Brevet FR2559966A1 — publié le 19850823

La présente invention concerne des lasers à guide d'ondes et en particulier la construction d'un laser à guide d'ondes à excitation transversale. On connaît dans l'art antérieur des lasers à guide d'ondes dans lesquels l'effet laser se produit à l'inté- rieur d'une cavité dont les dimensions sont faibles et liées aux caractéristiques du rayonnement produit. La ca- vité a souvent une section transversale rectangulaire. L'effet laser est produit par une décharge électrique dans le gaz qui remplit le guide d'ondes. Dans les dis- positifs ci-dessus, il est courant que la décharge soit orientée dans la direction de la longueur du guide d'ondes et se produise entre des électrodes placées aux extrémités opposées du guide d'ondes. Plus récemment, une excitation transversale du gaz a été employée en plaçant les électrodes sur des côtés opposés de la cavité. Ceci rapproche les électrodes l'une de l'autre et facilite l'amorçage de la décharge, l'excitation transversale permettant aussi de soumettre le gaz à des pression plus élevées, ce qui entraîne des avantages supplémentaires. Le brevet britannique No. 1 452 156 concerne un laser à guide d'ondes à excitation transversale dans lequel la cavité est constituée de deux blocs face à face construits en un métal tel que du cuivre, et séparés par deux blocs en matériau isolant tel que de l'oxyde de béryllium ou du quartz fondu. Le laser décrit dans ce brevet est excité par des impulsions dont la fréquence de répétition est de Hz, bien que d'autres sources décrivent un laser de construction semblable mais excité par des impulsions dont la fréquence de répétition est de 40 kHz. Le brevet Européen No. 3.280 concerne un laser guide d'ondes à excitation transversale de construction semblable. Pour résoudre les problèmes posés par une excitation pulsée, une excitation par courant alternatif est employée. Cependant, pour éviter l'interaction entre les électrodes d'excitation qui constituent deux parois opposées du guide d'ondes et les électrons de la décharge, il est nécessaire de choisir une fréquence d'excitation liée aux dimensions du guide d'ondes de façon que l'inter- action ci-dessus ne puisse pas se produire. Ceci impose à la fréquence d'excitation des limitations importantes qui sont quelquefois indésirables. En outre, la présence d'électrodes métalliques à l'intérieur de la cavité peut entrainer une dégradation chimique du milieu gazeux actif. Un objet de l'invention consiste à proposer un laser à guide d'ondes à excitation transversale de construction simple, qui évite les inconvénients mentionnés ci-dessus. Selon l'invention, il est proposé un laser à guide d'ondes à excitation transversale qui comprend un premier bloc en matériau électriquement isolant sur une face duquel sont formées trois fentes parallèles allongées, une couche de matériau électriquement conducteur recouvrant au moins une face de chacune des deux fentes extérieures pour former une électrode, un conducteur électrique relié à chacune de ces couches conductrices, et un second bloc en matériau électriquement isolant relié au premier bloc de façon à fermer au moins la fente située au centre des fentes ainsi formées, la fente centrale une fois fermée ayant des dimensions qui lui permettent de cons- tituer une cavité laser capable de soutenir l'action du laser à guide d'ondes. On va maintenant décrire l'invention en se référant aux dessins annexes dans lesquels: la figure 1 est une vue isométrique éclatée du premier et du second blocs du laser selon un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un laser selon le premier mode de réalisation; la figure 3 est une vue en coupe longitudinale du laser de la figure 2; la figure 4 représente un diagramme schématique de circuit; la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'un laser selon le second mode de réalisation; la figure 6 est une vue en coupe transversale d'une autre forme de laser; la figure 7 est une vue en coupe transversale d'une troisième forme de laser; et les figures 8 et 9 représentent d'autres formes de laser. En se référant maintenant à la figure 1, on voit que le laser à guide d'ondes à excitation transversale est construit à partir de deux blocs en matériau isolant convenable tel que de l'alumine (A1203) ou l'oxyde de béryllium (BeO). Le premier bloc 1 a de préférence une section rectangulaire comme représenté, la longueur de ce bloc étant déterminée par les caractéristiques du laser lui-même. Sur une surface plane 2 sont formées trois fentes 3, 4 et 5. La fente centrale 3 est le guide d'ondes réel dans lequel se produit l'effet laser, la forme en coupe transversale et les dimensions étant en outre déterminées par les caractéristiques du laser. A titre d'exemple uniquement, une fente à section carrée de 2 mm de côté permet d'obtenir un effet laser sur une longueur d'onde de 10,6 microns. De chaque côté de la fente centrale 3 sont formées d'autres fentes 4 et 5 parallèles à la fente centrale 3 et à proximité de cette dernière. Les fentes 4 et 5 auront habituellement, bien que cela ne soit pas nécessaire, la même profondeur que la fente centrale 3, mais elles pourront être plus étroites et avoir n'importe quelle forme appropriée. Le second bloc 6 est un couvercle qui se place sur la face 2 du bloc dans lequel sont formées les fentes 3, 4 et 5. La face 2 et une surface du couvercle ont le même profil, de préférence plat, afin que le couvercle 6 puisse être fixé sur le bloc 1 de façon à fermer les trois fentes du bloc 1. La figure 2 est une vue en coupe transversale du bloc 2 et du couvercle 6 assemblés. Les fentes 4 et 5 contien- nent de minces couches métalliques 7, formées au moins sur la surface des fentes la plus proche de la fente centrale 3. Les couches métalliques peuvent être en cuivre, et obtenues par dépôt sans électrode, auquel cas, elles recouvrent sans doute les côtés et le fond des fentes, et elles sont formées avant que le couvercle 6 soit mis en place. Une connexion électrique est établie avec chacune des couches conductrices 7, de préférence par une tige 8 introduite dans un trou du bloc 1 et fixée à la couche métallique 7. Les connexions électriques peuvent être réalisées par d'autres procédés. L'ensemble qui vient d'être décrit constitue un laser auquel il manque un gaz basse pression remplissant la fente centrale 3 et les éléments optiques nécessaires pour définir la cavité optique du laser. La figure 3 est une coupe longitudinale d'une construction possible d'un laser complet. Deux miroirs 9et 10 sont fixes à l'ensemble constitué par le bloc 1 et le couvercle 6 de façon à fermer la fente centrale 3. Un premier miroir est complètement réfléchissant tandis que l'autre est légèrement transparent de façon à former un faisceau délivré par le laser. Avant et après la fixation des miroirs en place, le gaz nécessaire est introduit dans la fente centrale 3 qui est la cavité du laser à guide d'ondes. Le gaz peut être un mélange de CO2, Ne et He. Le laser est excité convenablement par une tension alternative comprise, disons, entre 500 et 1000 volts et dont la fréquence est de l'ordre de 80 MHz, la tension étant appliquée aux deux tiges 8. En pratique, il est possible d'utiliser une large gamme de fréquences d'excitation. La figure 4 représente un montage de circuit possible pour l'excitation du laser. Un générateur à fréquence radio 22 délivre une tension sous la fréquence d'excitation nécessaire, et est connecté à travers un réseau d'adaptation convenable 11 aux électrodes du laser 12. Le réseau d'adaptation représenté comprend un condensateur série 13 qui peut être variable et une inductance-shunt 14. Le champ transversal résultant dans le gaz établit une dé- charge à fréquence radio qui produit l'effet laser. Puisque les électrodes qui produisent la décharge dans le gaz sont isolées de la décharge dans la fente centrale, par les pa- rois intercalaires en matériau isolant, il n'est pas possible que les ions ou électrons de la décharge frappent les couches conductrices 7. Ceci évite les problèmes qui sont liés aux lasers dans lesquels les électrodes sont soumises à la décharge. En particulier, les deux parois en céramique entre les électrodes 7 et la décharge dans le gaz agissent comme condensateurs de charge et aboutissent à une décharge régulière et stable dans le gaz. Il est possible d'utiliser d'autres circuits d'adapta- tion. L'ensemble représenté sur la figure 3 présente nette- ment certains inconvénients. Le principal inconvient est dû au fait que les miroirs 9 et 10 ne peuvent pas être réglés puisqu'ils ferment également la cavité laser qui contient le gaz sous une pression inférieure à la pression atmosphérique. La figure 5 représente schématiquement un autre montage utilisant le même sous-ensemble comprenant le bloc 1 et le couvercle 6. Dans ce mode de réalisation, un vase sous pression 20 entoure le sous-ensemble laser qui est solidement fixé à l'intérieur de ce vase. Les miroirs 9 et 10 sont montés sur le vase sous pression 20 et peuvent être montés de façon à permettre un réglage. Le gaz ou le mélange de gaz laser est introduit dans le vase 20 et il remplit les trois fentes du bloc. Les connexions électriques 8 sortent à travers la paroi du vase sous pression 20 et l'effet laser se produit comme précédemment. Les procédés pratiques de fixation de l'ensemble du bloc à l'intérieur du vase sous pression ne sont pas présentés. Différentes modifications peuvent être apportées à l'ensemble du bloc des figures 1 et 2. Puisque seule la fente centrale 3 a besoin d'une quatrième surface dimen- sionnée avec précision, le couvercle 6 peut être plus étroit que le bloc 1 de façon à couvrir uniquement la fente centrale 3 en laissant les fentes 4 et 5 ouvertes. Ceci est illustré dans la figure 6. Ceci est fonction de la possibilité de réaliser une fixation convenable entre le couvercle et le bloc. Les lasers quel qu'en soit le type génèrent une quantité considérable de chaleur. Par exemple un laser ayant une sortie de 10 watts peut dissiper 100 watts sous forme de chaleur et il peut être nécessaire d'éliminer cette chaleur du laser. La figure 7 indique comment ceci peut se faire en formant des fentes extérieures 21 dans le bloc 1, ces fentes étant fermées par le couvercle 6. Ces fentes extérieures peuvent servir à la circulation d'un réfrigérant fluide qui élimine du sous-ensemble la chaleur indésirable. La construction du laser simple qui a été décrite ci-dessus se prête à d'autres montages. Des lasers à plusieurs orifices peuvent être envisagés, soit pour former deux faisceaux distincts, soit pour constituer des lasers repliés. Les figures 8 et 9 représentent deux montages de ce type formés à partir d'un seul bloc en céramique. En se référant maintenant à la figure 8, on voit que cinq fentes sont formées dans le bloc et que deux d'entre elles, 81 et 82, forment deux cavités de laser à guide d'ondes. La fente centrale 83 a une couche métallique 7 qui est formée sur ses deux côtés afin de constituer une électrode commune à chaque laser. Les fentes extérieures 84 et 85 sont toutes deux recouvertes d'une couche métallique 7 au moins d'un coté pour constituer la seconde électrode de chaque laser. A part l'électrode centrale commune, les deux guides d'ondes peuvent être considérés comme des lasers distincts, et peuvent être excités, soit en parallèle à partir du même générateur 86, soit à partir de générateurs distincts. Le couvercle 6 est prévu comme précédemment. La figure 9 représente un autre montage à plusieurs alésages dans lequel deux jeux de trois fentes sont formés sur les surfaces opposées du bloc 1. Les ensembles d'électrodes complètement distinctes et les couvercles séparés sont prévus. Là encore, chaque laser peut être excité à partir du même générateur ou à partir d'un géné- rateur distinct 91 et 92, avec fonctionnement possible sur des fréquences différentes. Il est évident que le bloc 1 et le couvercle 6 n'ont pas besoin d'avoir une section transversale rectangulaire, bien que ce soit sans doute la forme la plus économique à réaliser à partir de matériaux isolants qui se prêtent à cette application. Les fentes nécessaires peuvent être moulées dans le bloc au moment o il est formé ou peuvent être usinées ultérieurement. REVENDICATIONS 1. Laser à guide d'ondes à excitation transversale caractérisé par le fait qu'il comprend un premier bloc (1) en matériau électriquement isolant sur une face duquel sont formées trois fentes parallèles allongées (3-5), une couche (7) de matériau électriquement conducteur recouvrant au moins une face de chacune des deux fentes extérieures (4, ) pour former une électrode, un conducteur électrique (8) relié à chacune de ces couches conductrices, et un second bloc (6) enomatériau électriquement isolant fixé au premier bloc (1) afin de fermer au moins la fente centrale (3) parmi les fentes formées, cette fente centrale (3), une fois formée, ayant des dimensions qui lui permettent de constituer une cavité laser dans laquelle se produit l'effet du laser à guide d'ondes. 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chacune des trois fentes (3-5) a une section transversale rectangulaire. 3. Laser selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que chacune des couches en matériau électriquement conducteur est formée par un dépôt sans électrode. 4. Laser selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le second bloc (6) en matériau électriquement isolant recouvre sensiblement la surface totale du premier bloc (1) dans lequel les fentes (3-5) sont formées. 5. Laser selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le second bloc (6) en matériau électriquement isolant ne recouvre que la fente centrale (3). 6. Laser selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le premier et le second blocs ont un miroir (9, 10) fixé à chaque extrémité pour fermer au moins la fente centrale. 7. Laser selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'un milieu gazeux actif est contenu dans la cavité laser (3). 8. Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le premier et le second blocs sont situés dans une enceinte fermée (20) portant une paire de miroirs (9, 10). 9. Laser selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'un milieu gazeux actif est contenu dans cette enceinte (20). 10. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que d'autres fentes (21) sont formées dans le premier bloc pour faire circuler un fluide de refroidissement. 11. Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que le milieu gazeux actif est un mélange de gaz carbonique, d'hélium et d'azote. 12. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un circuit d'excitation constitué par un générateur à fréquence radio (22) et un circuit d'adaptation (13, 14) reliant la sortie du générateur aux deux électrodes du laser. 13. Laser selon la revendication 11, caractérisé par le fait que le matériau électriquement isolant placé entre chaque électrode et la cavité laser (3) constitue un conden- sateur de charge. 14. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que deux jeux de fentes sont formées dans le premier bloc (1) de façon à constituer deux cavités (81, 82) distinctes de laser à guides d'ondes. 15.Laser selon la revendication 14, caractérisé par le fait que l'un des deux jeux de fentes contient une électrode (83) qui est commune aux deux cavités laser. 16. Laser selon l'une des revendications 14 ou 15, caractérisé par le fait qu'il comprend un circuit d'excita- tion comprenant un seul générateur à fréquence radio (86) relié par l'intermédiaire d'un circuit d'adaptation aux deux jeux d'électrodes. 17. Laser selon l'une quelconque des revendications 14 ou 15, caractérisé par le fait qu'il comprend deux générateurs à fréquence radio (91, 92) connectés chacun à travers un circuit d'adaptation à un des deux jeux d'élec- trodes. 18. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que le laser est excité par l'application auxdites électrodes d'une tension alternative ayant une fréquence de l'ordre de 80 MHz.