Brevet FR2524727A1 — publié le 19831007

Le premier laser jamais construit et présenté, le laser à hélium-néon, utilisait un tube en verre relati- vement long pour contenir le mélange de gaz sous une pression inférieure à la pression atmosphérique qui constituait le milieu actif, et pour confiner la décharge électrique qui excitait le"mélange de gaz Ce type de système a été utilisé aussi dans le développement initial du laser à anhydride carbonique (CO 2) Dans le premier laser à CO 2, construit par C K N Patel en 1964, la décharge électrique avait lieu dans un tube en verre séparé sur le côté du tube principal Cette décharge excitait l'azote qui était ensuite mélangé avec CO 2 dans le tube principal On s'est rendu compte rapidement que la configuration plus simple utilisant une décharge électrique à travers un mélange homogène des gaz dans le tube prin- cipal en verre donnait les meilleurs résultats Les avantages de la technique du tube en verre comprennent 1 La simplicité inhérente et l'économie qui résulte du maintien d'un arrangement coaxial des axes optique, du courant de gaz et du courant électrique Le gaz et la décharge électrique sont ainsi confinés au même volume, ce qui est toujours avantageux pour l'efficacité maximale. 2 La facile disponibilité de tubes de verre dans un large éventail de dimensions, et la fabrication facile de structures en une seule pièce comprenant des enveloppes coaxiales de refroidissement par liquide et divers orifices de connexion. 3 La géométrie du système qui fournit des conditions favorables pour la production d'un faisceau de sortie ayant une symétrie circulaire Avec cette technique, tout flux de fluide, de chaleur et de courant électrique est essentiel- lement symétrique par rapport à l'axe optique. D'autres concepts techniques disposent les axes optique, du courant de gaz et de l'excitation de manière qu'ils ne soient pas tous coaxiaux Typiquement, un axe ou deux ou tous sont perpendiculaires entre eux et des -2- tubes en verre ne sont pas nécessairement une partie importante de la structure Ces systèmes permettent un plus rapide transfert de chaleur par convection hors de la région active et pour cette raison peuvent donner des puissances de sortie plus élevées avec de plus courtes longueurs actives, mais ils, sont plus coûteux à fabriquer et présentent typiquement des modes de sortie qui ne sont pas circulairement symétriques et sont de qualité médiocre Pour ces raisons, le système classique à tubes de verre coaxiaux reste important, spécialement pour des lasers à C 02 avec des puissances de sortie continues de moins de 1000 watts. Même avec toutes les conditions favorables de symétrie et en dépit des efforts des ingénieurs dans le domaine des lasers, le but consistant à obtenir un mode fondamen- tal ou une distribution gaussienne (TE Moo) de puissance du faisceau de sortie de lasers à C 02 à des niveaux de puissance de plus de 200 watts n'a pas pu être atteint. Le système prévu est généralement le suivant: 1 On choisit une longueur active qui donnera la puissance de sortie désirée Un chiffre de 75 watts par mètre reste un bon chiffre à utiliser dans le calcul de la longueur active nécessaire. 2 On choisit les rayons de courbure pour les miroirs terminaux de manière que la cavité optique soit stable, c'est-à-dire que les rayons lumineux avançant parallèlement à l'axe de la cavité et près de cet axe restent dans la cavité après un nombre arbitrairement grand de réflexions sur les miroirs des extrémités De plus, on choisit les courbures des miroirs de manière que les dimensions des modes aux miroirs soient aussi uniformes que possibles. 3 Connaissant la longueur de la cavité (longueur active plus tout espace supplémentaire nécessaire entre les miroirs) et les rayons des miroirs, on consulte les informations fournies par un ordinateur et on choisit -3l'ouverture limite pour la cavité qui permet au mode TE Moo d'osciller avec aussi peu de perte que possible, mais entraÂne cependant une perte suffisante pour empêcher l'oscillation des modes TEM 01 et d'ordre supérieur Une telle source est H Vogelnik et Ti Li, Proc IEEE, Vol 54, pages-1312-1329, octobre 1966 Au mieux, cette façon de choisir les diamètres n'est pas une science exacte et le choix optimal s'effectue d'après la perspective de l'expérience. Pour des lasers d'une puissance de sortie de moins de 20 watls cette méthode marche très bien Pour des lasers de moins de watts, elle marche moins bien et, pour des lasers de plus de 100 watts, elle ne marche pas du tout Les lasers réalisés de la manière précédente fournissent toute la puissance attendue, mais pas avec un mode TE Moo Si on utilise un plus petit diamètre de cavité, le laser émet toujours au même mode médiocre Plusieurs telles itérations donneront finalement un laser d'un bien plus petit dia- mètre de cavité qui aura bien moins de puissance que prévu, avec un mode encore loin d'être parfait La perte optique théorique pour ce laser montrera qu'il n'y aura pas d'émission sur mode TE Ploo fondamental, sans parler de l'un quelconque des autres modes supérieurs qui apparaissent nécessairement dans l'émission. On a conclu que le tube à plasma doit confiner le faisceau et le guider avec très peu de perte, par exemple agir comme un guide d'ondes pour conduire le faisceau alternativement entre les miroirs Il est bien connu que la lumière peut se propager dans des structures de guides d'ondes formées de métaux ou de matières diélectriques. Ce qui n'a pas été évident est que les pertes pour les modes des guides d'ondes sont assez faibles pour permettre l'oscillation des lasers dans des lasers à C 02 à 10,6 micromètres dans des tubes en verre (Pyrex). On s'est rendu compte que la surface intérieure des -4- tubes à plasma pouvait être réfléchissante pour les faisceaux de lasers à CO 2 et que cela pouvait avoir un effet nuisible sur la qualité des modes Voir " 10 6 Micron Laser Frequency Control Techniques", par Sasnett et autres, Sylvania Electronics Systems Western Division, Technical Report AFAL-TR68-210, septembre 1968 On a trouvé qu'en prévoyant des changements périodiques dans le diamètre des tubes, toutes réflexions sont détruites et diffusées Cela était particulièrement important dans des lasers qui uti- lisaient dans la cavité des éléments dispersants sélectifs pour la longueur d'onde comme un réseau ou un prisme Ces éléments étaient prévus pour dévier les longueurs d'onde indésirables vers l'extérieur de la cavité de manière que l'oscillation se produise seulement sur la longueur d'onde désirée, et il était important que la paroi du tube ne réfléchisse pas l'énergie indésirable d'une façon lui permettant d'osciller Ces techniques de choix des longueurs d'onde sont importantes seulement dans des lasers de moins d'environ 100 watts. Quand on a construit un laser à CO 2 de grande puis- sance, en utilisant les techniques indiquées ci-dessus pour calculer le diamètre du tube, et que des anneaux ont été insérés dans la cavité du tube pour détruire et diffuser toute lumière qui autrement aurait été réfléchie par les parois du tube, les résultats ont été décevants. La présente invention a donc pour but de fournir un laser à gaz à haute puissance avec fonctionnement au mode fondamental amélioré. Un autre but de l'invention est de fournir un laser à anhydride carbonique amélioré, qui est puissant et fournit en même temps des émissions satisfaisantes sur le mode TE Moo. Selon la présente invention, un-laser à gaz, tel qu'un laser à anhydride carbonique, est pourvu d'un tube à cavité confinant la décharge ayant des saillies annulaires ou des -5- anneaux faisant saillie vers l'intérieur, espacés les uns des autres, pour disperser la lumière réfléchie indésirable à l'intérieur du tube à cavité Le tube à cavité et ses saillies annulaires associées ont un diamètre choisi de manière à correspondre aux dimensions du mode fondamental le long du tube à cavité Cela peut s'effectuer, par exemple, en réalisant le tube à cavité avec des sections de diamètre différent de façon à correspondre aux dimensions du mode dans cette section. En variante, les diamètres intérieurs des saillies annulaires peuvent être choisis individuellement de manière à correspondre au diamètre du mode TE Moo Pour être conformes au diamètre du mode dans un laser à CO 2 avec un résonateur optique normal, les diamètres intérieurs des saillies annulaires définissent un diamètre de cavité correspondant à une configuration générale tronconique. La figure 1 est un diagramme schématique d'un laser à anhydride carbonique replié. La figure 2 est une représentation schématique d'un laser à CO 2 replié ayant des tubes à cavité confinant la décharge ayant des diamètres différents selon la présente invention. La figure 3 est une vue en coupe transversale des tubes à cavité de la figure 2, dans la direction indiquée par les flèches. La figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un des tubes à cavité confinant la décharge individuels du laser des figures 2 et 3. La figure 5 est une vue de détail en coupe d'une partie d'un tube à cavité confinant la décharge montrant une saillie annulaire s'étendant vers l'intérieur selon la présente invention. La figure 6 est une vue de détail en coupe d'un tube à cavité illustrant une autre forme de saillie annulaire selon la présente invention. La figure 7 est une vue en coupe d'un laser à gaz selon -6- la présente invention dans lequel les saillies annulaires définissent une configuration tubulaire. La figure 1 est une illustration schématique d'un laser à anhydride carbonique (CO 2) replié 10 Bien qu'un laser replié puisse avoir un nombre quelconque de sections suivant la puissance d'émission désirée, le laser replié représenté comporte quatre sections 12, 14, 16 et 18. Les sections 12 et 14 sont reliées ensemble par un ensemble de miroirs en coin 20 De même, un ensemble de miroirs en coin 22 relie les sections 14 et 16 et un ensemble de miroirs en coin 24 relie les sections 16 et 18 Chacun des ensembles de miroirs 20, 22 et 24 forme un joint étanche à l'air avec les sections respectives reliées ensemble De plus, deux miroirs 26 et 28 (figure 2) sont prévus dans chacun des ensembles de miroirs pour fournir un moyen d'infléchir" ou de réfléchir le faisceau laser réfléchi intérieurement à travers les sections respectives. Les extrémités des sections du tube replié sont coiffées par un ensemble résonateur optique comprenant un ensemble à miroir 30 d'un haut pouvoir réfléchissant à l'extrémité de la section 18 et un ensemble d'accouplement de sortie à miroir 32 à l'extrémité de la section 12 Le miroir 32 de l'ensemble d'accouplement de sortie permet le passage d'un faisceau laser 34. Des tubes à plasma alignés coaxialement à l'intérieur des tubes 12, 14, 16 et 18 contiennent le milieu devant produire l'émis- sion la 3 r Dans le cas d'un laser à CO 2, le milieu quiproduit l'émission comprend un mélange de gaz, à savoir de l'anhydride carbo- nique, de l'azote et de l'hélium Le milieu gazeux est excité aux niveaux d'énergie élevés nécessaires pourqu'il produise l'émission laser au moyen d'une série de cathodes 36 à une extré- mité de chacune des sections de tube, une seconde série de cathodes 38 à l'autre extrémité et une série d'anodes 40 près du milieu de chaque section Une tension appropriée est -7- appliquée entre l'anode et les cathodes par une source de courant, non représentée. Selon la présente invention, un laser à CO 2 à mode TE Moo à grande puissance comprend un tube à cavité ou à plasma qui, dans un mode de réalisation, comprend une Dluralité de sections de tube Ces sections de tube sont réalisées de manière à comprendre des réductions pério- diques de diamètre pour détruire et diffuser la lumière qui autrement serait réfléchie à de grands angles d'inci- dence et confinée dans les tubes Les diamètres des sections individuelles formant le tube à plasma sont alors choisis de manière à correspondre à la dimension du mode fondamental dans cette section Cela est illustré plus en détail sur les figures 2-4. Les figures 2 et 3 représentent schématiquement les quatre sections repliées du tube à plasma ou à cavité qui forment le laser replié 10 de la figure 1 Chacune des sections 12, 14, 16 et 18 constituant le laser 10 comprend des tubes à plasma ou à cavité 42, 44, 46 et 48 alignés coaxialement Chaque tube comporte des saillies annulaires espacées 50 comme représenté sur la figure 4 Ces saillies annulaires détruisent et diffusent la lumière qui autrement aurait été réfléchie à de grands angles d'incidence et confinée à l'intérieur du tube à plasma. L'espace entre la surface extérieure de ces tubes à cavité et les parois extérieures de chacune des sections 12, 14, 16 et 18 définit une capacité pour le passage d'un fluide de refroidissement afin d'évacuer la chaleur pro- duite dans les tubes à plasma Les diamètres des sections 14 et 16 et des tubes à plasma 44 et 46 correspondants sont choisis de manière à être sensiblement plus petits que les diamètres des sections 12 et 18 et des tubes à plasma 42 et 48 correspondants Il en est ainsi parce que le diamètre du faisceau de lumière au mode TE Moo réfléchi à l'intérieur du laser replié 10 est plus petit à l'intérieur -8- du laser 10 qu'aux extrémités près des miroirs du résonateur optique. La raison pour laquelle on utilise des tubes à cavité de plus petit diamètre confinant la décharge à l'intérieur du laser 10 est expliquée comme suit Pour des lasers de grande puissance, la longueur du tube à plasma est typi- quement de nlusieuis mètres étle mode TE Moo n'est pas assez grand dans le centre de la cavité pour remplir la région remplie par la décharge de plasma Par exemple, dans une réalisation réelle, le diamètre du mode est d'environ 8,4 millimètres dans le centre du laser et 15,6 millimètres aux extrémités de la section du tube à plasma. Un diamètre de cavité de 30 millimètres, comme dicté par le diamètre du mode aux extrémités du tube, sur la longueur complète de ce laser signifierait qu'au centre du laser la partie principale du faisceau occuperait moins de 10 % du volume excité Il en résulterait une puissance de sortie et un rendement inférieurs à ceux attendus Avec l'effet de guidage d'ondes présent dans les lasers existants, cela ne constitue pas un problème, car les réflexions multiples et les modes d'ordre plus élevé assurent le remplissage de la région active entière tout le long du tube à plasma. Dans le mode de réalisation des figures 2-4, la dif férence entre le diamètre extérieur 52 des tubes à cavité confinant le plasma, 42, 44, 46 et 48, et le diamètre intérieur 54 de chacune des saillies est la même En d'autres termes, la mesure dans laquelle chacune des saillies annulaires 50 fait saillie vers l'intérieur est constante dans chacun des tubes à cavité à plasma Ce qui fait que le diamètre du tube à cavité est conforme au diamètre du mode est le diamètre relativement plus petit des tubes à cavité intérieurs 44 et 46 par rapport aux tubes extérieurs 42 et 43 Comme exemple, dans un mode de réalisation réel, le diamètre intérieur des tubes à cavité confinant le plasma 44 et 46 est de 22 millimètres. -9 - L'inclusion des saillies annulaires 50 rend la conception d'un laser à Co 2 à mode TE Moo de grande puissance très différenteet pardonnant beaucoup moins toutes erreurs ou négligences des effets optiques dans le plasma qui autrement seraient sans importance avec des tubes à cavité lisse La première étape dans la conce Vimnconsiste à déterminer la dimension du mode TE Moo aux points de la cavité o il sera très étroitement limité Dans le cas le plus simple, la cavité optique consiste en un miroir concave à chaque extrémité d'un seul tube à plasma La dimension du mode est donc la plus grande aux miroirs résonateurs et est très étroitement limitée par les ouver- tures formées par les extrémités du tube La dimension du tube est le plus petit diamètre que ces ouvertures peuvent avoir sans altérer le mode fondamental et causer une réduction importante dans la puissance de sortie La façon dont on détermine ce diamètre est la suivante 1 On calcule l'importance de l'effet de lentille divergente Comme cet effet dépend du carré du diamètre du tube, on doit effectuer pour commencer une estimation raisonnable du diamètre final On doit aussi faire des suppositions concernant le mélange de gaz, la pression des gaz et l'énergie électrique dissipée dans le plasma. 2 On calcule le diamètre du mode du laser (entre les points d'intensité au carré 1/e) aux extrémités du tube, en comprenant l'effet de'la lentille divergente dans le calcul On répète ce calcul pour différents rayons de courbure des miroirs des extrémités pour trouver le rayon des miroirs qui donne la plus petite dimension de mode aux extrémités des tubes. 3 On détermine le diamètre nécessaire pour le tube à plasma On a trouvé que l'on obtient les meilleurs résultats en prenant un tube 1,9 à 2,0 fois plus gros que le diamètre de mode calculé dans l'étape ci-dessus On utilise ce diamètre et on répète les étapes 1 et 2 Après 2 ou 3 itérations, le procédé convergera et donnera un diamètre final pour le tube à plasma. 4 Pour des tubes à sections multiples, on choisira le diamètre de chaque section de manière qu'il corresponde à la dimension du mode dans cette section Ainsi, on répète les étapes 1 à 3 pour chaque section du tube à plasma. Les figures 5 et 6 montrent des détails des saillies annulaires, s'étendant vers l'intérieur, dans un tube à plasma 51 Sur la figure 5, la saillie annulaire est formée en renfonçant les parois en verre du tube à plasma 51 de manière à former une ondulation annulaire Sur la figure 4, on obtient le même effet en prévoyant une bande circulaire ou un anneau 53 à l'intérieur du diamètre intérieur du tube à cavité 51 Cet anneau 53 peut être formé, par exemple, d'une bande de verre, d'une bobine de fil métallique ou d'une bande de tôle. La figure 7 représente un laser à anhydride carbonique 56 à une seule section ayant un miroir d'accouplement de sortie 58 et un miroir hautement réfléchissant 57 Comme on peut le voir, le faisceau laser 34 a une forme géné- rale tronconique tandis qu'il est réfléchi entre les réflecteurs 57 et 58 Selon un autre aspect de la pré- sente invention, les saillies ou ondulations annulaires dans le cas du tube à plasma 61 ont des diamètres intérieurs qui sont choisis de manière à être conformes au diamètre du mode du laser quand il change à l'intérieur du tube Ainsi, la saillie 64 a un plus petit diamètre intérieur que la saillie annulaire 62 A son tour, la saillie annulaire 60 a un diamètre intérieur encore plus grand que la saillie 62 Comme on peut le voir d'après la figure 7, le diamètre intérieur des ondulations définit une configuration en forme générale de tronc de cône, conforme au diamètre du mode fondamental. -11 REVEND ICATIONS 1 Un laser à gaz comprenant: un tube à cavité confinant la décharge contenant un milieu gazeux Produisant l'émission laser deux miroirs de résonateur optique alignés avec le tube à cavité; des moyens pour exciter le milieu gazeux; caractérisé en ce que le tube à cavité confinant la décharge a des saillies annulaires périodiques en son intérieur pour disperser la lumière réfléchie indésirable et en ce que le diamètre intérieur de ces saillies annulaires varie, d'une manière générale, de la même façon que le mode désiré quand le diamètre du mode change le long du tube à cavité. 2 Un laser à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des saillies a un diamètre intérieur qui correspond d'une manière générale au diamètre du mode désiré en ce point du tube à cavité. 3 Un laser à gaz selon la revendication 2, caractérisé en ce que les diamètres intérieurs des saillies annulaires définissent une configuration généralement tronconique. 4 Un laser à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on obtient les variations des diamètres intérieurs des saillies annulaires en prévoyant pour le tube à cavité confinant la décharge une Pluralité de sections ayant au moins deux diamètres différents. 5 Un laser reolié à anhydride carbonique, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de sections de tube à cavité pour confinement de gazrenfermant un mélange de gaz comprenant de l'anhydride carbonique, ces'sections étant parallèles entre elles et comprenant des moyens pour y supprimer les réflexions; une Pluralité d'ensembles de miroirs en coin pour relier entre elles les sections de tube à cavité de façon -12- à former un canal continu de confinement de gaz défi- nissant un chemin optique; un résonateur optique comprenant un miroir d'un haut pouvoir réfléchissant à une extrémité du canal de confi- nement des gaz et un miroir d'accouplement de sortie à l'autre; des moyens pour exciter le mélange de gaz; et des moyens pour améliorer le mode TE Moo en faisant correspondre le diamètre de chaque section de tube à cavité à la dimension du mode dans cette section. 6 Un laser replié à anhydride carbonique selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens pour supprimer les réflexions comprennent des saillies annu- laires dirigées vers l'intérieur. 7 Un laser replié à anhydride carbonique selon la revendication 6, caractérisé en ce que les saillies annu- laires comprennent des renfoncements dans les sections de tube à cavité. 8 Un laser replié à anhydride carbonique selon la revendication 6, caractérisé en ce que les saillies annu- laires comprennent des anneaux insérés dans les sections de tube à cavité. 9 Un laser renlié à anhydride carbonique comprenant une xluralité de sections de tube à cavité pour confinement de gaz,renfermant un mélange de gaz comprenant de l'anhydride carbonique, et comprenant une pluralité de saillies annulaires espacées s'étendant radialement vers l'intérieur; une Pluralité d'ensembles de miroirs en coin pour relier entre elles les sections de tube à cavité de façon à former un canal continu de confinement de gaz définissant un chemin optique; un résonateur optique comprenant un miroir d'un haut pouvoir réfléchissant à une extrémité du canal de confi- nement des gaz et un miroir d'accouplement de sortie à l'autre; -13- des moyens pour exciter le mélange de gaz; et dans lequel les diamètres des sections de tube à cavité correspondent d'une manière générale au mode de cette section. 10 Un laser replié à anhydride carbonique selon la revendication 9, caractérisé en ce que les saillies annulaires comprennent des renfoncements dans ces sections de tube. 11 Un laser à gaz comprenant un tube à cavité confinant la décharge renfermant un milieu gazeux; une paire de miroirs de résonateur optique alignés avec le tube à cavité; des moyens pour exciter le milieu gazeux; et des moyens pour obtenir une émission du laser sur le mode TE Moo en prévoyant une pluralité de saillies annu- laires s'étendant radialement vers l'intérieur du tube à cavité, le diamètre intérieur de ces saillies définissant une configuration générale tronconique de façon à cor- respondre au mode TE Moo à l'intérieur du tube à cavité.