Brevet FR2528634A1 — publié le 19831216

La présente invention concerne un laser ionique à gaz. On connaît déjà divers types de laser ionique à gaz qui présentent généralement un certain nombre d'inconvénients. Certains de ces lasers demandent en effet une tension d'utilisation très élevée, de l'ordre du millier de volts ou même davantage, d' où la nécessité d'employer des composants rares et extrêmement coûteux, et ils entraînent ainsi des risques électriques en rapport avec la tension (risque de court-circuit, électrolyse et électrocution).Par ailleurs avec ces lasers la "température critique", c'est À-dire celle atteinte par un élément chauffant quelconque lorsqu'il ne peut plus augmenter sa température interne, est obtenue, avec les lasers connus, au bout d'une période de temps allant de cinq à quinze minutes et tant que cette température critique n'est pas atteinte on observe de fortes variations d'intensité lumineuse. Un autre inconvénient que présentent les lasers ioniques à gaz connus est que leur circuit de refroidissement est généralement lourd et encombrant, indémontable et en contact direct avec les électrodes. Si ces lasers comportent un circuit magnétique limitant la diffusion des électrons vers la paroi, ce circuit est généralement trop éloigné du tube à décharge ce qui entraîne une grande consommation de courant. Dans certains lasers les éléments électriques sont en contact direct avec le circuit d'eau de refroidissement d'où la nécessité d'un circuit fermé d'eau, avec incorporation de produits chimiques augmentant la résistivité de l'eau. En ce qui concerne les électrodes elles sont quelquefois encombrantes ou portées À une température élevée et dans certains cas elles ne peuvent pas supporter des surcharges ou des tensions élevées. Les fenêtres de Brewster des lasers connus sont par ailleurs fixées par collage d'où un risque d'émanation de la colle, après échauffement de ces fenêtres, pouvant entraîner un léger décollement et par conséquent une fuite du gaz actif d'où des difficultés d'amorçage de l'arc et une destruction des électrodes. Par ailleurs quand la température du gaz augmente, la pression de ce gaz augmente également ce qui entraîne une importante variation de la fréquence du faisceau laser et d'autres problèmes internes complexes tels que la difficulté d'amorçage du tube. La présente invention vise À remédier à ces divers inconvénients en procurant un laser ionique à gaz de conception particulièrement simple, d'un faible prix de revient et d'un fonctionnement remarquablement fiable. A cet effet ce laser ionique à gaz, comprenant une cavité de décharge fermée de manière étanche, contenant le gaz et dans laquelle sont logées deux électrodes distantes l'une de l'autre et reliées à une source de tension électrique, est caractérisé en ce que la cavité de décharge est délimitée par une partie centrale tubulaire de petit diamètre débouchant, à ses deux extrémités, dans deux enceintes latérales opposkes,plus grandes, dans chacune desquelles est logée respectivement l'une des électrodes, et en ce que la paroi latérale de la cavité de décharge est entourée, À une certaine distance, d'une enveloppe démontable délimitant, avec la paroi de la cavité de décharge, une ch-ambre de refroidissement fermée de manière étanche À ses deux extrémités longitudinales, cette enveloppe portant, à ses deux extrémités, des raccords d'entrée et de sortie d'un liquide de refroidissement de manière À assurer une circulation longitudinale de ce fluide à l'intérieur de la chambre de refroidissement. Le laser suivant l'invention présente un certain nombre d'avantages. En effet ses électrodes peuvent fonctionner indifféremment aussi bien en courant alternatif qu'en courant continu, avec possibilité d'inversion des polarités. Il n'exige, pour l'entretien de son arc, qu'une tension de 220 volts et plusieurs kilovolts seulement pendant quelques dizaines de secondes pour l'amorçage. I1 ne demande qu'environ une minute trente secondes pour atteindre sa température critique, du fait que le tube à décharge est directement en contact avec le liquide de refroidissement. Comme l'enveloppe délimitant la chambre de refroidissement est démontable, on peut détartrer facilement les parois de la chambre de refroidissement et on peut également effectuer un contrôle visuel des électrodes, à travers la paroi en verre de la cavité de décharge. La partie centrale tubulaire du laser est entourée par un circuit magnétique extérieur limitant la diffusion des électrons vers les parois et qui est très proche du tube à décharge, ce qui augmente le rendement et réduit la consommation électrique et l'échauffement. Les électrodes qui sont logées dans les deux enceintes latérales traversent les parois frontales de la cavité de décharge sans être en contact avec le circuit du liquide de refroidissement si bien que l'on peut utilisier pour ce liquide de l'eau courante sans incorporation de produits chimiques. Le laser suivant l'invention comporte, dans l'axe de la partie centrale tubulaire, deux fenêtres Brewster laissant passer le faisceau laser, ces fenêtres étant soudées sur des ampoules de verre prévues aux extrémités de tubes capillaires raccordés aux parois des enceintes et s'étendant dans l'axe de la partie centrale tubulaire. De ce fait on évite toute fuite du gaz actif se trouvant à l'intérieur de la cavité de décharge. Les fenêtres Brewster ont un diamètre assez important pour éviter des déformations pouvant entrainer des distorsions optiques du faisceau laser. Suivant une caractéristique complémentaire de l'invention les enceintes sont reliées à un réservoir externe de pressurisation, ce qui permet de maintenir constante la pression interne du laser, quelle que soit la température atteinte. Ce réservoir de pressurisation comporte avantageusement un getter pour absorber tous les gaz autres que le gaz actif du laser. Ce getter demeure continuellement actif et ainsi le laser peut rester sans fonctionner pendant une très longue période de temps, son redémarrage se faisant à coup sûr. Enfin la cavité de décharge présente une grande longueur, de l'ordre de 100 cm. Cette longueur supérieure à celle des lasers connus permet d'augmenter corrélativement le rendement. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel La figure 1 est une vue en coupe axiale, partiellement en élévation, d'un laser ionique à gaz suivant l'in invention La figure 2 est une vue en coupe transversale faite suivant la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe transversale faite suivant la ligne III-III de la figure 1. La figure 4 est une vue en coupe axiale et horizontale faite suivant la ligne IV-IV de la figure 3. Le laser ionique à gaz représenté sur les figures 1 à 4 comprend une cavité à décharge à gaz interchangeable tel que l'argon, le krypton ou le mélange hélium-néon. Cette cavité qui est fermée d'une manière étanche par une paroi en verre, est délimitée par une partie centrale tubulaire 1 de petit diamètre laquelle débouche à ses deux extrémités, dans deux enceintes latérales opposées de grand volume à savoir une enceinte gauche 2 et une enceinte droite 3. Dans ces deux enceintes sont respectivement logées des électrodes cylindriques 4 et 5 dont les tiges 6, 7 qui les prolongent respectivement, sortent à l'extérieur, en traversant les parois frontales 2a,3a des enceintes 2, 3, auxquelles elles sont fixées par des cordons de soudure 8, 9. Les axes yy' des deux électrodes 4, 5 sont inclinés par rapport à l'axe xx' du laser, qui est également celui de la partie centrale tubulaire 1, d'un angle qui est de préférence de 170. Les deux enceintes latérales 2, 3 ainsi que les électrodes 4, 5 sont disposées symétriquement par rapport à un plan transversal médian de la partie centrale tubulaire 1. Le faisceau laser émis par le tube suivant l'invention sort à travers des fenêtres Brewster respectives 11, 12 qui ferment en les rendant étanches les enceintes 2, 3.Ces fenêtres 11, 12 sont soudées à des ampoules de verre 2c,3c reliées,par 1' in- termédiaire de tubes capillaires 2d,3d d'axe xx', à des prolongements respectifs 2b, 3b des enceintes 2, 3.Ces tubes capillaires protègent les fenêtres Brewster contre la pollution due au fait que les électrodes 4,5 en tungstène projettent,lors de leur échauffement, des particules qui se déposent elles-mêmes sur les parties en verre environnantes. Les fenêtres Brewster 11, 12 sont inclinées d'un angle double de celui des électrodes 4, 5, c'est-à-dire de 340 par rapport à l'axe longitudinal xx'. Du fait que les fenêres Brewster 11, 12 sont soudées, on évite tous les inconvénients des lasers connus dans lesquels ces fenêtres sont collées ce qui entraîne, après échauffement des fenêtres, un risque d'émanation de la colle et un léger décollement entraînant une fuite du gaz actif d'où des difficultés d'amorçage et une destruction des électrodes. Par ailleurs les fenêtres 11, 12 ont un diamètre assez important de façon à éviter des déformations pouvant entraîner des distorsions optiques du faisceau laser. Les enceintes 2, 3, sont reliées, par des canalisations 13, à un réservoir externe de pressurisation 14 à haute capacité (par exemple 1,5 litre). Ce réservoir permet de stabiliser la pression à l'intérieur de la cavité de décharge.En effet plus la température du gaz s'élève, plus sa pression augmente ce qui entraîne une importante variation de la fréquence du faisceau laser et d'autres problèmes internes complexes tels que la difficulté d'amorçage du tube. Le réservoir 14 permet de maintenir constante la pression du gaz à l'intérieur du tube, d'où une stabilité parfaite en fréquence. Le réservoir de pressurisation 14 contient en outre un getter qui est un dispositif absorbant, par réaction chimique, tous les gaz autres que le gaz actif du laser, tels que par exemple CO, C02, H20. Ce getter est continuellement actif et par conséquent le laser suivant l'invention peut rester sans fonctionner pendant une très longue période de temps ,sans perturber son redémarrage qui s'effectue à coup sûr. La cavité de décharge du laser qui est délimitée par la partie centrale tubulaire 1 et les deux enceintes Izté- rales 2, 3, est entourée d'une enveloppe en alliage léguer, enveloppe en deux parties assemblées entre elles, à savoir une partie supérieure 15 et une partie inférieure 16. Les deux parties 15, 16 d l'enveloppe présentent des formes adaptées À celle des parois latérales de la partie centrale tubulaire i et des enceintes extrêmes 2, 3 pour pouvoir entourer ces éléments À une certaine distance, en délimitant avec eux une chambre interne 17 parcourue par un liquide de refroidissement.Cette chambre interne 17 est obturée, à ses deux extrémités ,par des joints d'étanchéité toriques transversaux 20 interposés respectivement entre les deux parties 15, 16 de l'enveloppe et les parois latérales des enceintes 2, 3. Par ailleurs, dans la partie centrale du tube, les deux parties 15, 16 de l'enveloppe comportent des tronçons cylindriques 15a, 16a à section droite en forme d'arc de cercle, lesquels sont prolongés par des ailes latérales respectives 15b, 16b s'étendant vers l'extérieur, parallèlement les unes aux autres. Ces ailes sont assemblées au moyen de boulons 18, comme il est représenté sur 13 figure 2.Des joints d'étanchéité longitudinaux 19 s'étendent entre les ailes 15b, 16b pour rendre étanche ia chambre interne 17 dans la zone de la partie tubulaire centrale 1 de la cavité de décharge. Le fluide de refroidisssement est introduit dans la chambre interne 17 par un raccord d'entrée 21, débouchant par exemple dans la partie inférieure 16 de l'enveloppe entourant l'enceinte gauche 2 et il sort par un autre raccord 22 débouchant dans la partie inférieure 16 de l'enveloppe entourant l'enceinte droite 3. On voit d'après la description qui précède que la partie tubulaire centrale 1 de la cavité de décharge est directement en contact avec le liquide de refroidissement qui s'écoule longitudinalement, tout autour de cette partie tubulaire centrale 1, dans l'espace délimitée par les deux parties cylindriques 15a, 16a. Des ailettes formant entretoises 23 peuvent être disposées radialement entre la partie tubulaire centrale 1, en verre, et les parties 15a, 16a de l'enveloppe délimitant la chambre de refroidissement. Du fait que la partie centrale tubulaire 1 de la cavité de décharge est directement en contact avec le liquide de refroidissement, le laser suivant l'invention atteint très rapidement sa "température critique". En effet cette température est atteinte au bout d'une minute trente environ alors qu'avec les lasers connus actuellement il faut de cinq à quinze minutes et tant que cette température critique n'est pas atteinte on observe de fortes variations d'intensité lumineuse. On voit également que le circuit de refroidissement est réalisé très simplement et il est en outre démontable puisque les deux parties 15, 16 de l'enveloppe peuvent être démontées en enlevant les boulons de fixation 18. Ce démontage permet un détartrage aisé et également un contrôle visuel de l'état des électrodes 4, 5. La partie centrale de l'qenveloppe du circuit de refroidissement constitué par les parties 15a, 16a est à son tour entourée par un circuit magnétique adjacent 24 qui se trouve être très proche de la partie tubulaire centrale 1 (à moins d'un centimètre). Ce circuit magnétique 24 qui limite la diffusion des électrons vers la paroi a de ce fait un rendement considérablement augmenté par rapport aux lasers connus où il est soit inexistant soit trop éloigné du tube à décharge d'où une grande consommation de courant. Suivant l'invention le circuit magnétique 24 très proche de la partie tubulaire centrale 1 du tube à décharge permet de réduire considérablement la consommation d'énergie et l'échauffement et par ailleurs il est démontable. Comme on l'a vu précédemment les électrodes 4, 5 du laser suivant l'invention sont imbriquées dans les enceintes 2, 3 en verre et elles ne sont pas en contact avec le circuit d'eau de refroidissement. Ces électrodes cylindriques ont un diamètre inférieur à celui des fenêtres Brewster 11, 12 et elles sont calculées pour supporter le double de leur intensité nominale ainsi que les hautes tensions. Elles peuvent fonctionner aussi bien en courant alternatif qu'en courant continu, avec possibilité d'inversion des polarités. Le laser suivant l'invention ne demande, pour l'en- tretien de l'arc, qu'une tension de 220 volts et seulement plusieurs kilovolts pendant quelques dizaines de secondes pour l'amorçage de l'arc. REVENDICATIONS 1- Laser ionique à gaz, comprenant une cavité de décharge fermée de manière étanche, contenant le gaz et dans laquelle sont logées deux électrodes distantes l'une de l'autre et reliées à une source de tension électrique, caractérisé en ce que la cavité de décharge est délimitée par une partie centrale tubulaire (1) de petit diamètre débouchant, à ses deux extrémités, dans deux enceintes latérales opposées (2,3) ,plus grandes, dans chacune desquelles est logée respectivementl' une des électrodes (4,5), et en ce que la paroi latérale de la cavité de décharge est entourée, à une certaine distance, d'une enveloppe démontable (15,16) délimitant, avec la paroi de la cavité de décharge, une chambre de refroidissement (17) fermée de manière étanche à ses deux extrémités longitudinales, cette enveloppe (15,16) portant, à ses deux extrémités, des raccords d'entrée (21) et de sortie (22) d'un liquide de refroidissement de manière à assurer une circulation longitudinale de ce fluide à l'intérieur de la chambre de refroidissement (17). 2- Laser suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes cylindriques (4, 5) sont prolongées par des tiges (6, 7) qui sortent à l'extérieur en traversant les parois frontales (2a, 3a) des enceintes (2, 3) auxquelles elles sont soudées, les axes (yy') des deux électrodes (4,5) étant inclinés d'un même angle par rapport à l'axe (xx') du laser qui est également celui de la partie centrale tubulaire (1). 3.- Laser suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les parois frontales (2a, 3a) des deux enceintes latérales (2, 3) présentent,dans l'axe xx' de la partie centrale tubulaire, des tubes capillaires (2d,3d) terminés par des ampoules (2c,3c) de verre sur lesquelles sont soudées des fenêtres Brewster (11, 12) inclinées, par rapport à l'axe longitudinal (xx'), d'un angle double de celui des électrodes (4, 5). 4.- Laser suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les enceintes (2,3) sont reliées, par une canalisation (13), à un réservir externe de pressurisation (14) à haute capacité. 5.- Laser suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le réservoir de présurisation (14) contient un getter. 6.- Laser suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'enveloppe démontable est constituée de deux parties assemblées entre elles, à savoir une partie supérieure (15) et une partie inférieure (16), ces deux parties (15, 16) de l'enveloppe présentant des formes adaptées à celles des parois latérales de la partie centrale tubulaire (1) et des enceintes extrêmes (2,3), la chambre interne de refroidissement (17) étant obturée, à ses deux extrémités, par des joints d'étanchéité toriques transversaux (20) interposés respectivement entre les parties (15, 16) de l'enveloppe et les parois latérales des enceintes (2, 3), les deux parties (15, 16) de l'enveloppe comportant, dans la partie centrale du laser, des tronçons cylindriques (15a, 16a) à section droite en forme d'arc de cercle lesquels sont prolongés par des ailes latérales respectives (15b, 16b) s'étendant vers l'extérieur, parallèlement les unes aux autres, ces ailes étant assem blées au moyen de boulons (18) et des joints d'étanchéité longitudinaux (19) étant interposés entre les ailes (15b, 16b). 7.- Laser suivant la revendication 6, caractérisé en ce que des ailettes formant entretoises (23) sont disposées entre la partie tubulaire centrale (1) de la cavité de décharge et les parties cylindriques (15a, 16a) de l'enveloppe. 8.- Laser suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la partie centrale de l'enveloppe (15, 16) délimitant la chambre de refroidissement (17) est entourée par un circuit magnétique adjacent (24).