Brevet FR2490887A1 — publié le 19820326

La présente invention concerne un laser à ions comportant un récipient de décharge dans un gaz, et notamment un laser à ions (métalliques)-hélium avec transport cataphorétique de vapeur. Dans la revue Applied Physics Letters, tome 8 (1966), n0 12, pages 318319,siifvast, Fowles et Hopkins ont décrit un laser pulsé à ions métalliques, utilisant les métaux cadmium, zinc,germanium, étain, plomb et indium comme substance laser active sous forme de vapeur, et fonctionnant avec une décharge électrique pulsée. Silfvast décrit en outre dans Applied Physics Letters, tome 15 (1969, n0 1, pages 23-25, un laser à ions a fonctionnement continu, avec transport cataphorétique de vapeur des éléments cadmium, étain et zinc. Une décharge continue dans de l'hélium sous une pression de quelques millibars est utilisée pour le pompage. Silfvast et Klein ont décrit dans Applied Physics Letters, tome 17 (1970), n0 9, pages 400-403, un laser à ions cataphorétique, à fonctionnement continu, utilisant du sélénium et émettant jusqu'à 24 raies lasers dans la partie visible du spectre. Ce laser semblait intéressant. Il utilise un récipient de décharge avec un capillaire de décharge en verre Pyrex, ayant un diamètre intérieur de 4 mm et une longueur de 1 m. Un gain de 5, 4 % par mètre a été mesuré à 522 nm, raie la plus intense du laser à ions de sélénium. Après ces premières publications scientifiques, on a tenté de développer les lasers à ions métalliques cataphorétiques pour obtenir des produits techniquement utilisables. Aucun laser industriel, et en particulier aucun laser à l'hélium-sélénium, n'a toutefois été encore présenté avec une sécurité de fonctionnement et une durée de vie suffisantes. Deux problèmes surtout compliquent le développement des lasers à ions métalliques à l'échelle d'une production industrielle. 1. Le jet de vapeur produit par cataphorèse ne se condense pas totalement à l'extrémité cathodique du capillaire de décharge et se dépose sur la fenêtre de sortie, une fenêtre de Brewster par exemple. Les pertes internes augmentent par suite forte- ment et la puissance laser diminue très fortement. Le jet de vapeur risque aussi d'atteindre la cathode, o il réduit fortement l'émission thermique (par le sélénium par exemple) et détruit les cathodes à oxydes fréquemment employées. 2. Le second problème concerne une forte perte de la composante gazeuse du mélange gaz-vapeur. De l'hélium est de préférence utilisé comme gaz pour le pompage de la vapeur du laser, pour des raisons atomistiques, mais il diffuse très facilement à travers des capillaires de décharge chauds; il en résulte une forte perte de charge de l'hélium et par suite une diminution rapide de la puissance laser. Pour augmenter la puissance laser, on a surtout proposé jusqu'à présent d'augmenter le volume actif, notamment par allongement du tube de décharge. Une autre solution théoriquement concevable consisterait à augmenter la densité de courant de décharge du fluide actif; les intensités nécessaires pour ce faire ne sont toutefois pas faciles à maîtriser, et les problèmes précités sont en outre apparus. L'invention a pour objet un laser à ions comportant un réci- pient de décharge dans un gaz et à puissance de sortie augmentée, et en particulier émettant un faisceau monochromatique parallèle de haute intensité, et assurant un gain suffisant, c'est-à-dire une nette amélioration de puissance même avec une longueur active relati- vement courte (volume relativement faible). Le laser doit en outre présenter une sécurité de fonctionnement élevée et une grande durée de vie, et résoudre les problèmes précités, qui s'opposaient à la production industrielle de tel laser. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le laser comporte un tube de décharge en matériau résistant à chaud et étanche au gaz et à la vapeur, tel que verre de quartz, verre à haute teneur en silice ou vitrocéramique, relié au récipient réservoir et-générateur de vapeur, aux chambres d'électrode, aux tubes ou embouts de sortie et à un tube enveloppe refroidi, entourant à dis- tance le tube de décharge, au moins dans la zone de sa partie active, et réalisé dans un matériau présentant un coefficient de dila- tation thermique égal ou semblable à celui du tube de décharge; et une ou plusieurs chambres de condensation sont disposées dans le tube enveloppe de façon à produire une inversion de décharge entre 3 2490887 le tube enveloppe et la cathode, et la condensation de la vapeur transportée vers la fenêtre de sortie du côté cathodique et vers la cathode. L'invention présente de multiples avantages. Elle permet de travailler avec une densité de courant élevée dans le fluide, même dans le cas d'un laser court (à faible longueur active). Cette pos- sibilité résulte d'abord du fait que la conception selon l'invention évite la condensation de la vapeur transportée par cataphorèse dans le capillaire et dirige la condensation là o elle est souhaitée. Le tube de décharge est en outre logé dans un tube enveloppe relative- ment froid, qui présente de très faibles fuites d'hélium. Ces der- nières sont négligeables même pour une durée de vie supérieure à 3000 heures. Le laser selon l'invention, réalisé par exemple avec un tube de décharge (capillaire) d'un diamètre intérieur de 1 mm, pré- sente un gain de 113 %/m contre 5,4 %/m pour le laser de Silfvast. Cette augmentation notable de la puissance ou du gain permet selon l'invention de réduire considérablement la longueur de la décharge dans un gaz et par suite d'ouvrir de nouveaux domaines d'application au laser. Le débit de fluide ou de vapeur, qui se situe sensiblement entre 0,1 et 1, 0 mg/h dans le cas de l'invention, demeure néanmoins bien maitrisable. La réalisation préférentielle de l'invention sous forme d'un laser à ions de sélénium-hélium présente également l'avan- tage de 5-24 raies lasers, amplifiées optiquement et simultanément. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exem- ples de réalisation et des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est la coupe longitudinale du laser à ions; la figure 2 représente une jonction entre le tube de décharge et le tube enveloppe; la figure 3 représente une variante de la figure 2; la figure 4 représente un réservoir a chauffage, indépendant de la position; la figure 5 représente un réservoir identique à celui de la figure 4, dans une position différente; la figure 6 est la coupe d'un radiateur métallique dans la chambre de 4 2490887 condensation; la figure 7 est la coupe longitudinale d'un modèle à anode annulaire; la figure 8 est la coupe longitudinale d'un modèle à cathode froide; et la figure 9 est une vue d'ensemble de l'appareil sous bottier. L'invention est décrite ci-après à l'aide d'un petit laser de réglage à hélium-sélénium pour laboratoire et fonctionnement continu, mais ne se limite pas à cet exemple. Le laser peut en particulier fonctionner aussi en régime pulsé et un laser hélium-cadmium, émettant dans le bleu et l'UV, est utilisable à la place du laser hélium- sélénium,émettant essentiellement dans le vert. Comme le montre en particulier la figure 1, le récipient de décharge est constitué par un tube, et notamment un capillaire résis- tant à la température, en verre à haute teneur en silice, verre de quartz ou vitrocéramique, absorbant la chaleur de décharge. Le dia- mètre intérieur du tube de décharge est compris entre 0,7 et 2 mm, et de préférence de l'ordre de 1 mm. La longueur active peut être com- prise entre 50 et 1000 mm, mais une longueur d'environ 100 mm est pré- férée, en particulier pour l'usage indiqué du laser HeSe, qui produit encore une puissance de 3 mW avec un tube de décharge à diamètre inté- rieur de 1 mm seulement; avec un tube de décharge la durée de vie. L'assemblage entre le tube de décharge en matériau résistant à la température, tel que verre de quartz, et le tube enveloppe peut s'effectuer à l'aide de verres de raccordement 3 (figures 2 et 3). Ces derniers sont utilisés en plusieurs morceaux, entre les pièces à souder, et compensent progressivement la différence de coefficient de dilatation thermique des pièces à assembler. Le tube enveloppe est également relié aux chambres de la cathode 5 et de l'anode 6, et à un réservoir 8, servant simultanément de récipient de fusion et entouré par un four 10 et un enroulement de chauffage électrique 9. La condensation de la vapeur produite dans le tube de décharge est transportée par cataphorèse est assurée par une ou plusieurs chambres de condensation 4 de grand diamètre, qui peuvent être refroidies de l'extérieur. Les chambres de condensation, nombreuses de préférence, se situent dans la direction de la fenêtre de sortie du côté cathodique et de la cathode. Il est possible de les supprimer au moins partiellement en cas d'emploi d'une cathode froide (figure 8). Les chambres de condensation 4 sont avantageusement formées par des rétrécissements 4a (nervures de refroidissement extérieures) ou des chicanes 4b dans le tube enveloppe 2 ou des cloisons de sépa- ration de ce dernier. Le refroidissement extérieur du tube enveloppe peut se faire à l'air ou à l'eau; on utilise dans le premier cas une soufflante, qui dirige de l'air sur la paroi extérieure du tube enve- loppe et la refroidit, et dans le second cas de préférence une cana- lisation circulaire, telle qu'un serpentin, logé dans les rétrécis- sements 4a et parcouru par un fluide de refroidissement tel que de l'eau (non représenté). Au lieu des chicanes ou rétrécissements du tube enveloppe 2, on peut utiliser dans ce dernier un matériau bon conducteur de la chaleur, et de préférence une tôle métallique 11, pour améliorer le refroidissement et la condensation de la vapeur métallique. D'excel- lents résultats ont été obtenus en particulier avec une tôle pliée en étoile et s'étendant sur toute la longueur du tube de décharge 1, voire au-delà. La forme de-la tôle doit tenir compte du débit de vapeur souhaité et au moins ne pas le réduire. Le matériau laser actif à vaporiser, tel que sélénium, cadmium, tellure, étain, plomb, zinc, germanium ou indium, est contenu dans un réservoir 8, qui sort latéralement du tube de verre 2 ou est disposé concentriquement à l'axe du tube de décharge 1. Dans ce dernier cas, 6 2490887 la fusion est indépendante de la position (cf. figures 4 et 5). L'enroulement de chauffage électrique 9 ou le four 10 peut être d'un type connu. Le bain demeure dans l'espace annulaire de 8 car des tubulures en verre de 1 pénètrent d'une certaine distance dans le réservoir 8, cette distance étant toujours supérieure à la hauteur maximale du niveau de métal ou sélénium liquide. Contrairement au cas de la figure 1, l'anode 6 est également réalisable sous forme d'une anode annulaire: cf. figure 7 avec deux jonctions verre-métal; cette solution présente l'avantage de per- mettre la réalisation tubulaire de l'ensemble du dispositif. Des fenêtres de Brewster 7 sont prévues dans la réalisation selon figure 7 comme dans celle selon figure 1, mais d'autres fenêtres de sortie sont utilisables, ainsi que des miroirs ou des miroirs semi-transpa- rents pour le résonateur, y compris à l'intérieur du tube enveloppe. La figure 8 représente une réalisation avec cathode froide en Al ou Ni, entourant coaxialement le tube de décharge. La réalisation selon figure 1 comporte une cathode à chauffage électrique (cathode à oxydes). Les matériaux employés de préférence pour les électrodes sont des oxydes métalliques assurant une bonne émission dans le cas d'une cathode chaude, et en particulier ceux du groupe calcium, baryum, strontium, thorium. Un métal à haut point de fusion, tel que tungstène, molybdène, etc. ou des alliages à base de ce dernier sont utilisables pour la cathode comme pour l'anode. D'excellents résultats ont été obtenus avec un type comportant un capillaire en verre de quartz comme tube de décharge et un tube enveloppe en verre au borosilicate (verre dur), les deux ayant une épaisseur de paroi d'environ 5 mm; le diamètre du capillaire est de l'ordre de 1 mm (0 intérieur: 2 mm max.). La pression de remplissage de l'hélium est, pour un capillaire à diamètre de 1 mm, comprise entre environ 10 et 30 mb, et de préférence de 20 mb, et les intensités sont d'environ 100-200 mA. Il va de soi que des intensités plus élevées sont utilisables pour des puissances supérieures. Le débit de vapeur est de l'ordre de 1 mg/h quand du sélénium est vaporisé à une tempéra- ture du four d'environ 200-300 OC, et d'environ 265 OC dans le cas considéré. Le laser hélium-sélénium préférentiel émettant une lumière verte, des puissances de l'ordre de 1 mW sont bien visibles même en lumière du jour. Cette faible puissance suffisante augmente aussi la protection de l'oeil humain contre le rayonnement. Ce laser présente avantageusement six raies vertes entre 497 et 530 nm. Il est utilisa- ble en fonctionnement multimode ou monomode. La petite réalisation maniable du laser avec refroidissement dans le bottier (figure 9) offre en particulier toute une série de possibilités intéressantes d'application - dans l'enseignement, démonstration optique, de la dispersion dans le cas considéré - réglage sans lunette de protection (puissance jusqu'à 1 mW environ, de préférence en fonctionnement monomode) - géodésie et topographie - lumière pilote pour la coagulation de la rétine et pour la chirurgie par laser au C02 - source d'irradiation en dermatologie - mesure de la vitesse de courants gazeux par la méthode de Doppler (trois longueurs d'onde différentes sont par exemple utilisées pour trois dimensions) - analyse granulométrique, et notamment mesures de gaz et liquides en lumière dispersée pour détermination de la taille des particules dispersantes - mesure de la rugosité superficielle de corps. Dimensions de l'exemple selon figure 1 Tube dedfcharge 0 extérieur: 12 mm env. Extrémité du capillaire-cathode longueur: 100 mm env. Tube enveloppe 0 intérieur: 50 mm env. Tube enveloppe longueur: 250 mm env. Entraxe fenêtre-fenêtre 450 mm env. Distance anode-cathode 125 mm env. Distance anode-centre du récipient de 8 2490887 fusion 50 mm env. Distance anode-centre de fenêtre 75 mm env. Distance cathode-centre de fenêtre 250 mm env. Dans l'exemple selon figure 9, l'air de refroidissement pénètre par des oules à la surface du boîtier 12, dans lequel les tubes lasers sont fixés. Le faisceau laser sort par une ouverture 13 du bottier. Les bornes électriques sont désignées par 14 et 15. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. i Revendications 1. Laser à ions comportant un récipient de décharge dans un gaz, et notamment laser à ions (métalliques)-hélium avec transport cata- phorétique de vapeur et faisceau monochromatique parallèle de haute intensité, caractérisé par un tube de décharge en matériau résistant à chaud et étanche au gaz et à la vapeur, tel que verre de quartz, verre à haute teneur en silice ou vitrocéramique, relié au récipient réservoir et générateur de vapeur, aux chambres d'électrode, aux tubes ou embouts de sortie et à un tube enveloppe refroidi, entourant à distance le tube de décharge, au moins dans la zone de sa partie active, et réalisé dans un matériau présentant un coefficient de dila- tation thermique égal ou semblable à celui du tube de décharge; et une ou plusieurs chambres de condensation disposées dans le tube enve- loppe de façon à produire une inversion de décharge entre le tube enveloppe et la cathode, ainsi que la conduction de la vapeur trans- portée vers la fenêtre de sortie du côté cathodique et vers la cathode. 2. Laser à ions selon revendication 1, caractérisé en ce qu'un métal du groupe cadmium,plomb, étain est contenu dans le récipient réservoir et générateur de vapeur. 3. Laser à ions selon revendication 1, caractérisé en ce que du sélénium ou du tellure est contenu dans le récipient réservoir et générateur de vapeur. 4. Laser à ions selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tube de décharge présente un diamètre inté- rieur compris entre 0,7 et 2,0 mm. 5. Laser à ions selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le tube de décharge présente une longueur active comprise entre 50 et 1000 mm, et de préférence entre 80 et 120 mm. 6. Laser à ions selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par la réalisation du tube de décharge en verre de quartz et du tube enveloppe en verre au borosilicate. 7. Laser à ions selon une des revendications 1 et 6, caractérisé en ce que le tube enveloppe présente plusieurs rétrécissements (chi- canes) extérieurs ou intérieurs, qui séparent les chambres de conden- sation et peuvent être refroidis de l'extérieur, par air de préférence. 249088? 8. Laser à ions selon revendication 7, caractérisé en ce que le diamètre intérieur du tube à enveloppe est égal à environ 10-40 fois le diamètre intérieur du tube de décharge. 9. Laser à ions selon revendication 8, caractérisé par le mon- tage de radiateurs entre le tube enveloppe et le tube de décharge. 10. Laser à ions selon une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par une chambre cathodique et une chambre anodique, reliées au tube enveloppe et entre lesquelles est disposé un réser- voir avec four de fusion. 11. Laser à ions selon revendication 10, caractérisé en ce que le réservoir et/ou le four de fusion sont réalisés pour un fonction- nement indépendant de la position. 12. Laser à ions selon une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'anode est cylindrique et limitée par des jonctions verre-métal. 13. Laser à ions selon une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le tube enveloppe est sensiblement cylindrique et muni d'une cathode froide. 14. Laser à ions selon une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que des embouts munis de tubes de sortie et de fenêtres de sortie, et de préférence de fenêtres de Brewster, sont reliés aux deux extrémités du tube enveloppe et/ou du tube de décharge, en direction de l'axe du tube de décharge et du tube enveloppe qui lui est concentrique. 15. Laser à ions selon une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que des miroirs résonateurs, avec ou sans amplifi- cation unidirectionnelle, sont montés à proximité des tubes de sortie, y compris dans le tube enveloppe.