandeur variable.