Brevet FR2509096A1 — publié le 19830107

LASER A HAUTE ENERGIE DU TYPE A EXCITATION TRANSVERSALE La présente invention concerne un laser à haute énergie, excité transversalement, avec une exci- tation par une décharge de condensateur aussi homogène que possible, exempte d'arcs dans un volume de gaz entre au moins des première et seconde électrodes s'étendant parallèlement à l'axe optique du laser à l'intérieur d'une chambre de laser et se faisant face à distance l'une de l'autre, ces électrodes étant disposéesavec un dispositif approprié de pré-ionisation à l'intérieur d'une enveloppe de la chambre de laser, faite au moins en partie en une matière isolante,résistant aux hautes tensions, et étant connectéesrespectivement à un circuit d'arrivée de courant et à un circuit de retour de courant, le circuit de retour de courant, sous forme de parties de parois métalliques s'étendant à partir de la seconde électrode, le long de la surface extérieure de l'enve- loppe de la chambre de laser, au moins jusqu'au voisinage de la région de paroi de l'enveloppe entourant la pre- mière électrode, Un laser à haute énergie de ce genre-est décrit par exemple dans le Brevet DE-OS 29 32 781 Des dispo- sitifs de pré-ionisation qui conviennent pour ce laser à haute énergie sont décrits particulièrement dans les demandes de Brevet antérieures P 30 35 702 9 et P 30 35 730 3. Des laser TE (TE = transversely excited) de ce genre sont d'une réalisation peu coûteuse et sont uti- lisés avec unehlaute puissance moyenne de rayonnement ou lumineuse dans des applications photo-chimiques, notam- ment dans le domaine industriel Pour le fonctionnement de ce laser, des vitesses d'établissement de courant aussi élevées que possible sont nécessaires et peuvent être obtenues en réduisant au minimum l'inductance des circuits électriques d'excitation Cette condition con- duit à une réalisation aussi compacte que possible de l'enveloppe de laser, ce qui naturellement accroît for- tement le risque d'établissement de décharges superfi- cielles sur les parois de l'enveloppe Les décharges superficielles, dont la cause réside dans lesco mpo- santes dites tangentielles du champ, prélèvent d'une"part de l'énergie à la décharge en volume voulue, et nuisent à la qualité du gaz à effet laser d'autre part, par réac- tion superficielle sur les parois Ces deux effets nui- sent à l'émission laser, ou même l'interdisent. L'invention a donc pour objet de réaliser un laser à haute énergie du type défini en préambule et dans lequel, avec une réalisation compacte, les décharges superficielles parasites sur les parois intérieures peu- vent être évitées ou au moins pratiquement évitées. Selon l'invention, ce résultat est obtenu par le fait que, de chaque côté, considéré dans la direction axiale du laser, dela première électrode connectée au circuit d'arrivée de courant, et parallèlement à son axe, sont formées dans la matière isolante de la surface de l'enveloppe des cavités dans l'espace qui se trouve d'une part entre l'électrode précitée et d'autre part les joues latérales du circuit de retour de courant, et quedans ces cavités sont introduites des électrodes-écrans qui sont connectées au potentiel de la première électrode D'au- tres caractéristiques et avantages de l'invention appa- raitront par la suite en regard des dessins Les avanta- ges qu'apporte l'invention résident surtout dans le fait qu'elle permet de réaliser un laser à haute énergie com- pact et de très faible induction qui fonctionne entiè- rement ou largement sans décharge superficielle, de sor- te que ses pertes sont très réduites et que la qualité du gaz à effet laser reste maintenue plus longtemps. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront au cours de la description qui va suivre de quatre exemples-de réalisation et en se réfé- rant aux dessins annexés sur lesquels: La Figure 1 est une coupe transversale d'une- chambre de laser, la Figure 2 est une coupe suivant la ligne II- I 1.de la Figure 1, la Figure 3 est une vue de côté d'une chambre de laser avec des ouvertures formant des fenêtres dans l'enveloppe, pour produire une circulation transver- sale du gaz, la Figure 4 est une coupe partielle suivant la ligne IV-IV de la Fig 3, les Figures 5 et 6 sont des vues en perspective et en coupe d'une électrode-écran constituée par des fils ou en forme de treillis, et la Figure 7 représente une section transversale d'électrode destinée à améliorer le rapport des poten- tiels. La Figure 1 représente donc un laser à haute énergie, du type à excitation transversale, La chambre de laser 1 est remplie avec un gaz à effet laser et forme ainsi une chambre à gaz dans laquelle l'émission laser est excitée par une décharge de condensateur aussi homogène que possible, exempte d'arc, entre les deux électrodes El et E 2 Les deux électrodes de laser El, E 2 s'étendent parallèlement à l'axe optique a O du laser et se font face à distance l'une de l'autre, la plus courte distance S étant la largeur d' éclatement En ce qui con- cerne l'enveloppe de laser 2, il faut considérer une en- veloppe rectangulaire allongée; mais en principe, d'autres formes d'enveloppes sont concevables par exem- ple avec une section elliptique ou circulaire L'enve- loppe 2 de la chambre de laser 1 est faite de préférence en céramique Al 203 de grande pureté, ou en une matière plastique isolante appropriée; pour la partie extérieure de l'enveloppe 2 il faut également mentionner les parties de paroi métalliques e 21 et e 22 du circuit deretour de courant e 2 pour l'électrode E 2 La première électrode de laser El est connectée à un pôle et le circuit de retour de courant e 2 de la seconde électrode E 2 à l'autre pôle d'un réseau PFN approprié de formation d'impulsions qui fonctionne en circuit de Bl mlein ou en circuit de trans- fert de chargepour délivrer les impulsions nécessaires à haute tension, comme le décrit par exemple la demande de Brevet P 29 32 781 9 Le réseau PFN est également connecté à des tiges VI de pré-ionisation qui sont dis- posées parallèlement à l'axe et au voisinage immédiat de la première électrode El et à des tiges V 2 de pré- ionisation qui sont disposées parallèlement à l'axe de la seconde électrode E 2 et dans son voisinage immédiat. Le circuit et la réalisation des tiges de pré-ionisation de ce genre sont décrits plus en détail dans la demande de Brevet antérieure P 30 35 730 et il n'y a donc pas lieu de les expliquer davantage Les électrodes El et E 2 font saillie dans la chambre de laser 1, avec une partie el O ou e 20 en forme de pied de champignon servant de circuit de retour de courant et avec une partie el Ol ou e 201 en forme de chapeau de champignon servant de dis- tributeur de courant, ces parties étant introduites de façon étanche au gaz dans des perçages correspondants de l'enveloppe de laser 2 Il apparaît que le circuit de retour de courant e 2, sous la forme des parties de parois métalliques e 21 (plaques de base) et e 22 (les deux joues latérales) de la seconde électrode E 2, s'étend le long de la surface extérieure de l'enveloppe 2, au moins jus- qu'au voisinage de la région de paroi d'enveloppe entou- rant la première électrode El La référence M désigne la liaison vers la masse de e 2 ou E 2. Immédiatement avant l'amorçage de la chambre à gaz, l'électrode E 2 et le circuit de retour de courant e 2 sont au même potentiel tandis que l'électrode El se trouve à un potentiel différent Il s'établit donc entre les électrodes El et E 2 un champ électrique FL qui, en- tre autre choses, est déterminé par la différence de po- tentiel et la largeur d'éclatement S, ainsi que par la forme des électrodes Mais en même temps, il s'établit également un champ électrique entre l'électrode El et le circuit de retour e 2, c'est-à-dire particulièrement par rapport à ces joues latérales e 22, qui peut être calculé à partir de la même différence de potentiel et de la distance a, ainsi qu'à partir de la constante diélectrique des matières isolantes Ces deux compo- santes du champ déterminent le champ résultant dans le voisinage de l'électrode EJ Si mantenant les dis- tances S et a sont comparables, une plus grande par- tie des lignes de force pénètrent dans la matière iso- lante de l'enveloppe 2 et la décharge se fait le long de la matière isolante (ce qui favorise l'établissement de déchargessuperficiellessur la matière isolante), si cela n'est pas interdit par les mesures de protection contre les décharges superficielles qui seront décrites ci-après. L'invention évite donc une augmentation sensible de la distance a (la distance S étant fixe) car une telle mesure pourrait conduire à une augmentation préjudicia- ble et donc non souhaitable de l'inductance de l'envelop- pe laser Au lieu de cela et selon l'invention, des deux côtés considérés dans la direction a de l'axe du laser de la première électrode El connectée au circuit d'arri- vée de courant, et parallèlement à son axe, sont prévues dans l'espace entre cette électrode El d'une part et les joues latérales e 22 du circuit de -retour de courant e 2 d'autre part, des cavités 3 dans la matière isolante de l'enveloppe 2, dans lesquelles sont introduites des électrodes-écrans 4 Les électrodes-écrans 4 sont connec- tées galvaniquement ou par capacité (liaison 4 1 j à l'électrode El De cette manière, l'influence du circuit de retour de courant e 2 sur la configuration du champ dans la région de l'électrode El est réduite, et le champ électrique dans l'enveloppe laser est essentiellement déterminé par les électrodes El et E 2, des champs laté- raux FS étant produits à l'extérieur de la chambre à gaz, entre 4 et e 2 Comme cela apparaît, les cavités 3 s'éten- dent en commençant dans les régions de parois d'enveloppe entourant l'électrode Eljusqu'aux régions de parois d'enveloppe entourant la seconde électrode E 2, plus pro- fondément que la longueur 14 des électrodes-écrans 4 dans cette direction Cela évite largement une réaction des électrodes-écrans 4 sur le champ dans la région de l'électrode E 2 Il est particulièrement avantageux que, comme cela est représenté, les cavités 3 s'étendent en commençant sur la hauteur du pied el O de la première électrode El jusqu'à la hauteur du pied e 20 de la secon- de électrode E 2 Grâce à cette mesure, l'impédance ca- ractéristique pour les décharges superficielles sur la surface de la matière isolante est augmentée, ce qui s'oppose également à la tendance à l'établissement de décharges superficielles. Une augmentation considérable de l'impédance caractéristique pour les décharges superficielles est obtenue avec une augmentation négligeable de l'inductan- ce si des logements 5 en forme de cuvette sont ménagés dans les joues latérales e 22 du circuit de retour de courant e 2, sur leurs faces tournées vers la chambre de laser 1, ces logements s'étendant à partir de zones de chevauchement 4/5 avec les extrémités libres 4 0 des électrodes d'écran 4, au moins jusqu'au voisinage de la base 3 0 des cavités 3 Entre le circuit de retour de courant e 2 et l'enveloppe 2 en matière isolante se trou- ve donc une chambre à gaz 5 ' dont la constante diélectri- que est voisine de l'unité Dans le présent exemple de réalisation et comme le montre particulièrement la Fig 2, les électrodes-écrans 4 consistent en un certain nombre de tiges métalliques 4 a ou 4 b, reliées électriquement en- tre elles, et qui sont introduites dans les cavités 3, réalisées comme des fraisures 3 a ou 3 b Au lieu des frai- sures 3 a, 3 b, il est possible de prévoir aussi des trous correspondants, constitués par une rangée de trous dis- posés à proximité les uns des autres et dans lesquels doivent ensuite être introduites les tiges métalliques de l'électrode-écran. La Fig 5 représente en perspective et en coupe une électrode-écran 4 consistant en un treillis métalli- que 40 introduit dans une cavité 30 en forme de fente de l'enveloppe 2 en matière isolante; le fond de cette cavité en forme de poche ou de rainure est désigné par 30.0 et, en raison de la distance entre le bord inférieur de l'électrode -écran et le fond de la rainure, il exis- te un espace 30 a dans lequel ne se trouve pas d'électrode- écran (l'espace libre correspondant est désigné par 3 a sur la Fig 1) Au lieu du treillis métallique 40, il est possible aussi d'utiliser une tôle. La Figure 6 montre,également en perspective et en coupe, une électrodeécran désignée globalement par 4, constituée par des fils 400 tendus parallèlement à l'axe Io de laser ou de l'électrode et qui sont introduits dans des rainures longitudinales 300 de la surface de l'enve- loppe 2 La liaison électrique avec la première électrode El est faite par un connecteur transversal 400 1, sur le côté avant, réalisé par exemple sous la forme d'une étroi- te bande de tôle, introduite dans une encoche transver- sale 300 1 dans les rainures longitudinales 300 La liai- son électrique entre 400 1 et 400 peut être faite par exemple par sertissage, auquel cas les extrémités dénudées des fils 400 sont introduites dans des trous de la bande 400 1, comportant des bords emboutis, et les parties em- bouties étant ensuite serties L'espace libre dans lequel ne se trouve pas d'électrode -écran, est désigné par 300 a et il est formé par une fente correspondante au- dessous de la rainure 300. Les Fig 3 et 4 représentent un autre mode de réalisation d'un laser à haute énergie, dans lequel l'en- veloppe 2 de la chambre de laser 1, y compris le circuit de retour de courant est prévue avec des ouvertures laté- rales 6 en forme de fenêtre pour permettre une circilation de gaz à effet laser dans la direction a,, perpendiculai- rement à l'axe optique a O du laser Comme le montre particulièrement la Fig 4, le circuit de retour de cou- rant e 2 ' métallique, se trouvant dans la partie centrale de l'élément 7 de joue d'enveloppe qui subsiste est en- touré par une couche 8 en matière isolante Cette der- nière est entourée par l'électrode-écran 4 ' et cette électrode-écran 4 ' est à son tour enrobée par une seconde couche 9 de matière isolante L'espace libre 3 a et les logements 5 apparaissant sur la Fig 1 peuvent aussi être disposés d'une manière correspondante dans cet exemple de réalisation (non représentés) La Figure 7 montre un profile d'électrode qui, en coopération avec les électrodes-écrans 4, 4 ' des modes précédents de réalisation, permet d'améliorer encore le rapport des potentiels Dans cette électrode (représentée en coupe) désignée globalement par E, plusieurs rainures longitu- dinales 12 arrondies sont usinéesynotamment fraisées, dans une région de surface 10 convexe dont la section transversale est définie par l'enveloppe il du profil de Chang ou Rogowski en pointillés, et entre lesquels il: subsiste des protubérances 13 longitudinales Ce profil de Chang ou Rogowski modifié a pour effet que les com- posantes radiales du champ sont au détriment des compo- santes tangentielles, de sorte que l'effet de blindage des électrodes-écrans 4 et l'effet des cavités 5 accrois- sant l'impédance caractéristique pour les décharges su- perficielles sont renforcés La partie de l'électrode E en pied de champignon, réaliséede préférence en un alliage métallique résistant aux halogènes, par exemple en acier spécial ou en aluminium, est désignée par e 3 D et sa partie en chapeau de champignon par e 301 Le pro- fil de base de Chang ou Rogowski n'est mentionné qu'à titre d'exemple; d'autres formes de profil pourraient convenir. REVENDICATJ IONS i Laser à haute énergie du type à excitation transversale, avec une excitation par une décharge de condensateur aussi homogène que possible, exempte d'arc, dans un volume de gaz entre au moins des première et -5 seconde électrodes s'étendant parallèlement à l'axe op- tique du laser à l'intérieur d'une chambre de laser, et se faisant face à distance, qui sont disposées avec un dispositif approprié de préionisation à l'intérieur de l'enveloppe de la chambre de laser réalisée au moins en partie en une matière isolante résistant aux hautes tensions, et connectées respectivement à un circuit d'ar- rivée de courant et à un circuit de retour de courant, le circuit de retour de courant sous la forme de parties de parois métalliques s'étendant à partir de la seconde électrode le long de la surface de l'e nveloppe de la cham- bre de laser, au moins jusqu'au voisinage de la région de paroi d'enveloppe entourant la première électrode, laser caractérisé en ce que, de chaque côté, considéré dans la direction axiale du laser, de la première élec- trode(E 1) connectée au circuit d'arrivée de courant, et s 'étendant parallèlement à l'axe, sont formées dans la matière isolante de la surface d'enveloppe ( 2 >, des cavi- tés ( 3) dans l'espace entre l'électrode précitée d'une part et les joues latérales (e 22) du circuit de retour de courant (e 2) d'autre part, et que dans les cavités ( 3) sont introduites des électrodes-écrans ( 4) qui sont con- nectées au potentiel de la première électrode (El). 2 Laser selon la revendication: 1, caractérisé en ce que, dans la direction de la région de paroi d'enveloppe entourant la secondeélectrode (E 2) les ca- vités ( 3) s'étendent plus profondément que la longueur des électrodes-écrans ( 4 > dans cette direction. 3 Laser selon la revendication i ou 2, carac- térisé en ce que les cavités ( 3) s'étendent à partir de la hauteur du pied d'électrode (el O) de la première électrode (El) jusqu'à la hauteur du pied d'électrode (e 20) de la seconde électrode (E 2). 4 Laser selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que des logements ( 5) en forme de cuvette sont ménagés dans les joues latérales (e 22) du circuit de retour de courant (e 2) sur ses faces tournées vers la chambre de laser ( 1) et qui s'étendent à partir d'une zone de chevauchement ( 4-5) avec les ex- trémités libres des électrodes-écrans( 4) au moins jusqu' au voisinage du fond ( 3 0) des cavités ( 3). 5 Laser selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que les électrodes-écrans ( 4) sont constituées par un certain nombre de tiges métalliques ( 4 a) reliées électriquement les unes avec les autres, qui sont in- troduites dans des cavités ( 3 a) réalisées sous la forme de fraisures ou de trous, les trous consistant en une rangée de perçages disposés en toute proximité les uns des autres. 6 Laser selon la revendication 1, caractéri- sé en ce qu'une électrode-écran ( 40) faite en tôle ou en un treillis métallique, est introduite dans une cavité ( 30) en forme de fente. 7 Laser selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les électrodes-écrans sont réalisés sous la forme de fils ( 430) tendus parallèlement à l'axe du laser ou des électrodes, qui sont disposés dans des rai- nures longitudinales ( 300)de la surface d'enveloppe ( 2) et qui sont reliés à la première électrode (El). 8 Laser selon la revendication 1, dans le- quel l'enveloppe dela chambre de laser, y compris le circuit de retour de courant est prévue avec des ouver- tures latérales en forme de fenêtre pour permettre la circulation du gaz à effet laser perpendiculairement à l'axe optique du laser, caractérisé en ce que le circuit de retour de courant (e 2 ') métallique, se trouvant au centre des éléments de joues d'enveloppe qui subsistent est entouré par une première couche ( 8) de matière isolante, cette dernière étant entourée par l'électrode - écran ( 4 '), l'électrode-écran étant enrobée dans une seconde couche ( 9) de matière isolante. 9 Laser selon la revendication 1, avec par exemple une électrode d'un profil de Chang ou de Rogowski, caractérisé en ce que plusieurs rainures longitudinales ( 12) arrondies sont usinées dans la région ( 10) de surface extérieure de l'électrode (E) dans sa direction longitudinale et entre lesquelles subistent des protu- bérances ( 13) longitudinales à l'intérieur de l'enveloppe du profil ( 11).