Brevet FR2545994A1 — publié le 19841116

La présente invention concerne notamment un générateur laser comprenant une cavité résonante remplie d'un gaz laser et des électrodes de pompage électrique à haute tension continue pour provoquer une décharge laser dans le gaz de la cavité, utilisé par exemple dans les domaines médicaux ou militaires. Un tel générateur présente deux inconvénients qui limitent sa durée de vie. Le premier est la dégradation du gaz, et le second la dégradation des électrodes. La dégradation du gaz, généralement du C02, se traduit par les réactions chimiques suivantes, directement provoquées par la décharge haute tension. On peut empêcher cette dégradation du gaz par des catalyseurs solides disposés dans la cavité, et qui favorisent les réactions chimiques inverses La dégradation des électrodes, en fait leur oxydation en surface, qui s'accompagne d'une pulvérisation cathodique, se traduit par un amorçage plus difficile ainsi que par un dépôt mixte important de métal et d'oxyde sur la paroi interne de la cavité et de son optique, qui limite aussi la durée de vie du générateur. On peut vouloir pallier le premier inconvénient en adoptant une cathode active, pourvue d'un certain pouvoir catalytique et oxydant, réalisée à partir d'un mélange approprié de métaux et d'oxydes, comme par exemple du cuivre, du nickel, du cobalt. Si une telle électrode empêche dans un premier temps effectivement la dégradation du gaz, elle provoque par contre une importante pollution de la cavité résonante, par dépôt de métaux et d'oxydes sur sa paroi interne, accentuant finalement ainsi la dégradation du gaz. En définitive, et même avec un catalyseur solide et une électrode active, la durée de vie du générateur et son bon fonctionnement reste limités. En outre, les conditions de régénération demeurent fixées au moment de la réalisation du générateur ainsi que par le courant de fonctionnement. La demanderesse s'est donc posé le problème global de la dégradation du gaz laser, de celle des électrodes, de la pollution de la cavité, de l'amorçage et du dosage de l'action catalytique. Ce problème étant posé, la demanderesse s'est également penchée sur la question de savoir si la solution de ce problèmene pourrait pas a priori également augmenter la durée de vie des générateurs à pompage électrique à haute fréquence, par limitation de la dégradation du gaz laser. Et c'est ainsi qu'elle propose la solution de l'invention. La présente invention concerne donc un générateur laser comprenant une cavité résonante remplie d'un gaz laser, des moyens d'excitation, ou de pompage, électrique pour provoquer une décharge laser dans le gaz de la cavité, et des moyens de catalyse pour empêcher la dégradation du gaz laser, caractérisé par le fait qu'il est prévu au moins une cavité secondaire, dans laquelle sont disposés les moyens de catalyse, et communiquant avec la cavité principale. Dans une première forme de réalisation du générateur de l'invention, les moyens d'excitation comprennent deux électrodes à haute tension continue plongeant dans la cavité principale et les moyens de catalyse comprennent une électrode active plongeant dans la cavité secondaire et coopérant électriquement avec l'électrode de la cavité principale de polarité opposée. Tout en assurant son rôle de catalyse pour le gaz laser, l'électrode active ne produit qu'une pollution limitée à la seule cavité secondaire et qui n'atteint pas le gaz de la cavité principale. En outre, en ne soumettant l'électrode active qu'à une faible partie de la tension appliqué entre les électrodes de la cavité principale, cette électrode active ne produira qu'une faible pollution et ne s'usera pratiquement pas. Comme l'ionisation du gaz laser est provoquée par cette électrode active plus proche de l'électrode principale de polarité opposée aue ltélectrode principale de même polarité la s'abaisseet et tension dlamorçage/devient indépendante de l'oxydation de l'électrode principale de même polarité. De préférence, l'électrode active est une cathode plus proche de l'anode que de la cathode de la cavité principale et celles-ci sont réalisées à partir de matériaux non polluants, par exemple des métaux réfractaires. Dans une deuxième forme de réalisation du générateur de l'invention, la cavité secondaire comporte des moyens d'ext; tation électrique séparés de ceux de la cavité principale, les moyens d'excitation des cavités principale et secondaire comprennent des électrodes à haute fréquence, et les moyens de catalyse sont isolés des moyens d'excitation des cavités principale et secondaire. Ainsi, l'action de catalyse est assurée sans que l'é- ventuelle pollution qui pourrait l'accompagner ne puisse atteindre la partie de la cavité principale dans laquelle se développe l'effet laser. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de deux formes de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la fig. 1 représente le schéma électrique d'un générateur b excitation à haute tension continue conforme à l'invention, et - la fig. 2 représente le schéma électrique d'un générateur à excitation à haute fréquence conforme h 1'inventkx; Le générateur laser, représenté schématiquement sur la fig. 1, comporte une enveloppe extérieure 1, fermée à ses deux extrémités par deux miroirs 2 et 3, et formant une pre- mière cavité résonante 4, dite principale, contenant un gaz actif. Les miroirs 2 et 3, plans sur la fig. 1, pourraient également, sans sortir du cadre de la présente invention, outre par exemple sphériques. L'un 2 des deux miroirs est une lame semi-transparente de sertie du faisceau lasers La cavité 4 pourrait encore être fermée par deux lames transparentes, des miroirs étant placés 'a.l'extérieur de la cavité. Le milieu gazeux utilisé est constitué, dans l'exemple considéré, par du gaz carbonique (cl2), en fait mélangé à de l'azote et de l'hélium. Mais l'inventiôn n'exclut pas d'autres milieux gazeux, considérés individuellement ou en combinaison. Le générateur considéré utilise le pompage électrique et comporte donc une source d'alimentation, en l'occurence une source haute tension continue 5, et deux électrodes 6 7 plongeant dans la cavité 4, à proximité des deux miroirs 2 et 3 reseectivement. entre lesquelles est créee une décharge electridue. . - - La cathode 6 est reliée au pôle de polarité négative de stabilisation -de la-source 5, par une resistance chutrice/8 et l'anode 7 au pôle de polarité positive. Le générateur a été décrit jusqu'ici par ses seules caractéristiques connues. Les électrodes 6, 7 sont réalisées à partir d'un matériau réfractaire non polluant, à très faible taux d'évaporation. I1 peut s'agir, notamment, de tantale, de titane. De préférence, la cathode 6 est creuse, pour ré- duire au maximum l'évaporation. Le générateur de la figure 1 comporte en outre, une deuxième enveloppe 10, formant une extension de la cavité principale 4, ou cavité secondaire 9, communiquant avec la cavité principale 4, par la zone de jonction des enveloppes 1, 10, plus proche de l'anode 7 que de la cathode 6. Une électrode secondaire active 11, en l'occurence une cathode, plonge dans la cavité secondaire 9 et est reliée au pale de polarité négative de la source 5 par une résis-tance chutrice 12 qui lui est propre. La cathode Il doit assurer une fonction de catalyse échelonnée dans le temps et est réalisée à partir d'un matériau chimiquement actif dont le pouvoir catalytique résultera de la pulvérisation sur la paroi interne de l'enveloppe 10. I1 peut s'agir de platine, d'un eutectique arqent-cuivre préalablement traité à chaud en atmosphère oxydante, par exemple. ~ Un filtre 13 perméable au gaz laser, est disposé a la jonction des enveloppes 1 10 et sépare les cavités principale 4 et secondaire 9; il est destiné à arreter l'éventuelle migration de la pollution produite par la cathode 11, tout en préservant la communication entre les cavités 4, 9, pourle gaz laser. il peut s'agir d'une plaquette en verre fritté. De préférence, la résistance chutrice de la cathode secondaire 11 est un composant électronique actif permettant de doser son action catalytique. Il peut s'agir d'un tran sistor à effet de champ, dont l'électrode de commande est contrôlée par le faisceau laser qui se développe dans la cavité principale 1, par l'intermédiaire d'un senseur optique 14, disposé en face du miroir 2 de sortie du faisceau laser. Ce circuit, ou cette boucle de régulation, dans lequel sont donc insérés la cathode active 11 et le faisceau laser de la cavité principale, a été illustré sur la figure 1 en partie par une flèche reliée au senseur 14 et traversant la résistance chutrice 12. On pourrait d'ailleurs concevoir d'autres systèmes de régulation, et même une régulation manuelle. Lors de la mise sous tension, la cathode secondaire 11 étant plus proche de l'anode principale 7, avec laquelle elle coopère électriquement par la source 5, que la cathode principale 6, l'amorçage se produit entre l'anode 7 et la cathode secondaire 11. I1 en résulte un courant qui engendre une ionisation du gaz contenu dans la cavité principale 4 et donc l'amorçage entre les deux électrodes 6, 7 de la cavité principale. La répartition des courants entre les deux circuits 6, 7 et 11, 7 dépend des valeurs des deux résistances chutrices 8, 12. De préférence, la valeur de la résistance 12 estbeaucrn plus grande, on vingt fois, que celle de la résistance 8. Ainsi, la cathode secondaire 11 n'est soumise qu'à une faible partie de la tension de la source 5 appliquée entre les électrodes principales 6, 7. Le courant circulant dans la cathode 11 étant négligeable, elle ne s 'usera pratiquement pas et elle ne produira qu'une faible pollution. Celle-ci restera de toutes façons limitée à la seule cavité 9 et n'atteindra pas le gaz de la cavité principale 4. Le filtre 13 l'en empêcherait définitivement. En outre, comme l'ionisation du gaz de la cavité principale 4 est engendrée par la cathode secondaire 11 la abai: tension d'amorçage entre les électrodes principales 6, 7est/ et indépendante de l'oxydation de la cathode principale 6. Bien entendu, on a décrit un générateur laser à cathode secondaire active. Mais l'invention n'exclut pas duti- liser une anode secondaire active, qui serait alors disposée plus près de la cathode que de l'anode de la cavité principale Par ailleurs, pour obtenir une action catalytique, ou oxydante, encore plusefficace,on peut prévoir plusieurs electrodes actives secondaires. Le générateur laser, représenté schématiquement sur la figure 2, comporte une enveloppe extérieure 21, fermée à ses deux extrémités par deux miroirs 22, 23, et formant une première cavité résonante 24, dite principale, contenant un gaz actif. Tout comme dans le générateur de la figure 1, les miroirs 22. 23 peuvent être plans, comme dans l'exemple re- ou encore remplacés par des fenêtres présenté, ou spbériques,.L'un des deux, le miroir 22,- est semi-transparent pour la sortie du faisceau laser. Le milieu gazeux est le meme que celui utilisé dans le générateur de la figure 1. Le générateur de la figure 2 utilise aussi le pompage électrique, mais la source 25 est une source à haute fréquence, et de préférence à radiofréquence. De façon préférée, on procède par excitation transverse, en créant un champ électrique alternatif perpendiculaire à l'axe du générateur. On pourrait aussi procéder par excitation longitudin;le. Deux électrodes 26, 27 sont reliées respectivement aux deux bornes de la source 25. Elles sont disposées sur la paroi externe de l'enveloppe 21 et s'étendent sur pratiquement toute la longueur de l'enveloppe. Le générateur à pompage à haute fréquence a été décrit jusqu'ici par ses seules caractéristiques connues. Le générateur de la figure 2 comporte en outre une deuxième enveloppe 30, formant une extension de la cavité principale 24, ou cavité secondaire 29, communiquant avec la cavité principale 24, par un passage 31 raccordé à l'enve- loppe principale dans une zone 32. Deux autres électrodes 33, 34 sont disposées sur l'en- veloppe secondaire 30, à la manière des électrodes principales 26, 27 sur l'enveloppe principale 21. Elles sont reliées respectivement aux deux bornes de la source 25, dont l'une, 34, par une résistance chutrice 35. Dans la cavité secondaire 29 est placé un barreau 36 en matériau à effet catalytique quand il est soumis au bombardement électronique et ionique du gaz laser. I1 y est fixé de n'importe quelle façon appropriée et connue. Il est de préférence isolé, mais peut éventuellement être relié électriquement à l'une des électrodes secondaires 33 ou 34. Il est de même nature que l'électrode active secondaire du générateur à haute tension continue. sUn filtre 43 est disposé près de la zone 32 dans le passage 31 tout comme dans le générateur précédent; il est destiné à arrêter l'éventuelle migration de la pollution produite par le barreau 36, tout en préservant la communication entre les cavités 24 et 29, pour le gaz laser. Comme dans le générateur à haute tension continue de la fig. 1, l'action catalytique du barreau 36 peut être dosée par un transistor à effet de champ 35 conté par un senseur 372 ou tout autre système équivalent, contrôlant l'énergie haute fréquence à laquelle est soumise la cavité secondaire 29. Ici aussi, le barreau de catalyse 36 est inséré dans une boucle de régulation comprenant le faisceau laser de la cavité principale 24. Tout comme dans le générateur de la fige 1, le barreau 36 exerce son action catalytique sans que la pollution qu'il pourrait engendrer ne parvienne dans la cavité réso nante principale 24. Plusieurs cavités secondaires pour- raient ici aussi être prévues. On notera que dans une géométrie particulière du gené- rateur décrit en référence à la fig. 2, les deux électrodes 27 et 34 pourraient nten faire qu'une. Revendications. 1.- Générateur laser comprenant une cavité résonante (4 ; 24) remplie d'un gaz laser, des moyens d'excitation électrique (5, 6, 7 ; 25, 26, 27) pour provoquer une décharge laser dans le gaz de la cavité (4 ; 24), et des moyens de catalyse pour empêcher la dégradation du gaz laser, caractérisé par le fait qu'il est prévu au moins une cavité secondaire (9 ; 29), dans laquelle sont disposés les moyens de catalyse (11 ; 36), et communiquant avec la cavité principale (4 ; 24). 2.- Générateur laser selon la revendication 1, dans le-quel les moyens d'excitation comprennent deux électrodes (6, 7) à haute tension continue plongeant dans la cavité principale (4) et les moyens de catalyse comprennent une électrode active (11) plongeant dans la cavité secondaire (9) et coopérant électriquement avec l'électrode (7) de la cavité principale (4) de polarité opposée. 3.- Générateur laser selon la revendication 2, dans lequel l'électrode active (11) est plus proche de l'électrode (7) de la cavité principale (4) de polarité opposée que l'électrode (6) de même polarité. 4.- Générateur laser selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel l'électrode active (11) est une cathode. 5.- Générateur laser selon la revendication 1, dans lequel la cavité secondaire (29) comporte des moyens d'excitation électrique (33, 34) séparés de ceux (26, 27) de la cavité principale (24), les moyens d'excitation des cavités principale (24) et secondaire (29) comprennent des électrodes à haute fréquence (26, 27 ; 33, 34), et les moyens de catalyse (36) sont isolés électriquement des moyens d'excitation (26, 27 ; 33, 34) des cavités principale (24) et secondaire (29). 6.- Générateur laser selon la revendication 1, dans lequel la cavité secondaire (29) comporte des moyens d'excitation électrique (33, 34) séparés de ceux (26, 27) de la cavité principale (24), les moyens d'excitation des cavités principale (24) et secondaire (29) comprennent des électro des à haute fréquence (26, 27 ; 33, 34), et les moyens de catalyse (36) sont reliés électriquement à l'un des moyens d'excitation (33, 34) de la cavité secondaire (29). 7.- Générateur laser selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens de catalyse (11; 36) sont insérés dans une boucle de régulation comprenant le faisceau laser de la cavité principale (4; 24). 8.- Générateur laser selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la cavité principale (4 ; 24) et la cavité secondaire (9 ; 29) sont séparées par un filtre (13 ; 43) perméable au gaz laser. 9.- Générateur laser selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel il est prévu plusieurs cavités secondaires.