Brevet FR2510316A1 — publié le 19830128

L'invention est relative à un laser à gaz. Elle trouvera notamment son application dans le milieu médical, en découpe et usinage. Actuellement, il existe des lasers dits a onde libre. Ils comprennent une enceinte contenant un gaz constituant le milieu amplificateur. L'enceinte contenant ce milieu amplificateur, se présente généralement sous la forme d'un tube dont le diametre est de l'ordre du centimètre et la longueur peut atteindre plusieurs mètres. Des miroirs sont disposés a chacune des extrémités du tube afin de former la cavité laser. L'un des miroirs est semi-réfléchissant, ce qui permet d'extraire une partie de l'énergie contenue dans la cavité sous forme de rayonnement. Le faisceau correspondant a une structure gaussienne. Le laser a onde libre présente des dimensions extérieures relativement importantes, ce qui rend son maniement particulièrement délicat. Pour pallier a cet inconvénient, on utilise le laser en poste fixe, et la piece, ou le matériau, est déplacé par rapport au laser ou encore, le faisceau de photons laser, est dirigé vers le point de travail a l'aide de miroirs de renvoi ce qui permet de poster le laser. Malheureusement, l'utilisation de miroirs de renvoi multiples conduit à une possibilité de déréglage optique qui nuit a l'utilisation du laser et oblige à de nombreux réalignements optiques qui sont source de perte de temps. Un autre inconvénient de ces lasers, réside dans la présence d'une certaine inertie mécanique due a l'utilisation d'un bras optique généralement équilibré. Il est bien connu que l'élévation de pression du milieu amplificateur d'un laser à gaz conduit à une diminution du gain linéaire de ce milieu laser et à une diminution de la puissance utile de ce laser. La cause en est l'échauffement excessif du milieu amplificateur, Afin de réduire cet échauffement, de nombreux auteurs réduisent la section du tube amplificateur de manière à approcher les parois froides du centre du tube. Ces parois diélectriques ou métalliques peuvent alors etre utilisées pour guider l'onde infrarouge et le laser resultant est appelé laser guide d'onde. Il se comporte différemment du laser classique à propagation d'onde libre principalement de par la différence de propagation des modes de la structure guidée. Dans ce second type de laser à gaz dans lequel l'onde est guidée, l'enceinte contenant le milieu amplificateur est de faibles dimentions. Le diamètre du guide d'onde est de l'ordre du millimetre et sa longueur de l'ordre de 20 cm. Des miroirs sont placés à chacune des ex trémités du guide d'onde formant l'enceinte amplificatrice, ce qui permet de localiser le faisceau lumineux. Toutefois, la puissance spécifique de ces lasers est encore relativement faible. Le but principal de la présente invention est de proposer un type de laser à gaz dont l'encombrement et le poids ont éte fortement réduits. Ces avantages permettent à l'opérateur de manipuler directement le laser. Un autre but de la présente invention sera de proposer un laser présentant plusieurs sources d'onde de même fréquence. D'autres buts et avantages de la présente invention appa raieront au cours de la description qui va suivre qui n'est cependant donnée qu'à titre indicatif. Le lasers gaz notamment constitue d'une enceinte tubulaire étanche contenant un gaz formant le milieu amplificateur, munie à chacune de ses extrémités de dispositifs réflecteurs et dotée de moyens d'excitation du gaz contenu dans l'enceinte, celle-ci étant parcourue par des ondes localisées entre les dispositifs réflecteurs est caracterisee par le fait que l'enceinte présente une ou plusieurs parois, faisant une division matérielle du milieu amplificateur, cette ou ces parois etant placées dans l'enceinte parallèlement à la direction de propagation des ondes, formant une stratification du milieu amplificateur. L'invention sera mieux comprise si l'on se réfere a la description ci-dessous, ainsi qu'aux dessins en annexe qui en font partie intégrante. La figure 1 schematise un laser, dont le milieu amplificateur est stratifié selon l'invention. La figure 2 schématise un mode particulier de stratification du milieu amplificateur. La figure 3 schématise un autre mode particulier de réalisation de la stratification du milieu amplificateur. La figure 4 illustre, à titre d'exemple, un positionnement préférentiel des dispositifs reflecteurs. La figure 5 schématise une réalisation avantageuse du dispositif d'excitation. L'invention trouvera son application parmi les lasers à gaz, quel que soit le type du gaz utilisé, en particulier les lasers à anhy druide carbonique (C02-N2-H#). La figure 1 schématise un laser a gaz. Ce type de laser est composé d'une enceinte 1, généralement mais pas nécessairement de forme tubulaire, contenant un gaz 2 qui forme le milieu amplificateur. Un dispositif d'excitation 3 permet d'exciter le gaz 2. Des dispositifs réflecteurs 4 et 5 sont positionnés à chacune des extrémites de l'enceinte 1. Ces dispositifs réflecteurs ne doivent pas être obligatoirement situes à proximité de cette enceinte 1. Le faisceau de photons 6, engendré et entretenu par les atomes du gaz 2 du milieu amplificateur est localisé entre les deux dispositifs reflecteurs. Dans le cas où le diamètre de l'enceinte 1 contenant le milieu amplificateur, est relativement de grand diamètre, le faisceau 6 de photons prend une allure particulière et il sera nécessaire d'utiliser des dispositifs reflecteurs 5 et 6 adaptes à cette forme de faisceau. Au moins un des dispositifs réflecteurs, par exemple le dispositif 5 sera semi-réflechissant, ce qui permettra à une certaine partie des photons de constituer un faisceau, qui sort du laser, et qui formera le faisceau "utile" du laser. Selon l'invention, l'enceinte 1 presentera une ou plusieurs parois 8, situées à l'intérieur de l'enceinte, formant une division ma térielle du milieu amplificateur 2. La ou les parois seront placées de telle sorte qu'elles soient situees parallelement a la direction de propagation du rayonnement 6, afin de ne pas altérer cette propagation. Ces parois formeront des surfaces d'echanges thermiques avec le milieu amplificateur de façon à le refroidir. Les parois formeront une-stratification du milieu amplificateur. Cette stratification pourra être monodirectionnelle, comme dans le cas de la figure 2, où les parois 9 sont sensiblement parallèles entre elles, le milieu amplificateur étant alors cloisonne par lesdites parois. La stratification peut être également bi-directionnelle, comme dans le cas de la figure 3 dans laquelle le milieu amplificateur est quadrille, et se réduit à un ensemble de canaux 10. Cette amélioration dans le refroidissement du milieu amplificateur permet d'ameliorer le gain linéaire du milieu laser et la puissance utile du laser pour un volume donné. Les dispositifs réflecteurs, appliqués au laser à milieu amplificateur stratifié, devront être adaptés à la géométrie de la stratification de façon à contenir le rayonnement entre les parois. Dans un mode préférentiel de réalisation, on pratiquera un cloisonnement du milieu amplificateur suffisamment fin pour guider les faisceaux de photons. Ainsi, les parois présenteront une double application, premièrement, refroidir le milieu amplificateur, deuxièmement, guider l'onde associée aux faisceaux de photons. De plus, dans ce cas, il y aura un confinement du milieu amplificateur ce qui facilitera et améliorera l'excitation de ce milieu amplificateur. La figure 4 schématise un laser, selon l'invention, présentant deux guides d'onde 11 et 12 formes par l'enceinte 13 contenant le milieu amplificateur, et une paroi intermédiaire 14. Un nombre plus important de guides d'onde, ou une autre disposition aurait pu être en visagée sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. Un miroir plan 15 pourra avantageusement être disposé à l'extrémité des guides d'onde perpendiculairement à leur axe longitudinal. Ce miroir, fera office de dispositif reflecteur qui permettra de contenir le rayonnement à l'intérieur de l'enceinte 13. L'utilisation d'un miroir plan unique a chacune des extrémités de l'enceinte contenant le milieu amplificateur, présente plusieurs avantages. D'une part, tous les guides d'onde 11 et 12, permettent de placer les faisceaux contenus dans chaque guide d'onde, dans des conditions identiques, ce qui permet d'obtenir une onde associée aux faisceaux de photons? de même frequence. D'autre part, il est avantageux de placer le miroir plan directement à l'extrémité des guides d'onde, ce qui permet d'avoir une enceinte contenant le milieu amplificateur, compacte.Il est egalement possible, d'utiliser des miroirs indépendants 16 et 17 pour chaque guide d'onde 11 et 12, ce qui permet d'ajuster la fréquence de chaque guide d'onde. Cette disposition trouvera tout particulierement son application dans la détection des polluants ou éventuellement dans des applications metrologiques. Selon le type d'application envisagé, il pourrait etre in téressant éventuellement d'avoir des guides d'onde qui communiquent entre eux par l'intermédiaire d'orifices. La figure 5 schématise un dispositif d'excitation du milieu amplificateur, dont la conception est avantageuse. En effet, une électrode 18 est commune à plusieurs guides d'onde, dans le cas de la figure 1 deux guides d'onde 19 et 20, cette electrode commune est située à l'intérieur d'une cavité 21 qui réunit les deux guides d'onde 19 et 20. Cette électrode est reliee à l'extérieur, de l'enceinte con tenant le milieu amplificateur, à un générateur haute tension. Par ailleurs, chaque guide d'onde 19 et 20 dispose d'une électrode propre 22, 23, reliée à l'extérieur au générateur haute tension 24. Ce générateur 24 permet de creer des décharges entre les électrodes 22, 23 et 18 ce qui permet de créer un plasma de gaz formant le milieu amplificateur, pour l'exciter. Un dispositif de réglage, par exemple à l'aide de résistances 24, 25 permet de régler séparément les décharges dans chacun des guides d'onde. Ces électrodes haute tension pourraient être remplacées par des électrodes haute fréquence formant des parois du guide d'onde et excites par un générateur haute fréquence. Il est important, que les parois disposées dans l'enceinte, formant une stratification du milieu amplificateur, présentent une certaine symétrie d'ensemble. Il faut en effet que les guides d'onde présentent une identité de géométrie, et de conditions de température, pour que l'onde associée aux faisceaux de photons, soit identique dans chaque guide d'onde. Il faudra être particulierement vigilant, quant aux conditions de refroidissement des parois. On pourra par exemple réaliser des canaux en contact direct avec les parois de stratification du milieu amplificateur, ces canaux étant parcourus par un agent de refroidissement qui pourra absorber la chaleur recueillie par les'parois de stratification. Mais, il sera préférable, que ces canaux présentent une symétrie de refroidissement par rapport à l'ensemble des parois de stratification. Dans un mode préférentiel de réalisation, les guides d'onde pourront être taillés dans un barreau 26, comme le montrent les figures 2 et 3. Ainsi, le matériau utilise pour la confection de l'enceinte contenant le milieu amplificateur, et les parois de stratification est identique. Les guides d'onde étant généralement de petites dimensions, de l'ordre du millimètre, il sera parfois nécessaire de réaliser l'enceinte en fixant bout à bout des tronçons de barreau usinés. Les guides d'onde pourront par exemple avoir des dimensions géométriques variables selon leur position dans le barreau. Le barreau pourra être lui-même constitue de plusieurs pieces usinées et assemblées. Le matériau utilisé sera de preference un diélectrique ayant une rigidité électrique élevée. Le matériau diélectrique pourra éventuellement être métallisé sur une ou plusieurs parois formant le guide d'onde. De plus, il présentera avantageusement une bonne conductibilité thermique. Un faible coefficient de dilatation est souhaitable, au moins dans la direction de propagation du rayonnement, pour réaliser l'enceinte contenant le milieu amplificateur, afin que la distance separant les deux miroirs fixes aux extrémites de ladite enceinte soit sensiblement constante. Le matériau utilise pourra par exemple être du nitrure de Bore, de l'oxyde de Beryllium ou de l'alumine. Les différents éléments pourront être assemblés notamment par collage à l'aide d'une colle a base d'acrylocyanolite. Le collage ou l'enrobage pourra egalement etre réalisé à base d'une colle au silicone. Les miroirs formant les dispositifs réflecteurs, seront réalisés sur support diélectrique de préférence, les multicouches résultant du traitement optique seront également dielectriques. Les guides d'onde pourront avoir une section rectangulaire, carrée, circulaire, ou autre. Le barreau devant constituer l'enceinte contenant le milieu amplificateur, pourra être réalise en plusieurs é léments éventuellement usinés qui seront assemblés. L'agent de refroidissement utilisé pour refroidir les parois de stratification, pourra par exemple être de l'eau, de préférence froide, qui circulera dans les canaux par exemple taillés dans le barreau formant l'enceinte du milieu amplificateur. Ces canaux seront placés symétriquement par rapport aux guides d'onde et si possible le: long du barreau. Au cas ou plusieurs canaux seraient réalisés symétriquement par rapport aux guides d'onde, il faudra veiller à ce que le fluide circulant dans ces canaux ne crée pas de dissymétrie thermique par rapport aux différents guides d'onde. Le mode de réalisation qui vient d'être décrit n'est donné qu'à titre indicatif, et d'autres mises en oeuvre de la presente invention, à la portée de l'Homme de l'Art, peuvent etre adoptées sans pour autant sortir du cadre de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Laser à gaz notamment constitue d'une enceinte tubulaire étanche contenant un gaz formant le milieu amplificateur, munie à chacune de ses extrémités de dispositifs réflecteurs et dotée de moyens d'excitation du gaz contenu dans l'enceinte, celle-ci étant parcourue par des ondes localisées entre les dispositifs reflecteurs caractérisé par le fait que l'enceinte (1) présente une ou plusieurs parois (8) formant une division materielle du milieu amplificateur (2), cette ou ces parois (8) étant placées dans l'enceinte (1) parallèlement à la direction de propagation des ondes, formant une stratification du milieu amplificateur. 2. Laser à gaz selon la revendication 1, caractérisé par le fait ques les dispositifs réflecteurs (4 et 5) sont des miroirs adaptés à la geométrie de la stratification du milieu amplificateur (2). 3. Laser à gaz selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les parois (8) de stratification sont suffisamment proches les unes des autres pour former des guides d'onde vis- -vis du rayonnement (6). 4. Laser à gaz selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'un au moins des miroirs (15) est commun a plusieurs ou à l'ensemble des guides d'onde (11 et 12). 5. Laser à gaz selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la fréquence des rayonnements est identiques pour tous les guides d'onde. 6. Laser a gaz selon les revendications précédentes, caractérisé par le fait que les parois de stratification (8) sont réalisées dans un matériau diélectrique, éventuellement partiellement métallisé, et conducteur de la chaleur. 7. Laser a gaz selon la revendication 2, caracterise par le fait que les dispositifs réflecteurs (15, 16 et 17) se presentent sous la forme de miroirs plan, réfléchissants ou semi-réflechissants , fixes auxextremités des guides d'onde (11 et 12), perpendiculairement à l'axe longitudinal des dits guides d'onde. 8. Laser à gaz selon la revendication 1, caractérisé par le fait que des ouvertures sont réalisées dans les parois de stratification (8). 9. Laser à gaz selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les parois (8) de stratification placées dans l'enceinte (1) sont refroidies par un agent de refroidissement. 10. Laser à gaz selon les revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'enceinte (1) présente une symétrie de réalisation. 11. Laser à -gaz selon les revendications précédentes, carac térisé par le fait que les parois de stratification (8) et l'enceinte (1) sont réalisées dans le même matériau. 12. Laser à gaz selon la revendication 9, caracterise par le fait que l'agent de refroidissement parcourt des canaux longitudinaux tangents aux guides d'onde réalisés dans la masse de l'enceinte (1). 13. Laser à gaz selon la revendication 11, caractérise par le fait que le matériau utilisé présente un faible coefficient de dilatation au moins dans la direction de propagation du rayonnement. 14. Laser à gaz selon la revendication 11, caractérisé par le fait que le matériau utilisé est un nitrure de Bore, de l'oxyde de Beryllium ou de l'alumine. 15. Laser à gaz selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'excitation du milieu amplificateur se fait par décharges électriques haute tension entre des electrodes situées dans le voisinage des guides d'onde, ou haute fréquence entre des electrodes formant le guide d'onde. 16. Laser à gaz selon la revendication 14, caractérise par le fait que certaines électrodes peuvent être communes à plusieurs guides d'onde.