Brevet FR2504744A1 — publié le 19821029

La présente invention a pour objet un laser au CO' scellé, robuste et simple excité transversale- ment sous pression atmosphérique et dans lequel on adopte une technique de préionisation par décharge à effluve. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 4 207 540 accordé au nom de G J Ernst, ainsi qu'un article de Ernst et Boer intitulé "Construction and Performance Characteristics of a Rapid Discharge TEA C 02 Laser" et paru dans "Optics Communications", Volume 27, No 1, Octobre 1978, page 105, on décrit un laser à écoulement de C 02 gazeux dans lequel on adopte une technique de préionisation par décharge à effluve. Cette technique de décharge consiste à utiliser un champ électrique intense pour amorcer une décharge à effluve à l'intérieur de l'alésage du laser, cette dé- charge engendrant une lumière ultraviolette qui pré- ionise le gaz dans la zone de décharge principale du laser La figure 2 de l'article précité et la figure 3 du brevet mentionné ci-dessus illustrent les détails de construction pertinents de ce laser L'invention dé- crite et revendiquée dans ce brevet est un système com- biné caractérisant un circuit de décharge particulier et un raccordement électrique particulier au système de préionisation à électrodes Dans ces deux références, le gaz s'écoule continuellement à travers le volume ac- tif, produisant ainsi un milieu ambiant différent de celui d'un laser scellé. La présente invention concerne un laser au C 02 301 perfectionné excité transversalement sous pression atmos- phérique et préionisé par décharge à effluve, ce laser étant conçu pour fonctionner dans des conditions d'étan- chéité et avoir une longue durée de conservation, la Construction mécanique de la cavité de ce laser étant :; odifiée vis-à-vis des dispositifs de la technique anté- -ieure afin d'améliorer son rendement dans des conditions d'étanchéité durables et de réduire la surbordination du dispositif de la technique antérieure à un circuit électrique particulier. Dans les dessins annexés la figure 1 illustre un détail du laser de la technique antérieure, décrit dans l'article précité; la figure 2 est une reproduction de la figu- re 3 du brevet précité; la figure 3 est une coupe transversale d'un laser construit suivant la présente invention; et la figure 4 est une vue éclatée d'un laser construit suivant la présente invention. En figure 3, on représente, par une coupe transversale, une cavité de laser conçue suivant la pré- sente invention, dans laquelle le volume 320 est la cavi- té de décharge du laser qui est délimitée par des pa- rois latérales 306 et 304, ainsi que des couvercles 332 et 334 au sommet et à la base respectivement. L'axe optique du laser est perpendiculaire au plan du dessin, tandis que les axes transversaux 350 et 351 passent par les couvercles 332, 334 et les parois 304, 306 respectivement Dans la forme de réalisation illus- trée, les parois et les couvercles sont constitués d'une substance diélectrique telle que le "MACOR" qui est un verre céramique usinable fabriqué par "Corning Glass Works", tandis que les joints 309 et 311 formés entre les parois et les couvercles sont scellés hermétiquement par soudure au moyen d'une fritte de verre ou en adoptant une technique d'étanchéification équivalente A l'inté- rieur des enceintes ainsi formées, sont montées des élec- trodes 301 et 302 qui sont respectivement la cathode et l'anode du circuit de décharge d-excitation du laser. Ces Électrodes sont raccordées, via les couvercles 334 et 332, par des organes 307 et 308 respectivement, les- 3 S *' e sont façonnés de façon à avoir une faible inductan- * faciliter la formation d'un joint étanche entre 250474 J l'organe métallique conducteur et le couvercle Le joint formé entre les organes de raccordement et les couvercles est étanchéifié au moyen d'une résine époxy ou par soudure à l'ai-de d'une fritte de verre Les con- S figurations des électrodes 301 et 302 sont étudiées con- formément au procédé donné par Chang (voir brevet préci- té de Ernst, lignes 54-56), dans lequel les paramètres sont les suivants: K = 0,02, ' = cosinus d'arc (-K), l'écartement entre les électrodes 301 et 302 étant, à titre d'illustration, de l centimètre. A l'intérieur de la paroi 304 de la cavité du laser, est usiné un volume rentrant 314, à une profon- deur calculée de telle sorte que l'épaisseur de paroi restante entre l'électrode et ce volume rentrant ait une valeur critique, par exemple, 2 millimètres, laquel- le dépendra de la matière choisie pour la paroi 304. Dans la cavité ainsi définie 314, est introduite une électrode 310 qui est raccordée électriquement à la ca- thode 301 au moyen d'un parcours à faible inductance (non représenté dans le schéma) L'électrode 310 est disposée dans la cavité 314 de telle sorte que son ex- trémité supérieure soit située au voisinage de la tran- sition créée dans la surface de l'électrode 302 entre la surface courbe 321 tournée vers la cathode et la sur- 2 '5 face plane 322 entrant en contact avec le bord de la pa- roi 304 La zone de transition 312 o ces deux surfaces se rejoignent, n'est pas anguleuse, mais arrondie avec un rayon d'au moins 0,076 mm L'électrode 310 est dis- posée parallèlement à l'axe transversal 350, de telle 3 ( sorte que son bord supérieur soit situé pratiquement à la même hauteur que la zone de transition 312 de l'élec- trode 302 et que la plus courte distance entre les élec- frro Jes 310 et 302 passe à travers au moins une partie de a u-ne de cavité 320 sans traverser entièrement la pa- i 304 Par suite de cet écartement, la distance la _;el Jrte et, partant, le champ dc plus forte intensi- té ne se situent pas à l'intérieur de la paroi 304, ce qui pourrait avoir tendance à favoriser une rupture de la matière dont est constituée cette paroi 304, mais ils se situent plutôt partiellement dans la zone de rem- plissage de milieu de C 02 320 Le champ électrique in- tense créé dans l'angle o la surface 321 rejoint la paroi 304, détache des électrons de la matière de cette dernière et engendre une décharge à effluve qui descend le long de la surface de la paroi 304 en direction de l'électrode 301, produisant ainsi des radiations ultra- violettes Les radiations ultraviolettes ainsi créées traversent toute la zone 320, ce qui a pour effet de soumettre le gaz à une préionisation. La figure 4 illustre, par une vue éclatée, une forme de réalisation de l'invention dans laquelle un or- gane 402 forme les parois et les extrémités du corps de la cavité de laser, laquelle est traversée par un axe 400 qui passe par une lentille 420, une ouverture 404, la cavité principale, une ouverture 405 et une lentille 422 Les lentilles 420 et 422 sont scellées hermétique- ment aux ouvertures 404 et 405 afin de les maintenir en alignement dans un milieu ambiant soumis à de fortes vi- brations Les faces opposées du corps peuvent être usi- nées par des techniques classiques pour qu'elles soient parallèles et lisses en assurant ainsi la mise en aligne- ment des lentilles Dans un côté ( 304) du corps 402, est usinée une pièce rapportée 314 qui maintient une électrode 310 Cette électrode 310 est maintenue en alignement par des éléments-de fixation classiques (non représentés) Sur le sommet et la base du corps 402, sont adaptés des couvercles 332 et 334 qui sont soudés en place au moyen d'une fritte de verre ou par une autre technique de scellage hermétique Les électrodes 301 et 302 sont fixées à leurs couvercles correspondants comme iilustré par la coupe transversale de la figure 3 qui avé prise suivant les flèches 3-3 de la figure 4. 250474 À Selon une caractéristique avantageuse de l'in- vention, le corps 402 de la figure 4 comporte quatre joints étanches seulement, à savoir ceux formés sur les couvercles supérieur et inférieur, ainsi que ceux for- més sur les lentilles Un joint étanche de couvercle pourrait éventuellement être éliminé en coulant le mou- le par pressage isostatique à chaud ou par une techni- que équivalente, supprimant ainsi un joint à proximité de l'électrode sous tension (anode) Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, on utilise une seule matière pour le corps du laser, contraire- ment à la technique antérieure dans laquelle on emploie plusieurs matières ayant des caractéristiques thermiques dissemblables Selon une autre caractéristique avanta- geuse encore de l'invention, bien que le parcours di- rect entre l'électrode 302 et l'électrode 310 soit né- cessairement court, afin d'engendrer la haute intensité de champ requise, le parcours établi en dehors de la ca- vité entre les connecteurs des électrodes 302 et 310 ou leurs surfaces est assez long, supprimant ainsi une dif- ficulté majeure des dispositifs de la technique antérieu- re. En revanche, un dispositif construit conformé- ment aux enseignements de la technique antérieure est illustré dans les figures 1 et 2; en figure 1, la cavi- té est définie par des organes 18, 17, 19 et 5, deux de ces organes étant en laiton et les deux autres, en verre, formant ainsi quatre joints entre des matières dissem- blables Une autre difficulté que présente le disposi- tif de la technique antérieure, réside dans le fait qu'un parcours direct court est établi entre l'électrode de masse 31 et l'organe en laiton 18, lequel est en con- tact électrique avec l'anode 2 Un dispositif construit conformément à cette technique a subi une série de courts-circuits électriques entre l'électrode située en dehors de la cavité et l'anode En figure 2, des élec- trodes 118 et 119 qui sont en contact électrique avec l'anode 2 et la cathode 3, s'étendent sur une longue distance avec maintien d'un écartement minimum entre elles au moyen d'un milieu isolant 105 Conformément à la technique antérieure,ce dispositif donne lieu à un temps de mon- tée très court du générateur de Marx par suite de la faible inductance, ce qui est une caractéristique du système de la technique antérieure, lequel est un instrument intégré de laboratoire conçu pour le temps de montée le plus rapide (environ 15 nanosecondes). La présente invention utilise le même principe physique d'une décharge à effluve induite par diélectri- que pour mettre au point un instrument générateur de champ portable conçu pour tolérer des conditions préju- diciables de vibrations et de dilatation thermique, tout en étant insensible aux variations survenant dans les paramètres électriques Un laser construit suivant la présente invention a un temps de montée d'impulsion de tension supérieur à 30 nanosecondes et une tension pulsée de plus de 18 kilovolts pour un écartement de 1 centimètre entre électrodes. Une version modifiée de l'invention comporte une deuxième électrode semblable à l'électrode 310 et qui est enfoncée dans la paroi 306 afin d'assurer une préionisation plus uniforme et un fonctionnement redon- dant d'une meilleure fiabilité Dans une autre version de l'invention, les pièces'en bout et les couvercles 332, 334 sont combinés pour former une unité monobloc. Dans une autre version encore, les côtés 304, 306 et les couvercles 332, 334 sont combinés pour former une unité monobloc. REVENDICAT IONS 1 Laser au C 02 excité transversalement sous pression atmosphérique, comportant un milieu d'amplifi- cation et confiné dans une enceinte scellée ayant un axe optique et un axe transversal, cette enceinte com- portant un premier et un deuxième organe en bout dispo- sés perpendiculairement à l'axe optique, un premier et un deuxième organe latéraux, ainsi qu'un premier et un deuxième couvercle, les organes latéraux et les couver- cles étant disposés parallèlement à l'axe optique, tan- dis que tous ces organes sont constitués de la même ma- tière, caractérisé en ce qu'il comprend: des électrodes formant anode et cathode disposées sur les côtés opposés de l'enceinte et à l'intérieur de celle-ci, parallèlement à l'axe optique et le long de l'axe transversal en étant séparées l'une de l'autre par les organes latéraux, l'électrode anodique ayant une surface courbe tournée vers l'électrode cathodique, ainsi que des surfaces de parois planes entrant en con- tact avec les organes latéraux, cette surface courbe et ces surfaces de parois planes se rejoignant dans une zone de transition ayant un rayon de courbure d'au moins 0,076 mm; ce laser comprenant également au moins une électro- de disposée en dehors de la cavité du laser et raccordée électriquement à l'électrode cathodique au moyen d'un conducteur à faible inductance, tout en étant montée le long de la surface extérieure d'un des organes latéraux en chevauchant l'électrode anodique le long de l'axe transversal, de telle sorte que la ligne droite la plus courte entre l'anode et cette électrode traverse une partie 4 u milieu du laser et également une couche de ma- tière isolante constituée d'une partie de la paroi pré- citée de l'en:einte; l'ence:rte comprenant également des éléments opti- ques disposés le long de l'axe optique pour faire réson- ner les radiations optiques à l'intérieur du milieu d'amplification, ainsi que des éléments destinés à ap- pliquer une haute tension pulsée aux électrodes anodi- que et cathodique, cette tension ayant un temps de mon- tée d'au nioins 30 nanosecondes; et une valeur de crête calculée de telle sorte qu'un champ électrique d'au moins 18 k V/cm soit créé entre ces électrodes, engendrant ainsi, entre l'anode et l'électrode située en dehors de la cavité, une déchar- ge à effluve qui conditionne le milieu de GO 2 entre les électrodes anodique et cathodique. 2 Laser suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que les organes en bout et les organes laté- raux forment un seul organe continu. 3 Laser suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que les organes en bout et les couvercles forment un seul organe continu. 4 Laser suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que les organes latéraux et les couvercles forment un seul organe continu. 5 Laser suivant l'une quelconque des revendi- cations I à 4, caractérisé en ce que l'enceinte scellée s'étend sans discontinuité entre l'électrode située en dehors de la cavité et l'anode, le long de la surface de paroi plane.