Brevet FR2538610A1 — publié le 19840629

253-8610 L'invention concerne des perfectionnements apportés au domaine des lasers Elle a trait plus parti- culièrement à une cathode perfectionnée de laser. Une cathode de laser sert à fournir des électrons au processus de formation d'un faisceau laser. Une telle cathode est souvent de configuration globalement en dôme, présentant une surface d'aluminium, et elle est placée à proximité de l'extrémité d'un canal ménagé dans un corps de laser et contenant des gaz appropriés tels que de l'hélium et du néon En fonctionnement, elle est maintenue à un potentiel négatif et bombardée par des ions hélium et néon, chargés positivement, qui s'asso- cient aux électrons fournis à la surface oxydée de la cathode, en raison de son potentiel négatif,pour produire des molécules de gaz non chargées. Un laser classique comporte des miroirs hautement polis situés aux extrémités opposées du corps du laser. Lorsqu'un tel laser est utilisé comme élément d'un ensemble d'instruments, seule une variation relativement faible de la distance entre les miroirs est tolérable, car cette distance est critique pour la fréquence de sortie résultante du laser Le maintien d'une distance prédéterminée, dans des tolérances, pose un problème technique difficile à résoudre lorsque le laser est utilisé dans un environne- ment thermique extrême Pour résoudre ce problème, le corps du laser est communément réalisé en une matière à coefficient de dilatation thermique extrêmement bas, telle que diverses vitrocéramiques, par exemple celles connues sous les marques commerciales "Zerodur" et "Cer- Vit" Par ailleurs la cathode doit comprendre un métal pour fonctionner comme source d'électrons Comme indiqué précédemment, l'aluminium a souvent été utilisé pour la cathode d'un laser. Actuellement, des cathodes de laser en aluminium ou en alliage d'aluminium sont produites par un certain nombre de procédés connus comprenant des opérations d'estampage et d'usinage Ces procédés nécessitent un nettoyage et une préparation importants de la surface interne de la cathode De plus, dans certaines applications, la cathode doit être scellée sur le corps du laser Par conséquent, un joint verre sur métal est communément réalisé en fonction des compositions différentes de la cathode et du corps du laser De l'indium est communément utilisé comme agent d'étanchéité Un tel joint à indium est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 273 282. Bien qu'une cathode en aluminium ou en alliage d'aluminium fournisse des électrons au processus de for- mation du faisceau laser, le degré de dilatation qu'elle subit sous l'effet des contraintes thermiques, bien qu'il ne dégrade pas le fonctionnement à court terme du laser, affecte son intégrité à long terme La grande disparité entre les coefficients de dilatation thermique de la cathode en aluminium ou autre métal et du corps du laser en vitrocéramique engendre d'importantes contraintes dans un tel système La différence entre les coefficients de dilatation thermique de l'aluminium et de la matière du type "Zerodur", par exemple, limite l'espérance de vie d'un joint réalisé entre une telle cathode et un tel corps de laser lorsqu'ils sont soumis à des cycles variant entre -55 o C et 1250 C, par exemple Bien qu'il existe des procédés intéressants pour réaliser une liaison hermé- tique vérre sur verre, par exemple une liaison assistée par champ, ces procédés ne peuvent être utilisés pour sceller un métal à du verre Par conséquent, le joint aluminium sur verre, comprenant communément de l'indium, est limité à la température de fusion de l'indium qui est de 1560 C. L'invention élimine les inconvénients précités affectant l'art antérieur en proposant un procédé de fabrication et un appareil perfectionnés concernant le domaine dés lasers L'invention concerne en premier lieu une cathode perfectionnée pour laser Cette cathode comprend une enveloppe creuse sensiblement hémisphérique, réalisée en une matière ayant une caractéristique thermi- que préalablement choisie L'enveloppe comprend une couche superficielle intérieure en aluminium. 2 '538610 L'invention concerne en second lieu un laser perfectionné comprenant un corps et une cathode qui compor- te une enveloppe creuse sensiblement hémisphérique, réalisée en une matière de caractéristique thermique préalablement choisie L'enveloppe de la cathode possède une couche super- ficelle intérieure en aluminium. Un autre aspect de l'invention réside dans un procédé pour sceller un corps de laser, constitué d'une matière à faible coefficient thermique, à une cathode Le procédé consiste à réaliser l'enveloppe de la cathode en matière à faible coefficient thermique, puis à sceller la cathode sur le corps du laser. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique est une coupe d'un laser selon l'invention. La figure unique représente en coupe latérale un laser 10 selon l'invention Ce laser 10 comprend un corps 12 de préférence réalisé en vitrocéramique telle que du type "Cer-Vit" ou "Zerodur" Le corps 12 du laser, présente une cavité 14 de formation d'un faisceau laser cavité ayant des miroirs hautement polis 16 et 18 à ses extrémités opposées Une anode 20 et une cathode 22 commu- niquent avec des alésages 24 et 26 orientés vers leohaut et débouchant dans la cavité 14. La cathode 22 est de forme sensiblement hémis- phérique et comprend une enveloppe extérieure 28 en verre, en quartz ou en vitrocéramique, dont l'intérieur est revêtu d'une mince pellicule 30 d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium L'enveloppe 28 peut être réalisée par l'un quelconque d'un certain nombre de procédés bien connus dans le domaine du façonnage du verre et du quartz, y compris par des techniques de moulage et de soufflage du verre De plus, l'enveloppe 28 peut être réalisée par usinage d'une vitrocéramique telle que du type "Zerodur" "Cer -Vit" ou du verre dopé connu sous la marque commerciale "ULE" Des techniques appropriées pour revêtir la surface intérieure de l'enveloppe 28 afin de former la couche 30 comprennent la déposition sous vide, l'enduction par pulvérisation et la pulvérisation ionique d'aluminium ou d'alliages d'aluminium. Il est apparu qu'en utilisant une enveloppe 28 de cathode constituée d'une matière ayant un coefficient de dilatation thermique correspondant étroitement à celui du corps 12 du laser, les contraintes exercées sur un joint 32, qui fixe la cathode au corps du laser, sont notablement réduites et la durée de vie du laser en est ainsi accrue Il est également apparu qu'une mince pelli- cule 30 d'aluminium ou d'alliage d'aluminium ne possède pas une masse suffisante pour imposer des contraintes importantes au joint; par conséquent, tant que la couche est suffisamment épaisse pour rendre opaque la cathode 22, le comportement de cette dernière est tout à fait conve- nable et il équivaut à celui d'une cathode constituée uniquement d'aluminium ou d'alliage d'aluminium. Le joint 32 peut être formé d'un certain nombre de matières et par des procédés classiques comprenant, à titre nullement limitatif, ceux qui réalisent un joint d'indium par utilisation de chaleur et/ou de pression. De plus, du fait que le corps 12 du laser et que l'enve- loppe 28 de la cathode 22 sont réalisés en matières non métalliques analogues au verre, le joint 32 peut être formé par un procédé de liaison assisté par champ, tel que le procédé connu sous le nom de procédé "Mallory". Dans un tel procédé, la cathode de verre et le corps du laser sont portés à une température de 300 à 400 'C tandis qu'une différence de potentiel est appliquée entre la cathode et le corps du laser Lorsque l'ensemble est chauffé, sa conductivité électrique augmente, permettant le passage d'un courant électrique à travers l'interface cathode-corps du laser Le courant provoque une diffusion des atomes d'aluminium de la couche 30 dans le verre Il en résulte la formation d'une liaison permanente et robuste qui est insensible à certains modes de détérioration caractérisant les liaisons classiques verre sur métal, par exemple ceux résultant de la température de fusion de l'indium. Il apparaît donc que le procédé et le dispo- sitif selon l'invention apportent des perfectionnements au domaine de la fabrication des lasers En utilisant l'invention, on peut fabriquer un laser de longévité accrue, pouvant être utilisé dans des environnements ther- miques qui affecteraient autrement gravement les possibi- lités de fonctionnement du laser En outre, en utilisant l'invention, on peut mettre en oeuvre des procédés de liaison avantageux qui ne sont pas applicables à l'art, antérieur, pour obtenir les résultats indiqués précédemment. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au laser décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Cathode de laser, caractérisée en ce qu'elle comporte une enveloppe creuse ( 28), sensiblement hémisphé- rique, réalisée en une matière de caractéristique thermique- préalablement choisie, la surface intérieure de cette enveloppe présentant une couche ( 30) d'aluminium. 2 Cathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'enveloppe est réalisée-en verre, en quartz ou en une vitrocéramique préalablement choisie. 3 Cathode selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que ladite couche est réalisée en aluminium ou en alliage d'aluminium préalablement choisi. 4 Procédé de réalisation d'un joint thermique ( 32) entre un corps ( 12) de laser en matière à faible coefficient de dilatation thermique, et une cathode ( 22), caractérisé en ce qu'elle consiste à réaliser l'enveloppe ( 28) de la cathode en une matière à faible coefficient de dilatation thermique, et à sceller l'enveloppe de la cathode au corps. 5 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'enveloppe de la cathode est réalisée en verre, en quartz ou en une vitrocéramique préalablement choisie. 6 Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à former une couche ( 30) d'aluminium à l'intérieur de la cathode. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que-ladite couche est constituée d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium. 8 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la cathode est scellée par pression sur le corps du laser, ou bien scellée au corps du laser par un procédé assisté par champ. 9 Laser caractérisé en ce qu'il comporte un corps ( 12), une cathode ( 22) scellée sur le corps et comprenant une enveloppe creuse ( 28) sensiblement hémis- phérique, réalisée en une matière de caractéristique préalablement choisie, la surface intérieure de cette enve- loppe présentant une couche ( 30) d'aluminium. Laser selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'enveloppe est réalisée en verre, en quartz ou en une vitrocéramique préalablement choisie. 11 Laser selon la revendication 9, caractérisé en ce que la cathode est scellée au corps du laser par un procédé assisté par champ.