Brevet FR2529398A1 — publié le 19831230

La présente invention concerne les lasers à gaz. et a notamment pour objet un tube à décharge dans le gaz pour lasers impulsionnels à gaz. La présente invention peut être appliquée avec succès notamment aux lasers à gaz, en particulier aux lasers à vapeur de métaux utilisés pour traiter les matériaux, par exemple les métaux, pour le repérage optique, dans les systèmes de communications, pour sonder l'atmosphère, en holographie et en médecine. On connaît un tube de laser à décharge dans le gaz pour lasers à gaz impulsionnels fonctionnant selon le principe d'unréchauffement dudit tube par dissipation de énergie introduite dans la décharge provoquée par une tension impulsionnelle appliquée aux électrodes se situant à l'intérieur de la chambre à décharge du tube de laser, entourée d'un isolement thermique (voir, par exemple, l'article de P.A. Bokhan, V.I. Solomonof,V.N. Nikolaiev dans la revue 'KvantovaIa elektronika", 1975, t.2, N 1, p.159). Le fait qu'on doive réchauffer ce tube jusqutaux températures de fonctionnement au moyen de énergie introduite dans la décharge conduit à utiliser une impulsion d'excitation différant notablement de l'impulsion optimale afin d'obtenir des valeurs maximales de prélèvement d'énergie et de rendement. La relation qui existe entre la température du tube de. laser et l'énergie introduite dans la décharge au cours d'un intervalle de temps déterminé pour une énergie constante de l'impulsion d'amorçage, dont la valeur est déterminée par les conditions qui permettent la génération, fait que la température du tube à décharge dépend de la fréquence de répétition des impulsions d'amorçage. C'est pourquoi la gamme des fréquences de fonctionnement d'un laser impulsionnel est particulièrement limitée par le faible intervalle de températures dans lequel, pour une matière de travail donnée, la génération est possible. Tout ceci est éliminé dans le tube à décharge d'un laser à gaz impulsionnel comportant une chambre à décharge remplie d'un gaz tampon et d'une matière de travail, possédant des fenêtres de sortie pour l'extraction du rayonnement laser et un élément chauffant relié électriquement à une source d'alimentation, cette chambre étant entourée d'un isolement thermique et contenant des électrodes reliées éleo- triquement à une source de tension impulsionnelle (voir, par exemple, l'article P.A.Bokhan, E.S.Boukova, G.S.Kijach kina, V.M.Klimkine , V.I. Solomonov, dans la revue " Pribory i tekhnika experimenta ", 1974, N01, p. 160). Dans ce tube de laser, à l'intérieur de la chambre à décharge dans le gaz se trouvent deux électrodes délimitant des deux côtés le volume des décharges dans le gaz, ce qui provoque une hétérogénéité longitudinale du plasma sur le front avant de l'impulsion d'amorçage du volume de décharge dans le gaz. Ladite hétérogénéité est due à la localisation de l'émission électronique plus particulièrement à la surface de l'une des électrodes, qui n'occupe qu'une faible part de la longueur de la chambre de décharge dans le gaz, ce qui ne permet pas d'obtenir une excitation uniforme de B matière de travail dans tout le volume de la chambre de décharge au cours de toute la durée de l'impulsion d'amorçage, ce qui entrain une réduction de l'énergie prélevée, comparée à la valeur maximale possible. L'échauffement jusqu'aux températures de travail de la chambre de décharge d'un tel tube de laser et l'excitation du milieu actif sont réalisés indépendamment à partir de deux sources non reliées électriquement entre elles. La chambre de décharge de ce tube et l'élément chauffant qui se trouve dans un corps étanche sont séparés par un espace rempli d'air. Tout ceci fait que le fonctionnement du tube n'est pas assez fiable à cause du danger de percement électrique du canal de décharge vers l"élément chauffant à travers-l'espace rempli d'air et la paroi du tube de décharge, cet espace rempli d'air ayant pour effet d'accroftre le temps nécessaire à la mise du tube de laser en régime de travail et la quantité d'énergie nécessaire pour réchauffer le tube à décharge jusqu'à la température de travail du milieu actif. D'autre part, tout ceci complique la construction du tube de laser, qui est rendue encore plus compliquée du fait de la disposition de l'élément chauffant à l'intérieur d'un corps étanche dans le but d'éviter son oxydaton aux températures élevées. L'invention vise par conséquent un tube de décharge pour laser à gaz impulsionnel,dans lequel les électrodes et l'élément chauffant seraient réalisés de manière à accrot- tre le prélèvement d'énergie grâce à une homogénéité améliorée du plasmasurlefxntavant slrlsBTIf; avant de l'impulsion d'amorçage du volume de décharge dans le gaz, de réduire la quantité d'énergie nécessaire pour réchauffer la chambre de décharge dans le gaz jusqu'aux températures de travail et d'augmenter la vitesse de mise au régime de travail du tube de décharge > ainsi que d'améliorer la fiabilité de fonctionnement du tube de laser, de simplifier saoenstruction et, par conséquent, de simplifier la construction du laser dans son ensemble. Ce but est atteint à l'aide d'un tube de décharge pour laser à gaz impulsionnel, comportant une chambre de décharge remplie d'un gaz tampon- et d'une matière de travail, possédant des fenêtres de sortie du rayonnement laser et un élément qhauffant relié à une source d'alimentation électrique, entourée d'une isolation thermique et contenant des électrodes reliées électriquement à une source de tension impulsionnelle, tube étant, selon l'invention, caractérisé en ce que les électrodes et l'élément chauffant sont réalisés tout d'une pièce et se présentent sous la forme d'une électrode unique commune à l'intérieur de la chambre de décharge sur toute sa longueur et branchée en parallèle sur ladite source de tension impulsionnelle et sur ladite source d'alimentation. Il est préférable que l'électrode commune soit disposée sur la surface interne des parois de la chambre de décharge. Ladite électrode commune peut aussi être réalisée sous forme d'un filament. Il peut également être avantageux de réaliser l'é- lectrode commune sous la forme d'un cylindre creux monté coaxialement à la chambre de décharge dans le gaz. Il est également avantageux de prévoir dans le tube au moins une nervure perpendiculaire à la surface in terne du cylindre creux et formant avec le cylindre l'éleô- trode commune. Il est également-rationnel de réaliser l'électrode commune sous la forme d'au moins une spirale spatiale. Les parois de la chambre de décharge peuvent serv d'électrode commune. Il est également avantageux de prévoir dans le tube au moins une plaque en matériau diélectrique disposée par son côté latéral longitudinal perpendiculairement à la surface interne des parois de la chambre de décharge, et de disposer la spirale spatiale de manière à ce qu'elle embrasse la plaque et qu'elle soit disposée, par rapport à cette dernière, de façon à ce que les spires voisines de la spirale se trouvent en contact entre elles et avec la plaque et qutelles servent, conjointement avec la plaque, d'électrode commune. La nervure et le cylindre creux peuvent posséder une structure capillaire. Il est avantageux que la nervure, le cylindre creux ou la spirale spatiale soient réalisés en un matériau mouillable par la matière de travail en fusion tout en n'entrant pas en réaction chimique avec elle, la hauteur de la nervure et de la spirale spatiale étant inférieure ou égale à la distance entre la surface interne des parois de la chambre de décharge et l'axe optique du tube de laser. Une telle structure du tube de décharge pour laser impulsionnel à gaz permet d'améliorer l'homogénéité de l'excitation du volume de décharge dans le gaz, d'amélio rer le prélèvement d'énergie, et également de simplifier la structure de l'ensemble du laser, d'améliorer sa fiabi lité de fonctionnement, de réduire l'énergie consommée pour réchauffer la chambre de décharge jusqu'aux températures de fonctionnement et d'améliorer la vitesse de mise du tube à décharge au régime de travail. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente un tube de laser pour .laser à gaz impulsionnel à électrode commune sous la forme d'un filament, selon l'invention (coupe longitudinale); - lafigure 2 représente un tube de laser à électrode commune sous la forme d'un cylindre creux (en coupe longitudinale); - la figure 3 représente un tube laser à électrode commune en spirale (coupe longitudinale); - la figure 4 représente un tube de laser à électrode commune constituée par les parois de la chambre de décharge duiube, selon l'invention (coupe longitudinale);; - la figure 5 montre un tube de laser du type montré sur la figure 2, mais pourvu d'une électrode commune sous la forme d'un cylindre creux doté de nervures (coupe longitudinale); - la figure 6 représente le même tube de laser que la figure 5 (coupe transversale à échelle agrandie); - la figure 7 montre une variante de réalisation du tube de laser de la figure 3 (coupe longitudinale); - la figure 8 montre le même tube que la figure 7 (coupe transversale, à échelle agrandie). Le tube de décharge pour laser à gaz impulsionnel comporte, selon l'invention, une chambre de décharge 1 (figure 1) remplie d'un gaztampon ( par exemple de néon) et d'une matière de travail, par exemple de cuivre. La chambre 1 comporte des parois 2 réalisées en céramique à l'oxy- de de béryllium, et des fenêtres 3 et 4 de sortie du rayonnement laser. La chambre 1 est entourée d'une isolation thermique 5 qui se trouve dans une enveloppe 6 exécutée en verre de quartz. A l'intérieur de la chambre 1 se trouve une électrode commune 7 branchée en parallèle sur une source de tension impul-sionnelle 8 connue en soi et une source d'alimentation 9, également connue en soi, à travers les bornes à haute tension 10 et 11. L'électrode 7 se compose d'électrodes (connues en soi) disposées à l'intérieur de la chambre de décharge et d'un élément chauffant (connu en soi), réaliss tout d'une piece en un métal résistant aux températures élevées et stable vis-à-vis de la vaporisation, possédant une émission thermoélectronique élevée et une résistance ou inductance satisfaisant à la condition TT1 où T est la durée du développement de la décharge gazeuse dans la chambre de décharge 1 sous l'effet de la tension impulsionnelle appliquée aux extrémités de l'électrode 7, - T1 est la durée de la décharge des accumulateurs d'énergie haute tension à travers l'électrode 7. L'électrode commune 7 est disposée sur la surface interne 12 des parois 2 de la chambre à décharge dans le gaz 1. Dans la variante de réalisation considérée, l'électrode commune 7 est réalisée sous la forme d'un filament. Cette variante de réalisation est utilisée de préférence dans les tubes laser de faible diamètre, par exemple inférieur à 5 mm. Pour les tubes de laser de plus grand diamètre on peut prévoir deux variantes. Selon l'une de ces variantes, l'électrode commune 13 (figure 2) est réalisée sous la forme d'un cylindre creux disposé coaxialement à la chambre de décharge 1. Selon une autre variante de réalisation du tube, l'électrode commune 14 (figure 3) se présente sous la forme d'une spirale spatiale. Pour les tubes de laser possédant une température de travail inférieure à 5000C, ce sont les parois 15 (figu- re 4) de la chambre de décharge 1 qui servent d'électrode commune. Pour réduire l'irrégularité de l'excitation de la matière de travail du laser dans la section transversale de la chambre de décharge 1 (figure 5),due due au gradient importez de température créé par la faible conductibilité du lieu de travail gazeux du tube de laser et entraînant une concentration plus faible des atomes de la matière de travail et une densité plus élevée du courant dans la zone voisine de l'axe ce la chambre à décharge 1, pour accroftre la concentration des atomes de la matière de travail dans la. chambre de décharge 1 en rapprochant la matière de travail de la zone voisine de l'axe, où la température est plus élevée, et pour prolonger la durée de service du tube à décharge, ainsi que pour augmenter les fréquences limites de répétition des impulsions du rayonnement laser en augmentant la surface sur laquelle a lieu la désexcitation des niveaux lasers inférieurs, on propose,suivant la présente invention, un tube selon la figure 5. Ce tube de laser estanalogue au tube montré sur la figure 2. il ne diffère de ce dernier que du fait que ltélec- trode commune 16 (figure 5) dans le tube de laser est constituée, selon l'invention, par un cylindre creux 17 monté coaxialement à la chambre de décharge I sur la surface interne 12 des parcs 2 de la chambre 1, ce cylindre possédant plusieurs nervures 18 (figure 6) perpendiculaires à sa surface interne. Les nervures 18 et le cylindre creux 17 ont une structure capillaire et sont réalisés comme un tout en un matériau mouillable par la matière de travail en fusion mais n'entrant pas en réaction chimique avec cette dernière. La pression des vapeurs de ce matériau à la température de travail du laser doit être de beaucoup inférieure à la pression des vapeurs de la matière de travail du laser, à la température de travail. La hauteur de la nervure 18 (figure 5) est inférieure à la distance entre la surface interne 12 des parois 2 de la chambre. de décharge 1 et l'axe optique du tube de laser. La hauteur des nervures peut aussi être égale à cette distance. Dans la variante de réalisation considérée du tube, on utilise en qualité de gaz tampon le néon (ou l'hélium), en qualité de matière de travail, le cuivre (ou le plomb ou le manganèse), les nervures 18 étant réalisées en molybdène (ou en tungstène). A titre d'exemple concret de réalisation, le tube représenté importe quatre nervures 18. Toutefois, il peut n'en avoir qu'une seule, mais dans ce cas, l'efficacité d'utilisation des nervures à structure capillaire diminue. Le tube selon l'invention, représenté sur la figure 7, est réalisé de façon analogue au tube selon la figure 3. Sa particularité réside dans le fait qu'il comporte des plaques 19 (figures 7 et 8) en un matériau diélectrique tel que l'yde de béryllium ( ou l'oxyde d'aluminium). Chacune des plaques 19 est disposée de manière que sa surface latérale longitudinale soit perpendiculaire à la surface interne 12 des parois 2 de la chambre à décharge 1. La spirale spatiale 20 (figure 7) embrasse la plaque 19 et est disposéej par rapport à cette dernière, de façon que les spires mutuellement voisines de la spirale 20 soient en contact les unes avec les autres et avec la plaque 19. Les plaques 19 sont fixées sur la surface interne 12 des parois 2 de la chambre 1 à laide d'un support 21. La spirale 20 et la plaque 19 constituent ensemble l'électrode commune 22. La spirale 20 est réalisée en un matériau mouillable par la matière de travail en fusion et n'entrant pas en réaction chimique avec elle. En qualité de matière de travail on utilise le cuivre (ou le manganèse ou le plomb), tandis que la spirale est en molybdène (ou en tungstène). La hauteur de la spirale spatiale 20 est inférieure à la distance entre la surface interne 12 des parois 2 de la chambre 1 et l'axe optique du tube de laser. Ce diamètre peut aussi être égale à ladite distance. Le principe de fonctionnement du tubede laser à gaz impulsionnel selon l'invention consiste en ce qui suit. La chambre de décharge 1 (figure 1) contenant la matière de travail est remplie d'un gaz tampon jusqu'à la pression requise. On applique aux bornes à haute tension 10 et 11 la tension de la source d'alimentation 9, et un courant passe à travers l'électrode commune 7 qui la réchauffe jusqu'à des températures élevées. L'échauffement de l'électrode 7 s'accompagne d'une émission thermoélectronique à partir de toute sa surfacessRquG- ) imMESn agmenteavec ltaccroissement de la température de l'électrode 7, de sorte que, en l'absence de décharge, des électrons sont présents dans tout le volume de la chambre de décharge 1. Lorsque la température de fonctionnement dans la chambre de décharge 1 est atteinte, on applique aux mêmes bornes à haute tension 10 et Il une tension impulsionnelle provenant de la source à haute tension impulsionnelle 8. De ce fait, une décharge se développe dans la chambre de décharge 1, dans le gaz entre-les extrémités de l'électrode commumune 7, et grace à la présence des électrons émis par l'électrode 7 dans tout le volume dela chambre de décharge 1 avant l'application de l'impulsion à haute tension , la-décharge se développe uniformément suivant toute la longueur de la chambre de décharge 1. à partir du moment du percement électrique.Sur le front avant de 1'impulsion decounmttraverssnt la chambre de décharge 1 se développe une impulsion de rayonnement laser dont la sortie s'effectue à travers les fenêtres 3 et 4. Pour réduire les pertes d'énergie thermique dégagée par l'électrode commune 7, la chambre 1 est placée sous une enveloppe 6 remplie d'un isolant thermique 5. Le principe de fonctionnement du tube pour laser à gaz selon les figures 2, 3, 4 est analogue au principe de fonctionnement du tube selon la figure 1. Le principe de fonctionnement du tube de laser selon les figures 5,6 est analogue au principe de fonctionnement du tube selon la figure 1. Sa particularité réside dans le fait que la matière de travail imprègne la structure capillaire de l'élec- trode commune 16. Lors de l'excitation d'une décharge dans la chambre de décharge l, la plus grande vitesse de vaporisation de la matière de travail a lieu sur les nervures 18 de l'électrode commune 16, au voisinnage immédiat de l'axe longitudinal de la chambre de décharge 1, où la température du gaz est supérieure à celle des parois 2. La matière de travail en fusion arrive dans la zone de vaporisation sous l'ac teon de lteffet capillaire.En se condensant sur les parois 2 de la chambre de décharge 1, où la température est plus basse qu'au voisinage immédiat de l'axe longitudinal de la chambre de décharge 1, la matière de travail arrive de nouveau dans la zone des températures plus élevées. Ainsi circule la matière de travail entre les zones de vaporisation et de condensation, dans le sens allant des parois de la chambre de décharge 1 vers son axe longitudinal et dans le sens allant des extrémités de la chambre de décharge 1 vers son milieu. Le principe de fonctionnement du tube de laser représenté sur les figures 7 et 8 est analogue au principe de fonctionnement du tube de laser selon les figures 5, 6. Le tube de décharge pour laser à gaz impulsionnel selon 11 invention assure un débit d'énergie et un rendement élevés, une mise rapide du tube en régime de travail, une augmentation de la durée de conservation du milieu de travail à l'intérieur du tube de laser, et par conséquent, un accroissement de la longévité du tube de laser ainsi que celle de l'ensemble du laser. REVENDICATIONS 1. Tube de décharge pour laser à gaz1du type comportant une chambre de décharge dans le gaz (1) remplie d'un gaz tampon et d'une matière de travail, pourvue de fenêtres (3,4) de sortie du rayonnement laser et d'un élément chauffant relié électriquement à une source d'alimentation (9), entourée d'un isolant thermique (5) et à l'intérieur de laquelle se trouvent des électrodes reliées électriquement à une source de tension impulsionnelle (8), caractérisé en ce que les électrodes et l'élément chauffant sont réalisés tout d'une pièce sous la forme d'une électrode commune unique (7) disposée à l'intérieurdeladYms Ùte & (1) suivant toute sa longueur, et branchée en parallèle sur la source de tension impulsionnelle (8) et sur la source d'alimentation (9). 2. Tube de décharge selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode commune (7) est disposée sur la surface interne (12) des parois (2) de la chambre à décharge dans le gaz (1). 3. Tube de décharge selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'électrode commune (7) est réalisée sous forme d'un filament. 4. Tube de décharge selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'électrode commune (13) est réalisée sous forme d'un cylindre creux disposé coaxialement à la chambre à décharge (1). 5. Tube de décharge selon la revendication 4, caractérisé en ce que dans celui-ci est prévu au moins une nervure (18) dispos5e perpendiculairement à la surface interne du cylindre creux (17) et servant, conjointement avec le cylindre (17), d'électrode commune (16). 6. Tube de décharge selon l'une des revendicaticns 1 et 2, caractérisé en ce que l'électrode commune (14) est réalisée sous la forme d'au moins une spirale spatiale. 7. Tube de décharge selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois (15) de la chambre à décharge (1) servent d'électrode commune. 8. Tube de décharve selon la revendication 6, caractérisé en ce que dans celui-ci est prévue au moins une plaque (19) en matériau diélectrique dont la surface longitudinale latérale est disposée perpendiculairement à la surface interne (12) des parois (2) de la chambre à décharge à gaz (1), et que la spiralespatiale (20) embrasse la plaque (19) et est disposéeJpar rapport à cette dernièret de telle façon que les spiresrmtuellement voisines de la spirale (20) soient en contact entre elles et avec la plaque (19) et servent, conjointement avec la plaque (19),d'élec- trode commune. 9. Tube de décharge selon la revendication 5, caractérisé en ce que la nervure (18) et le cylindre creux (17) possèdent une structure capillaire. 10. Tube de décharge selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que la nervure (18), le cylindre creux (17) ou la spirale spatiale (20) sont réalisés en un matériau mouillable par la matière de travail en fusion et n'entrant pas en réaction chimique avec elle la hauteur de la nervure (18) et de la spirale spatiale (20) étant inférieure ou égale à la distance entre la surface interne (12) des parois (2), de la chambre à décharge dans le gaz (1) et l'axe optique dutube de laser.