Brevet FR2531282A2 — publié le 19840203

FR 2531282 A2 19840203 FR 8213322 A 19820730 Oscillateur laser à flux gazeux La présente invention concerne un oscillateur laser à flux gazeux ayant fait l'objet d'un brevet principal déposé sous le numéro 73 32156, le 6 septembre 1973. Selon la revendication 1 du brevet principal, l'oscillateur laser comporte une enceinte allongée suivant un axe, un premier réflecteur disposé à une extrémité de l'enceinte, un deuxième réflecteur disposé à l'intérieur de l'enceinte en regard du premier réflecteur, les bords de ce deuxième réflecteur étant fixés de manière étanche sur les parois de l'enceinte de façon à former dans celle-ci une première chambre entre les premier et deuxième rélflecteurs et une deuxième chambre entre le deuxième réflecteur et l'autre extrémité de l'enceinte, le deuxième réflecteur comportant une ouverture mettant en communication les première et deuxième chambres, des moyens pour introduire un gaz actif laser dans la deuxième chambre, le gaz traversant l'ouverture du deuxième réflecteur, la section de cette ouverture et la pression de gaz étant choisies pour former un écoulement tourbillonnaire dans la première chambres des moyens pour faire sortir le gaz de la première chambre et deux électrodes disposées dans la première chambre et connectées à une source de courant électrique pour établir une décharge électrique dans le gaz actifs de façon à créer un rayonnement lumineux se réfléchissant sur les premier et deuxième réflecteurs. Dans cet oscillateur, la cavité optique résonnante est formée par les premier et deuxième réflecteurs Le faisceau laser de sortie passe dans l'ouverture du deuxième réflecteur et sort de l'enceinte en traversant une fenêtre transparente ménagée dans la paroi de la deuxième chambre Mais le rayonnement lumineux oscillant dans la cavité n'intéresse pas une portion importante de la zone cylindrique axiale de la première chambre dont la section correspond à l'ouverture du deuxième réflecteur: il en résulte une perte de puissance de sortie appréciable. Pour remédier à cet inconvénient, on a proposé d'utiliser une cavité dite "multipassage" comportant une pluralité de réflecteurs (par exemple 14) répartis en deux groupes Un rayonnement oseillant s'établit entre ces réflecteurs suivant un faisceau en ligne brisée traversant la quasi totalité du volume interne de la première chambre. Mais cette disposition entraîne des pertes lumineuses importantes par réflexion sur les nombreux miroirs de la cavité: l'augmentation de puissance de sortie est done beaucoup moins importante que celle attendue. La présente invention a pour but d'apporter un perfectionnement à l'osoillateur laser selon le brevet principal, de façon à augmenter la puissance de sortie de façon très appréciable. Elle a pour objet un oscillateur laser à flux gazeux selon la revendication 1 du brevet principal, comportant une enceinte allongée suivant un axe, un premier réflecteur disposé à une extrémité de l'enceinte, un deuxième réflecteur dispose à l intérieur de l'enceinte en regard du premier réflecteur, les bords de ce deuxième réflecteur étant fixés de manière étanche sur les parois de llenceinte de façon à former dans celle-ci une première chambre entre les premier et deuxième réflecteurs et une deuxième ehambrs entre le deuxième réflecteur et l'autre extrémité de l'eneeinte, le deuxième réflecteur comportant une ouverture mettant en communicat on les première et deuxième chambres, des moyens pour introduire un gaz actif laser dans la deuxième chambre, le gaz traversant l'ouverture du deuxième réflecteur, la section de cette ouverture et la pression de gaz étant choisies pour former un écoulement tourbillonnaire dans la première chambres des moyens pour faire sortir le gaz de la première chambre et deux électrodes disposées dans la première chambre et connectées à une source de courant électrique pour établir une décharge électrique dans le gaz actif, de façon à créer un rayonnement lumineux se réfléchissant sur les premier et deuxième réflecteurs, le premier réflecteur comporte, du centre à la périphérie, successi- vement une première et une deuxième surfaces réfléchissantes sensiblement coniques, celles-ci étant coaxiales suivant ledit axe et inclinées par rapport au plan normal à l'axe, en sens inverse l'une de l'autre, le deuxième réflecteur étant plan et centré sur l'axe, ladite -3- ouverture étant axiale, de manière qu'un premier faisceau annulaire du rayonnement lumineux, provenant du deuxième réflecteur, soit réfléchi successivement sur la deuxième et la première surfaces coniques afin de former autour de l'axe un deuxième faisceau cylindrique occupant sensiblement tout le volume-axial laissé libre par le premier faisceau annulaire, le deuxième faisceau pénétrant dans la deuxième chambre à travers l'ouverture du deuxième réflecteur et qu'il comporte un troisième réflecteur convexe centré sur l'axe et disposé dans la deuxième chambre de façon à réfléchir le deuxième faisceau cylindrique suivant un troisième faisceau divergent coaxial et un quatrième réflecteur plan disposé sur l'axe entre les deuxième et troisième réflecteurs, ce réflecteur étant muni d'une percée centrale et étant incliné par rapport au plan normal à l'axe de façon d'une part que le deuxième faisceau et une partie axiale du troisième faisceau traverse la percée et d'autre part que la partie périphérique restante du troisième faisceau soit réfléchie par le quatrième réflec- teur suivant un quatrième faisceau les premier, deuxième, troisième et quatrième réflecteurs, constituant une cavité résonnante instable capable d'amplifier le rayonnement lumineux de façon à créer l'effet laser, le quatrième faisceau consti- tuant le rayonnement laser, ladite enceinte comportant des moyens pour laisser sortir le rayonnement laser. Des formes particulières d'exécution de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel la figure unique représente un mode de réali- sation de l'oscillateur laser selon l'invention. Sur cette figure est visible une enceinte 1 de forme générale cylindrique suivant un axe 2 Au voisinage d'une -extrémité de l'enceinte est disposé un miroir 3, de type appelé AXICON Ce miroir comporte dans sa partie centrale une surface réfléchissante 4 sensiblement conique de sommet 5 et dans sa partie périphérique une surface réfléchissante sensiblement tronconique 6 Ces surfaces 5 et 6 sont de révolution autour de l'axe 2, se raccordent entre elles suivant un cercle 7 et sont inclinées, par rapport au plan normal à -4- l'axe 2, en sens inverse l'une de l'autre, de façon à présenter un profil en W ainsi qu'il est visible sur la figure. A l'intérieur de l'enceinte 1 est disposé un miroir plan 8 centré sur l'axe 2 et en regard du miroir 3 Les bords du miroir 8 sont fixés à l'aide d'un joint torique 9 sur la paroi interne de l'enceinte 1, de manière à former dans l'enceinte, entre les miroirs 3 et 8, une chambre 10, le reste du volume de l'enceinte constituant une chambre 11 Le miroir 8 a la forme d'un anneau et une tuyère 12 est fixée suivant l'axe 2 sur la surface cylindrique interne de l'anneau. Le diamètre du col de la tuyère 12 est sensiblement égal au diamètre du cercle 7. A l'intérieur de la chambre 10 sont disposées deux électrodes annulaires 13 et 14, au voisinage respectivement des miroirs 3 et 8. Les deux bornes d'une source électrique 15 à haute tension continue sont reliées respectivement aux électrodes 13 et 14. A l'intérieur de la chambre 11 est disposé un miroir convexe 16 centré sur l'axe 2 La surface réfléchissante du miroir 16 est tournée vers le miroir 3 Un miroir 17 comportant une percée centrale 18 est disposé entre les miroirs 8 et 16, incliné sur l'axe 2 A l'intérieur de la chambre 11 est disposé un miroir concave 19 centré sur un axe transversal 20 passant à travers la percée 18 La paroi de l'enceinte entourant la chambre 11 comporte un orifice 21 disposé sur l'axe 20. La chambre 11 comporte une ouverture 22 reliée à la sortie d'un compresseur 23 par une gaine 24 La chambre 10 comporte des ouvertures 25 situées entre les bords du miroir 3 et la paroi de l'enceinte 1 Les ouvertures 25 sont reliées à l'entrée du compresseur 23 par des gaines 26 le compresseur 23 est relié à un réservoir de gaz 27. L'oscillateur laser décrit ci-dessus et représenté sur la figure fonctionne de la manière suivante, On met en marche le compresseur 23 pour introduire dans la chambre 11 un mélange de gaz carbonique, d'azote et d'hélium provenant du réservoir 27 Ce gaz pénètre dans la chambre 10 à travers la tuyère 12. De préférence, l'admission du mélange gazeux est réglée de façon - que la pression dans la chambre 11 s'établisse un peu au dessus de la pression atmosphérique ambiante Par exemple, la pression ambiante étant de 1013 millibars 9 la pression dans la chambre 11 est de 1028 millibars La tuyère 12 provoque une dépression gazeuse dans la chambre 10 soumise à l'aspiration du compresseur 23 à travers les ouvertures 25 La pression dans la chambre 10 peut s'établir à 130 mil- libars environ. La section des ouvertures de sortie de la chambre 109 la section du col de la tuyère 129 la pression du mélange gazeux dans la chambre 11, le diamètre de la chambre 10 et la distance entre les réflecteurs 3 et 8 sont choisis de manière que le flux gazeux, qui s'établit dans le sens de la flèche 28 dans la zone axiale de la chambre 10 à la sortie de la tuyère 12, soit déplacé vers les parois latérales de la chambre 10 lorsqu'il arrive devant le réflecteur 3, et s'écoule ensuite dans le sens de la flèche 29 au voisinage des parois de la chambre 109 de façon à créer un écoulement tourbillonnaire 30. On met en marche la source 15, ce qui provoque dans la chambre 10 entre les électrodes 13 et 149 une décharge électrique particulièrement stable et homogène dans le gaz -actif soumis à I écou- lement tourbillonnaire 30. Les réflecteurs 8, 3, 16 et 17 constituent une cavité optique résonnante instable dans laquelle s'établit un rayonnement lumineux oscillatoire, Ce rayonnement comprend un faisceau cylindrique annulaire 31 renvoyé sur luimême par le miroir 8 et réfléchi successivement sur les surfaces 6 et 4 du miroir 3 pour former un faisceau cylindrique axial 32 parallèle au faisceau 31 et en sens inverse. Les génératrices des surfaces de révolution sensiblement coniques 4 et 6 du miroir 3 ne sont pas en pratique des segments de droite, mais sont constituées par des courbes quasi rectilignes dont le profil est déterminé de façon que le faisceau 32 soit rigoureusement parallèle au faisceau 31 La réalisation pratique de ces profils non linéaires exige en pratique un usinage du réflecteur 3 à l'aide d'un outil en diamant. Comme le diamètre du col de la tuyère 12 est sensiblement égal au 6 diamètre du cercle 7 constituant la jonction entre les surfaces 4 et 6 du miroir 3, le faisceau 32 passe juste à travers le col de la tuyère 12 pour être réfléchi par le miroir 16 De plus, ce faisceau 32 occupe sensiblement tout le volume axial de la chambre 10 laissé libre par le faisceau annulaire 31. La percée 18 du miroir 17 est réalisée de fagon à laisser juste passer le faisceau 32 Le miroir eonvexe 16 réfléchit le faisceau 32 suivant un faisceau légèrement divergent 33 La face du miroir 17 tournée vers le miroir 16 réflécehit donc une partie périphérique du faisceau 33, cette partie 36 constituant le faisceau laser de sortie. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure, le faisceau 36 est renvoyé en sens inverse par le miroir concave 19 pour former un faisceau 34 qui traverse l'ouverture 18 du miroir 17 et converge en un point 35 situé dans l'orifice 21 de la paroi de l'enceinte 1 Cet orifice dont le diamètre peut stre de l'ordre de 3 millimètres permet à l'énergie laser de sortir de l'enceinte. Comrie les faisceaux 31 et 32 oecupent, sans se recouper, sensi- blement tout le volume utile de la ehambre à décharge 10, l'énergie laser de sortie est sensiblement augientée par rapport à celle délivrée par l'oscillatsur selon le brevet principal D'autre part, la cavité instable du laser selon l'invention fonctionne à l'aide d'un nombre relativement faible de miroirs, ee qui permet de diminuer de façon importante les pertes d'énergie résultant de l'utilisation de cavités multipassage La stabilité angulaire du faisceau délivré par l'oscillateur selon l'invention est plus facile à réaliser que dans les lasers utilisant ces cavités multipassage La cavité instable permet d'obtenir un faisceau de sortie monomode ce qui présente des avantages dans certaines applications Enfin la sortie du faisceau laser par un orifice de l'enceinte permet de supprimer les pertes par réflexion et absorption dans la fenêtre transparente généralement utilisée dans l'art antérieur Ce résultat est obtenu au prix d'une perte de gaz qui peut être très faible si la pression gazeuse dans l'enceinte au voisinage de cet orifice est à peine supérieure à la pression atmosphérique ambiante. L'oscillateur laser selon la présente invention peut être - 7 - utilisé, pour réaliser des laser industriels, par exemple des lasers d'usinage - -8 - REVENDICATIONS 1/ Oscillateur laser à flux gazeux selon la revendication 1 du brevet principal, comportant une enceinte allongée ( 1) suivant un axe ( 2), un premier réflecteur ( 3) disposé à une extrémité de l'enceinte, un deuxième réflecteur ( 8) disposé à l'intérieur de l'enceinte en regard du premier réflecteur, les bords de ce deuxième réflecteur étant fixés de manière étanche sur les parois de l'enceinte de façon à former dans celle- ci une première chambre ( 10) entre les p-rlmier et deuxième réflecteurs et une deuxième chambre ( 11) entre le deuxième réflecteur et l'autre extrémité de l'enceinte, le deuxième réflecteur comportant une ouverture mettant en communication les première et deuxième chambres, des moyens ( 27, 23, 24) pour introduire un gaz actif laser dans la deuxième chambre ( 11), le gaz traversant l'ouverture du deuxième réflecteur ( 8), la section de cette ouverture et la pression de gaz étant choisies pour former un écoulement tourbillonnaire ( 30) dans la première chambre, des moyens ( 23, 26, 25) pour faire sortir le gaz de la première chambre ( 10) et deux électrodes ( 13, 14) disposées dans la première chambre et connectées à une source de courant électrique ( 15) pour établir une décharge électrique dans le gaz actif, de façon à créer un rayonnement lumineux se réfléchissant sur les premier et deuxième réflecteurs, caractérisé en ce que le premier réflecteur ( 3) comporte, du centre à la périphérie, successivement une première ( 4) et une deuxième ( 6) surfaces réfléchissantes sensiblement coniques, celles-ci étant coaxiales suivant ledit axe ( 2) et inclinées par rapport au plan normal à l'axe, en sens inverse l'une de l'autre, le deuxième réflecteur ( 8) étant plan et centré sur l'axe, ladite ouverture étant axiale, de manière qu'un premier faisceau annulaire ( 31) du rayonnement lumineux, provenant du deuxième réflecteur ( 8), soit réfléchi successivement sur la deuxième ( 6) et la première ( 4) surfaces coniques afin de former autour de l'axe - 9- un deuxième faisceau cylindrique ( 32) occupant sensiblement tout le volume axial laissé libre par le premier faisceau annulaire ( 31), le deuxième faisceau pénétrant dans la deuxième chambre ( 11) à travers l'ouverture du deuxième réflecteur ( 8) et qu'il comporte un troisième réflecteur convexe ( 16) centré sur l'axe ( 2) et disposé dans la deuxième chambre ( 11) de façon à réfléchir le deuxième faisceau cylindrique ( 32) suivant un troisième faisceau ( 33) divergent coaxial et un quatrième réflecteur plan ( 17) disposé sur l'axe ( 2) entre les deuxième ( 8) et troisième ( 16) réflecteurs, ce réflecteur ( 17) étant muni d'une percée centrale ( 18) et étant incliné par rapport au plan normal à l'axe de façon d'une part que le deuxième faisceau ( 32) et une partie axiale du troisième faisceau ( 33) traverse la percée ( 18) et d'autre part que la partie périphérique restante du troisième faisceau ( 33) soit réfléchie par le quatrième réflecteur suivant un quatrième faisceau ( 36) les premiers deuxième, troisième et quatrième réflecteurs ( 3, 8, 16, 17) constituant une cavité résonnante instable capable d'amplifier le rayonnement lumineux de façon à créer l'effet laser, le quatrième faisceau ( 36) constituant le rayonnement laser, ladite enceinte ( 1) comportant des moyens ( 21) pour laisser sortir le rayonnement laser O 2/ Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un cinquième réflecteur ( 19) concave disposé pour concentrer en un point ( 35) l'énergie du rayonnement laser ( 36) suivant un cinquième faisceau ( 34). 3/ Oscillateur selon la revendication 29 caractérisé en ce que lesdits moyens pour laisser sortir le rayonnement laser comportent un orifice ( 21) ménagé dans la paroi de l'enceinte entourant la deuxième chambre, le point de concentration ( 35) de l'énergie du rayonnement laser étant disposé dans cet orifice, lesdits moyens pour introduire le gaz actif dans la deuxième chambre ( 11) étant capables de maintenir dans cette chambre une pression de gaz actif légèrement supérieure à la pression gazeuse à l'extérieur de l'enceinte, au voisinage de l'orifice ( 21). 4/ Oscillateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le cinquième réflecteur ( 19) est disposé de façon que le cinquième faisceau ( 34) traverse la percée ( 18) du quatrième réflecteur ( 17), celui-ci étant situé entre le cinquième réflecteur ( 19) et le point de concentration ( 35). / Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une tuyère ( 12) traversanb le deuxième réflecteur ( 8) pour créer une dépression gazeuse dans la première chambre ( 11), ladite ouverture axiale étant constituée par le col de la tuyère. 6/ Oscillateur selon la revendication 15 caractérisé en ce que lesdits moyens pour introduire le gaz actif dans la deuxième chambre et pour faire sortir le gaz de la première chambre comportent un compresseur ( 23) dont l'entrée est reliée à la première chambre ( 10) et la sortie à la deuxième chambre ( 11). 7/ Oscillateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le gaz actif laser est un mélange d'azote, de gaz carbonique et d'hélium.