Brevet FR2529721A1 — publié le 19840106

La présente invention concerne un laser à gaz Co 2 à pression atmosphérique, à champ électrique trans- versal. Dans un laser à gaz CO 2, l'agent actif est un mé- lange gazeux d'anhydride carbonique, d'azote, d'helium et dans certains cas, d'autres gaz comme l'oxyde de carbone ou le xenon Lorsqu'une décharge électrique est produite dans le gaz pour exciter l'agent actif, certains des con- stituants du mélange se dissocient En particulier, l'an- hydride carbonique se dissocie en oxyde de carbone et en oxygène La dissociation du gaz entraîne une réduction du volume d'agent actif et elle est l'une des raisons prin- cipales des défaillances des lasers C 02 fermés hermétique- ment. Des tentatives faites pour réduire les effets nui- néfastes de dissociation du gaz ont mis en oeuvre des tech- niques telles que l'utilisation de grands volumes de ré- serve de gaz, et de catalyse des constituants dissociés. La technique la plus souvent utilisée dans les lasers C 02 consiste à utiliser un catalyseur qui accélère la recombi- naison des constituants dissociés L'oxyde de carbone et l'oxygène ne se recombinent pas à la température ambiante; mais dans certaines conditions ils peuvent se combiner en présence de certains catalyseurs Le platine est le cata- lyseur le mieuxconnu; mais il impose un fonctionnement du laser à des températures élevées, ce qui n'est pas pos- sible dans un laser C 02 fermé hermétiquement La Hopcalite, mélange d'oxyde de magnésium (Mn O 2) et d'oxyde de cuivre (Cu 0), di sponible dans le commerce, est quelquefois uti- liséecomme un catalyseur Le problème principal est que la poudre de catalyseur se disperse dans l'enveloppe du laser et en dégrade donc les performances, notamment lors- qu'une partie de la poudre de catalyseur se dépose sur les éléments optiques. Un article intitulé "Sealed Multia tmosphere C 02 TEA laser: Seed-Gas compatible system using unheated oxyde catalyst" par R B Gibson et col, Appl Phys. Letters 32 ( 11), 1 er Juin 1978, d 4 crit un laser qui con- fine la poudre de catalyseur à l'extérie- r de l'enveloppe principale du laser et nécessite un pompege pour faire circuler le gaz sur cette poudre de catalyseur. TL'invention concerne donc ua récipient à cata- lyseur qui isole la poudre de catalyseur des champs élec- triques intenses présents dans l'enveloppe du laser et qui protége ltagent catalyseur de 18 onde de choc produite par une décharge électrique entre deux électrodes utili- sees pour exciter l'agent de gain du laser, tout en per- mettant un contact suffisant pour que la catalyse ait lieu. Le récipient est fait d'un bottier plein conducteur, avec un couvercle conducteur qui est perméable à l'Eent gazeux et imperméable à l'agent catalyseur qui s'y trouve Le récipient est placé dans l'enveloppe principale du laser dans une région voisine de la région de décharge qui assure un contact suffisant entre les constituants dissociés for- més par la décharge et le catalyseur De préférence, le ré- cipient est en contact avec l'une des électrodes Avec cette disposition, la chaleur produite dans l'électrode par la décharge électrique est transférée par le récipient à l'agent catalyseur, ce qui augmente la vitesse de recom- binaison. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion appara Xtront au cours de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La Figure 1 A est une coupe d'un mode de réalisa- tion de l'invention, la Figure l B est une coupe suivant la ligne 11 B-1 B de la Figure 1 A et la Figure 1 C est une vue de dessus du récipient à catalyseur utilisé dans le mode de réalisation de la Figure 1 A. T Les Figures 1 A à 1 C représentent donc un laser fermé hermétiquement, à gaz C 02 à la pression atmosphé- rique, a champ électrique transversal (TEA) L'enveloppe 12 a pour but de contenir un axent gazeux 13 et deux électrodes principales 14 et 16 L'électrode 14 est fixée sur une paroi de l'enveloppe 12 et elle en est séparée par des vis 20 et des entretoises 18 L'élec- trode 16 est fixée sur la paroi opposée de l'enveloppe 12, également avec des vis 20 et elle est espacée de cette paroi par la combinaison des entretoises 22 et du récipient à catalyseur 40 Les dimensions relatives des entretoises 18 et des-entretoises 22 ainsi que du récipient à catalyseur 40 déterminent "'écartement des électrodes 14 et 16, et elles sont choisies pour obtenir un écartement prédéterminé afin de répondre aux condi- tions d'une application spécifique Le récipient à cata- lyseur 40 est constitué par un bottier 26 en forme d'auge avec un couvercle d'extrémité 28 Le bottier 26 est en une matière pleine conductrice, par exemple en aluminium et le couvercle 28 est fait d'une matière con- ductrice comportant des ouvertures d'une dimension pré- déterminée, par exemple une grille d'acier inoxydable d'une valeur de trame prédéterminée La fonction du cou- vercle 28 sera décrite plus en détail par la suite et il suffit pour le moment d'indiquer que ce couvercle 28 doit permettre le libre passage de l'agent gazeux 13 ou de ses constituants tout en empochant que même les plus petites particules du catalyseur sortent vers l'exté- rieur du récipient -Le récipient à catalyseur 40 est assemblé dans l'enveloppe de laser 12 en fixant la base du bottier 26 sur la surface arrière de l'une des élec- trodes et en fixant sur le rebord du bottier 26, le cou- ve 'cle 28 et les entretoises 22 Cela se fait par exemple avec d-es vis 20 vissées par des ouvertures correspondantes de l'enveloppe de laser 12, du bottier 26, du couvercle 28 et de l'électrode 16 Des entretoises 24 sont égale- ment utilisées pour augmenter la rigidité entre le cou- vercle 28 et la surface intérieure du bottier 26 et éga- lement pour fermer les ouvertures des vis par rapport au contenu durécipient 40 Des entretoises 22 sont uti- lisées entre le couvercle 28 et la paroi de l'enveloppe 12 Pour maintenir un espace ou un volume suffisant dans lequel l'agent de gain ou milieu d'auplification 13 peut circuler devant et à travers le couvercle 28 Un agent catalyseur 30 est placé 3 dans le bottier 26 et le couvercle 28 Un mélange d'oxyde de manganèse et d'oxyde de cuivre, comme la Hopcalite peut etre utilisé comme catalyseur Elle peut être utilisée sous forme d'une poudre dont les grains n'adhè- rent pas entre eux, ou être comprimée en pastilles de dimension appropriée Le volume entre le récipient à cata- lyseur 40 et l'électrode 16 permet à l'agent de gain 13 de circuler et d'8 tre en contact avec le couvercle 28 du récipient à catalyseur 40 Le couvercle supérieur 28 du récipient à catalyseur 40 a une dimension de trame imper- méable à la poudre de catalyseur mais perméable à l'agent de gain Ainsi, l'agent de gain 13 peut pénétrer par le couvercle 28 et entrer en contact avec la poudre de cata- lyseur 30-mais les plus petites particules de catalyseur ne peuvent traverser le couvercle 28 et par conséquent, ne peuvent contaminer l'agent de gain 13 et déposer des particules libres sur les éléments optiques critiques du laser En général, une dimension de trame de 40 microns est utilisée. Un dispositif 60 de commande de décharge est pré- vu pour produire une décharge entre les électrodes 14 et 16, utilisée pour exciter l'agent de gain 13 et produire ainsi une impulsion de laser Dans le cas d'utilisation dans le mode de résonateur, un miroir 50 à réflexion to- tale est placé sur l'axe optique du laser 10 à une extré- mité de l'enveloppe 12 et un miroir 52 à transmission partielle est placé sur l'axe optique à l'extrémité Opp O- sée de l'enveloppe 12 Dans d'autres applications, les miroirs 50 et 52 peuvent être remplacés par des fenêtres de sortie optiques dont les plans pepvent être position- nés sous l'angle de Brewster par rapport à l'axe optique pour contrôler la polarisation des impulsions de laser de sortie, comme cela est bien connu. Pendant le fonctionnement du laser, les champs électriquos intenses qui sont présents entratnent la rupture des pastilles de catalyseur 30 et ont un effet 3 de dispersion sur la poudre de catalyseur, ce qui dé- grade le fonctionnement du laser, notamment quand la coudre est déposée sur les éléments optiques dans l'en- veloppe de laser 12 fa décharge électrique produite en- tre les electrodes 14 et 16 entraineégalement une onde de choc qui a les mêmes effets néfastes sur le cataly- seur que ceux mentionnés ci-dessus Le bottier 26 et le couvercle 28 forment en fait une cage conductrice, que l'on peut appeler une cage de Faraday et il s'avère que cette cage protège l'agent catalyseur 30 contre les ef- fets de dispersion des champs électriques intenses pré- sents dans l'enveloppe de laser Le récipient 40 protège également l'agent catalyseur 30 contre l'onde de choc produite par la décharge entre les électrodes principales 14 et 16 et évite que des particules de catalyseur ne s'échappent du volume intérieur du récipient 40. Il s'est avéré que les turbulences du gaz, pro- duites par la décharge électrique entre les électrodes principales 14 et 16 suffisent pour établir un contact qui convient entrel'agent de gain 13 et l'agent cataly- seur 30, lorsqu'il est placé au voisinage de la région de décharge La position du récipient allongé 40 entre l'une des parois latérales de l'enveloppe 12 et l'élec- trode 16 apporte également l'avantage de simplifier le montazge du récipient 40 Grâce à l'utilisation des vis 20 et des entretoises 22 et 24, un montage solide et s&r du récipient 40 est obtenu. Le dispositif 60 de commande de décharge four- nit l'énergie pour la décharge électrique entre les électrodes 14 et 16 et commande à volonté sa fréquence de répétition La fréquence de répétition des décharges électriques est l'une des variables qui déterminent la température dans i'enveloppe du Laser, Le consti- tuant Mn O de la poudre de catalyseutr est plus efficace dans la plage des températures inférieures apparaissant dans le fonctionnement du laser à faible fréquence de répétition tandis que le constituant Cu O est plus effi- cace dans la plage des temperatures plus élevées appa- raissant dans le fonctionnement à haute fréquence de ré- pétition En combinaison, ils assurent une catalyse ef- fective des gaz dissociés dans une plus large plage de températures, autorisant une certaine souplesse dans le choix de la fréquence de répétition des impulsions. Bien entendu, la fréquence de répétition est également limit 6 e par le fait que le taux de dissociation des gaz résultant de la décharge ne peut dépasser le taux de re- combinaison dâ à La catalyse. Comme le montrent les Figures l A-l B, le réci- pient à catalyseur 40 est en contact avec l'électrode 16 Cette disposition permet que la chaleur provenant de l'électrode 16 soit transférée au récipient 40 et de là à l'agent catalyseur 30 Cela augmente en fait la température de l'agent catalyseur 30, augmentant ainsi l'efficacité de la catalyse sur la vitesse de recombi- naison La décharge entre les électrodes 14 et 16 déve- loppe de la chaleur dans ces électrodes Si une dé- charge en courant continu est utilisée, il s'avère que la cathode développe plus de chaleur que l'anode Ainsi, pour obtenir un taux de recombinaison maximal, le re- cipient à catalyseur 40 doit 9 tre en contact avec la cathode, commne l'électrode 16 de la Figure 1 A Pour une décharge autre que continue, la position du récipient n'est pas critique dans la mesure o il est couplé thermiquement,par exemple par conduction, avec l'une des électrodes. Il est bien entendu que diverses modifications peuvent 9 tre apportées au mode de réalisation de l'in- vention qui a été décrit sans sortir de son cadre ni de son esprit Par exemple, la position réelle et la forme particulière du récipient 40 peuvent être modifiées pour répondre à une conception particulière de l'enveloppe. Il n'est pas nécessaire que le récipient à catalyseur 40 soit à proximité de la région de décharge et couplé de préférence thermiquement avec l'une des électrodes. REVENDICATIONS 1 Laser, caractérisé en ce qu'il conmorte -un agent de gain ou milieu d'amrplification ( 13),une enveloppe de laser ( 12) étanche entourant ledit agent de gain, un catalyseur ( 30) dans Ladite enveloppe et un dispositif ( 40) pour protéger Ledit catalyseur du champ électrique et des ondes de choc présentes dans ladite enveloppe de laser et oenprenant un récipient conducteur ( 26, 28) dont au moins une partie de la surface est perméable audit agent de gain et imper- méable audit catalyseur. 2 Laser, caractérisé en ce qu'il comporte un agent de gain ( 13) comprenant au moins un composé prédé- terminé sujet à dissociation en au moins deux constituants, une région de décharge ( 14, 16) pour stimuler ledit agent de gain, un catalyseur ( 30) destiné à faciliter la recombi- naison desdits deux constituants et un récipient conduc- teur ( 26, 28) pour ledit catalyseur dont une partie de:la surface est perméable audit agent de gain et imperméable audit catalyseur, ledit récipient étant positionné contre ladite région de décharge. 3 Laser, caractérisé en ce qu'il comporte un agent de gain ( 13) sujet à dissociation, un dispositif ( 14, 16) pour produire une décharge dans ledit agent de gain et un dispositif ( 40) paur recombiner les constituants dissociés dudit agent de gain comprenant une poudre de ca- talyseur( 30)d'une grosseur de particules prédéterminée et un récipient ( 26, 28) comportant des ouvertures d'une dimension inférieure à ladite grosseur des particules et supérieure à la dimension desdits constituants dissociés, pour contenir ladite poudre dans une région voisine de la- dite décharge. 4 Laser selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif ( 60) pour commander la température dudit agent de gain afin de main- tenir une température optimale dans la région du cataly- seur. Laser selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif ( 60) pour commander à volonté la fréquence de ladite décharge. 6 Laser, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe de laser ( 12) étanche, un agent de gain ( 13), deux électrodes (t 4, 16) pour produire une décharge dans ledit agent de gain, un catalyseur ( 30) et un récipient conducteur ( 26, 28) pour contenir ledit catalyseur, dont au moins une partie de la surface est perméable audit agent de gain et imperméable audit catalyseur, ledit ré- cipient étant disposé entre l'une desdites électrodes et ladite enveloppe, avec la partie perméable à l'agent de gain en contact avec ledit agent de gain. 7 Laser selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif ( 60) pour com- mander la fréquence de répétition de ladite décharge. 8 Laser selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit récipient ( 26, 28)est couplé thermiquemrent avec l'une desdites électrodes ( 14, 16). 9 Laser selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit récipient est en contact thermique avec l'une desdites électrodes ( 14, 16). Laser selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdites deux électrodes ( 14, 11) forment une ca- thode et une anode, ledit récipient ( 26, 28) étant en con- tact avec ladite cathode.