Brevet FR2530087A1 — publié le 19840113

La présente invention concerne un générateur laser guide d'onde à gaz, comprenant une cavité résonante avec un capillaire guide d'onde, remplie du gaz laser, et des moyens d'excitation, ou de pompage, électrique à haute fréquence, pour provoquer une décharge dans le gaz du capillaire ainsi que le procédé de fabrication de son guide d'onde. Les applications d'un tel générateur sont multiples et peuvent être, par exemple, aussi bien médicales que mi- litaires. Les lasers capillaire guide d'onde présentent déjà l'avantage d'un rendement volumétrique bien supérieur à celui des lasers classiques. Quant au procédé d'excitation à haute fréquence, par exemple dans une plage de fréquences comprises entre M Hz et 3 G Hz, de préférence à 100 M Hz, et qui consiste à créer un champ électrique alternatif pour induire une décharge dans le gaz, il présente en soi aussi certains avantages. La tension d'excitation est basse, par exemple 100 V, et les précautions d'isolement ne sont plus nécessaires. La source d'alimentation, ou de pompage, peut être miniaturisée. La durée de vie est considérablement accrue du fait de l'absence d'anode et de cathode pour l'obtention de la décharge et donc de chute de potentiel cathodique o le gaz laser est dissocié. La cavité de résonance sert également de guide d'onde pour l'énergie engendrée. Il faut noter ici que l'excitation transverse, c'est- à-dire la création d'un champ électrique alternatif per- pendiculaire à l'axe longitudinal du capillaire est pré- férée à l'excitation longitudinale. On connaît déjà un générateur laser guide d'onde for- mé de deux barres métalliques, ou blocs, séparées par deux autres barres diélectriques,ou blocs,ou l'inverse,ménageant, entre elles quatre,après assemblage,une chambre,ou guide, de section droite rectangulaire, les deux barres métalli- ques servant d'électrodes. Un film isolant peut avantageusement être plaqué sur la paroi intérieure de chacune des barres métalliques pour en éviter l'oxydation par le gaz laser, le champ d'excitation traversant ce film. On connait encore un générateur laser guide d'onde, à section droite rectangulaire, formé d'un profilé à sec- tion droite en forme de TU fermé par un couvercle, le pro- filé et le couvercle ë t a N t en ai u m i N e, et les électrodes, de minces couches métalliques, étant pla- quées sur les parois du couvercle et du profilé. Si ces deux types de laser guide d'onde offrent les avantages énoncés ci-dessus, ils présentent néanmoins cer- tains inconvénients. Ils sont essentiellement limités à une section droite de guide de forme carrée. Du fait de cette géométrie, il y existe plusieurs m o d e S t r a N S v e r S a u x p o S S i b l e s se traduisant par des aspects différents de la répartition énergétique dans la section droite du faisceau laser, c'est-à-dire par des taches. En outre, la structure même de ces lasers, qu'il s'agisse du premier, réalisé en technologie sandwich, ou du deuxième, en technologie couvercle, conduit à des sys- tèmes dits assemblés, à quatre ou deux blocs, qui présen- tent les inconvénients de l'assemblage. Sur le plan énergétique, ils dissipent beaucoup d'énergie et leurs parois s'échauffent. Sur le plan optique, ils engendrent des déformations et donc aussi des pertes optiques. Sur le plan industriel de la réalisation, ils néces- sitent un ajustage,un soudage ou un collage qui ne peuvent jamais être parfaits. La présente invention vise à pallier tous ces incon- vénients. A cet effet, elle concerne tout d'abord un procédé de 3 2530087 fabrication d'un guide d'onde laser à gaz à capillaire, caractérisé par le fait qu'on prend un barreau monoli- thique en matériau diélectrique, et-on forme un alésage traversant dans le barreau pour ménager un capillaire destiné à recevoir le gaz laser. Gr Iâce au caractère monolithique du guide d'onde, on élimine tous les inconvénients attachés aux tubes à gaz connus réalisés par assemblage; Dans une mise en oeuvre préférée du procédé de l'in- vention, on usine ensuite le barreau pour l'amincir dans sa partie centrale. Dans ce cas, on peut avantageusement l'usiner selon deux plans parallèles effleurant pratiquement le capillaire. On dépose ensuite les électrodes de préférence fili- formes ou en forme de bande sur les parties usinées. Grece à l'amincissement et à la forme des électrodes, la région du capillaire à exciter est efficacement couverte pour donner naissance à un plasma laser uniforme. La présente invention concerne également un générateur laser guide d'onde à gaz, comprenant une cavité résonante avec un guide d'onde à capillaire, remplie du gaz laser, et des moyens de pompage électrique à haute fréquence pour provoquer une décharge laser dans le gaz du capillaire, caractérisé par le fait que le guide d'onde est un guide d'onde fabriqué selon le procédé de l'invention, compre- nant un barreau monolithique en matériau diélectrique dans lequel est formé un capillaire traversant. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'une forme de réalisation préfé- rée du générateur de l'invention et du procédé de fabrica- tion de son guide d'onde, en référence aux dessins annexés, sur lesquels La figure 1 est une vue en coupe axiale du générateur de l'invention. La figure 2 est une vue en coupe du guide d'onde selon la ligne II-Il de la fig 1. La figure 3 est une vue en plan d'un côté du guide d'onde du générateur de la fig l, et La figure 4 est une vue en plan de l'autre côté du guide d'onde du générateur de la fig 1. Le générateur laser guide d'onde à gaz représenté - sur les dessins comporte un barreau monolithique 1, en matériau diélectrique, par exemple en Be O, A 1203, ou tout autre matériau analogue, comportant un conduit capillaire traversant 2, et une enveloppe extérieure 3, fermée à ses * deux extrémités par deux miroirs 4 et 5 et formant une cavité résonante 6, à l'intérieur de laquelle est dispo- sé le barreau 1 et contenant un gaz actif. Le barreau monolithique 1 présente une forme générale externe cylindrique dtaxe 9 1 l comporte deux portions d'extrémité cylindriques 7 et 8 et une portion intermé- diaire 12 amincie délimitée par deux plans parallèles 10 et 11 équidistants de l'axe 9 du barreau et se raccordant aux deux portions d'extrémité 7 et 8 A titre indicatif seulement, il faut noter qutil a été réalisé un barreau de 230 mm de longueur, de diamètre hors-tout de 20 mm, d'épaisseur, dans sa partie médiane, d'environ 3,5 mm, et pourvu de portions d'extrémité 7, 8 de longueur axiale de 3 mm. Le capillaire 2, dans la forme de réalisation repré- sentée, a une section circulaire d'axe 9 Des capillaires de 2 et 2,5 mm de diamètre ont été réalisés Le capillaire 2 s'étend d'une extrémité à l'autre du barreau 1, pour déboucher, à ses deux extrémités, dans la cavité 6. Le barreau 1 est maintenu dans l'enveloppe 3 par deux * bagues annulaires 13 et 14 en appui contre la paroi inter- ne de l'enveloppe 3 et-dans lesquelles sont disposées respectivement les portions d'extrémité 7 et 8 du barreau 1, servant ainsi au maintien et au centrage du barreau. Les bagues 13, 14 sont percées d'orifices 15 pour la circulation du gaz laser de l'extérieur vers l'intérieur du barreau, et inversement. On a représenté sur la fig 1 deux miroirs plans, mais l'invention n'exclut pas Itutilisation d'autres-miroirs, par exemple sphériques L'un des deux miroirs est une lame semi-transparente de sortie du faisceau laser. Le milieu gazeux utilisé, à une pression del'ordre de à 100-Torr, est constitué, dans l'exemple considéré, par un mélange de gaz carbonique, d'azote et d'hélium, qui, par excitation, produit une émission dans l'infrarouge, d'environ 10,6 eim de longueur d'onde. L'invention n'exclut toutefois pas d'autres milieux gazeux, comme par exemple un mélange contenant de l'oxyde de carbone, dont l'excitation produit une émission, tou- jours dans l'infrarouge, d'environ 5 Itm de longueur d'onde. Le générateur laser guide d'onde considéré utilise le pompage électrique et comporte donc une source d'alimen- tation, non représentée, et deux électrodes disposées pour provoquer une décharge électrique dans le capillaire à gaz. Le laser est pompé à haute fréquence, et plus parti- culièrement à radio fréquence (RF), pompage dont les avantages ont été soulignés plus haut. De façon préférée, on procède par excitation trans- verse, par création d'un champ électrique alternatif trans- versal de valeur importante, c'est-à-dire perpendiculaire à l'axe 9 Il faut souligner qu'on pourrait également pro- céder par excitation RF longitudinale, selon l'axe 9, mais que dans ce cas une certaine excitation transverse serait également induite. Les électrodes, reliées respectivement aux deux bornes de la source d'alimentation alternative, sont disposées sur les deux faces planes 10 et 11 de la portion intermé- diaire 12 du barreau 1. La première électrode 16 est filiforme, s'étend sensi- blement sur toute la longueur de la portion 12 et est par exemple portée au potentiel d'excitation à fréquence radio. Quant à l'autre électrode de référence 17, donc portée à la masse, elle s'étend aussi sur pratiquement toute la longueur de la portion 12, mais sur une largeur beaucoup plus importante, lui permettant de jouer un rôle de radia- teur. L'invention telle que décrite jusqu'ici présente des avantages notables, outre ceux des lasers guides d'onde à gaz à excitation à fréquence radio connue. Le tube à gag a une structure monolithique et élimine tous les inconvénients des tubes classiques à structure assemblée. y Le rétrécissement central du barreau dans lequel est formé le capillaire guide d'onde augmente le volume de l'enceinte contenant le gaz laser et dans laquelle il peut circuler Le renouvellement du gaz à l'intérieur du capil- laire est donc plus satisfaisant. Les électrodes, au demeurant très simples, couvrent efficacement la région du capillaire à exciter et permet- tent d'obtenir un plasma laser uniforme. Le guide d'onde possède une section droite circulaire, ce qui est une solution optimale du point de vue optique, pour engendrer une émission laser selon un mode parfait à répartition énergétique gaussienne centrée sur l'axe 9. Cette forme de capillaire peut en fait être obtenue grâce au procédé de fabrication qui va maintenent être décrit. On part d'un barreau cylindrique de même diamètre que les portions de centrage 7, 8 précédemment décrites En effet, il n'est pas possible de former un capillaire dans un barreau de structure trop fine. On forme tout d'abord un alésage axial traversant dans le barreau pour ménager le capillaire 2, soit par perçage avec un foret, ou par filage avec un outil de forme complé- mentaire de celle du capillaire On notera ici que le coût de réalisation d'un tel capillaire est particulièrement bas Bien entendu, le capillaire pourrait ne pas être axial. On usine ensuite le barreau pour l'amincir dans sa partie centrale selon deux plans 10 et 11, jusqu'à prati- quement effleurer le capillaire 2, et réserver deux por- tions cylindriques de maintien et de centrage 7, 8 aux deux extrémités Il a été exécuté une forme de réalisation dans laquelle l'épaisseur de la paroi du barreau 1, dans 7 2530087 i sa portion intermédiaire 12, ne dépassait pratiquement pas 0,6 mm Bien entendu, l'amincissement du barreau pourrait aussi se faire selon d'autres surfaces que des surfaces planes. Il reste ensuite à déposer, de manière connue, les deux électrodes 16 et 17 sur les plans 10 et Il de la région usinée. On remarquera que c'est par simplicité qu'on a consi- déré un barreau cylindrique Mais on aurait pu en prendre un de forme différente. Ce procédé de fabrication, très simple; présente en outre l'avantage de pouvoir indifféremment réaliser des capillaires de section droite circulaire, par perçage ou filage, ou carrée ou rectangulaire, par filage, alors qu'avec un procédé par assemblage, les capillaires-cylin- driques sont pratiquement impossible à obtenir. Avec un capillaire à section rectangulaire, on peut avantageusement mettre en oeuvre la technologie dite repliée> ou multipassage, permettant, à l'aide de miroirs supplé- mentaires non transparents disposés entre le guide d'onde et les miroirs d'extrémité de la cavité résonante, d'ob- tenir dans la largeur plusieurs trajets du faisceau laser à l'intérieur même du guide d'onde Par exemple, deux mi- roirs supplémentaires disposés respectivement près des deux extrémités du guide permettent trois passages. 8 2530087 REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'un guide d'onde laser à gaz à capillaire, caractérisé par le fait qu'on prend un barreau monolithique ( 1), en matériau diélectrique, et on forme un alésage traversant ( 2) dans le barreau ( 1) pour ménager un capillaire destiné à recevoir le gaz laser. 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel on usine ensuite le barreau ( 1) pour l'amincir ( 10, 11) dans sa partie centrale ( 12). 3 Procédé selon la revendication 2, dans lequel on amincit le barreau ( 1) selon deux plans parallèles ( 10, 11). 4 Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel on amincit le barreau ( 1) jusqu'à pratiquement effleurer le capillaire ( 2). 5 Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel on amincit la partie centrale ( 12) du barreau ( 1) et on laisse deux portions d'extrémité de centrage ( 7, 8). 6 Procédé selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel on dépose deux électrodes dans la région usinée ( 12) du barreau ( 1). 7 Générateur laser guide d'onde à gaz à capillaire, comprenant une cavité résonante ( 6) avec un guide d'onde à capillaire, remplie du gaz laser, et des moyens de pom- page électrique à haute fréquence pour provoquer une dé- charge laser dans le gaz du capillaire, caractérisé par le fait que le guide d'onde est un guide d'onde fabriqué selon le procédé de la revendication 1, comprenant un barreau monolithique ( 1) en matériau diélectrique, dans lequel est formé un capillaire traversant ( 2). 8 Générateur selon la revendication 7, dans lequel le barreau ( 1) comporte une portion intermédiaire amincie ( 12) effleurant le capillaire ( 2). 9 Générateur selon la revendication 8, dans lequel le barreau ( 1) comporte deux portions d'extrémité ( 7, 8) pour le centrage et le maintien du barreau ( 1) dans une enveloppe ( 3) délimitant la cavité ( 6) ; 9 2530087 Générateur selon l'une des revendications 8 et 9, dans lequel des électrodes ( 16, 17) s'étendent sur la portion amincie ( 12) du barreau ( 1) pratiquement sur toute sa longueur. 11 Générateur selon la revendication 10, dans lequel l'une ( 16) des électrodes est filiforme et l'autre ( 17) a la forme d'une bande. 12 Générateur selon l'une des revendications 7 à 11, dans lequel le gaz laser contient du gaz carbonique. 13 Générateur selon 1 'une des revendications 7 à 12, dans lequel les dits moyens de pompage excitent le gaz laser à fréquence radio. 14 Générateur selon l'une des revendications 7 à 13, dans lequel le capillaire ( 2) a une section droite circu- laire.