Brevet FR2554983A1 — publié le 19850517

Cathode creuse pour laser à gaz et laser en faisant application La présente invention concerne une cathode creuse pour laser à gaz et un laser en faisant application. De manière générale, on peut classer les lasers selon deux types de configuration : les lasers de type " à colonne positive" et les lasers à cathode creuse qui utilisent la partie cathodique de la décharge. Ces derniers ont l'avantage de permettre l'excitation des ions à basse pression (300 volts par exemple) et de délivrer une décharge relativement stable à courant élevé (quelques dizaines d'ampères). On connatt des cathodes creuses en forme de cylindre métallique plein présentant une fente longitudinale le long d'une génératrice, ou encore en forme de cylindre métallique creux perforé. Cette cathode est située avec une anode dans une enceinte longitudinale contenant l'élément laser et fermée à ses extrémités par des fenêtres à transmission optique. L'anode et la cathode sont disposées en regard l'une de l'autre de manière à créer une décharge transversale dans un gaz et une émission laser suivant une direction parallèle à l'axe longitudinal de la cathode et de l'enceinte. Des miroirs laser alignés coaxialement avec les fenêtres de l'enceinte ferment la cavité laser. On a constaté que les cathodes creuses précitées ne permettaient pas d'obtenir une stabilité et une homogénéité suffisantes pour la décharge. On sait par ailleurs que les gaz donnant lieu à l'effet laser sont ionisés et excités, soit par transfert de charge à partir des ions de gaz rare, soit par effet Penning à partir des états métastables du gaz rare. Pour obtenir une décharge homogène sur une longueur notable (par exemple 60 cm à 1 mètre), et pour éviter les instabilités qui apparaissent en particulier pour des pressions de gaz de l'ordre de 20 à 40 millibars, on s'est rendu compte qu'il était nécessaire de refroidir efficacement la cathode. L'article J. Phys. E : Sci. Instrum. Vol 6, 1983 pages 122, 123, divulgue une structure de cathode creuse associée à un système de refroidissement. Il s'agit d'un tube de cuivre, enroulé en hélice, et susceptible d'être parcouru par une circulation d'eau. Dans le laser, l'hélice est entourée d'une anode cylindrique et les axes de symétrie de l'hélice et de l'anode sont confondus. Mais cette cathode présente l'inconvénient d'être difficile à réaliser lorsque l'on souhaite des lasers de grande longueur : on se heurte à un problème d'aplatissement ou d'irrégularités du tube. En outre, un refroidissement efficace sur une grande longueur ne peut être obtenu ; il est nécessaire de mettre en oeuvre plusieurs hélices juxtaposées, alimentées en eau séparément. La présente invention a pour but de réaliser une cathode creuse pour laser de grande longueur permettant d'éviter les inconvénients précédents et d'obtenir la stabilité de la décharge, un rendement satisfaisant et une bonne fiabilité du laser. La présente invention a également pour but de réaliser, grâce à la cathode creuse précitée, un laser à gaz de grande longueur, particulièrement simple et compact. La présente invention a pour objet une cathode creuse pour laser à gaz comportant une pluralité de tubes parallèles entre eux, destinés à être parcourus par un fluide de refroidissement et constitués au moins superficiellement par un métal ou un alliage difficile à pulvériser, par exemple le molybdène ou l'acier inoxydable. Selon un mode de réalisation avantageux les tubes sont arrangés régulièrement autour d'un axe, dit "axe de propagation du faisceau laser". Les extrémités des tubes sont fixées de préférence par brasage dans deux supports métalliques percés suivant les axes des tubes et ledit axe de propagation. Il est prévu que la brasure ne déborde pas sur les tubes. Lorsque les tubes sont d'une longueur importante, on prévoit de place en place des bagues de renforcement pouvant être soudées sur les tubes. L'invention a également pour objet un laser à gaz, remarquable notamment par le fait qu'il comporte, dans une enceinte remplie d'un gaz rare choisi par exemple parmi l'argon, l'hélium, le néon, une anode reliée à la terre, une cathode creuse alimentée négativement, disposée parallèlement à ladite anode et comportant une pluralité de tubes parallèles entre eux, constitués au moins superficiellement par un métal ou un alliage difficile à pulvériser par exemple le molybdène ou l'acier inoxydable, et reliés intérieurement à un dispositif de circulation d'un fluide de refroidissement ; lesdits tubes déterminent un axe de propagation du faisceau laser qui leur est parallèle et sur le trajet duquel sont disposées deux fenêtres de transmission optique fermant ladite enceinte et deux miroirs coaxiaux extrêmes fermant la cavité laser. De préférence lesdits tubes sont identiques et régulièrement répartis autour dudit axe de propagation. Selon un mode de réalisation avantageux, les extrémités desdits tubes sont brasées respectivement dans deux supports métalliques percés suivant les axes desdits tubes et ledit aXe de propagation ; lesdits supports sont reliés de manière étanche pour les gaz et le fluide de refroidissement à deux flasques extrêmes isolantes percées suivant ledit axe de propagation et connectées audit dispositif de circulation du fluide de refroidissement ; lesdites flasques isolantes constituent des supports pour lesdites fenêtres de transmission optique. L'anode peut présenter diverses formes ; elle peut être constituée d'une ou plusieurs tiges métalliques parallèles auxdits tubes. Elle peut également avoir la forme d'une portion de cylindre métallique, ou d'un tube métallique entourant ladite cathode creuse et ayant même axe que l'axe de propagation. Dans ce dernier cas, l'anode forme avantageusement la paroi latérale de l'enceinte du laser et elle peut être refroidie extérieurement par un serpentin parcouru par un fluide de refroidissement. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront au cours de la description suivante d'un mode de réalisation, qui sera faite à l'aide du dessin annexé donné à titre illustratif mais nullement limitatif et dans lequel - la figure 1 est une vue partielle très schématique en coupe axiale d'un laser muni d'une cathode selon l'invention, - la figure 2 est une vue partielle schématique en coupe transversale du laser de la figure 1. Une anode 1 constituée par un tube métallique -d'axe 11, relié électriquement à la masse, forme la paroi latérale de l'enceinte du laser. Cette enceinte de diamètre intérieur égal à 28 mm est refroidie par un serpentin d'eau extérieur 10. La cathode est constituée par plusieurs tubes métalliques disposés régulièrement autour de l'axe 11. Ainsi, on a mis en oeuvre cinq tubes 2, 3, 4, 5, 6 de diamètre extérieur égal à 5 mm et de diamètre intérieur égal à 3 mm. Leur arrangement est tel qutils définissent un axe de propagation du faisceau laser confondu avec l'axe 11 ; le diamètre du faisceau prévu est sensiblement égal à 8 mm. La longueur de la cathode peut atteindre 1 mètre. Le matériau des tubes est en molybdène. La longueur des tubes pouvant atteindre 60 cm à 1 m, il est préférable de disposer de place en place des bagues métalliques 20 de soutien. Ces bagues, qui présentent une largeur de 10 mm et une épaisseur de 7 mm environ et sont soudées aux tubes, n'ont aucune influence néfaste sur la décharge. Une pièce d'extrémité métallique 30, percée suivant l'axe 11 et les axes des tubes 2 à 6, leur sert de support terminal. Ainsi on voit sur la figure 1 les extrémités 23 et 26 des tubes 3 et -6 brasées dans des ouvertures de la pièce 30. Cette dernière est isolée électriquement de l'anode 1 reliée à la terre, par-des manchons isolants 31. La pièce 30- est fixée de manière étanche à une flasque isolante 32 percée suivant l'axe 11 et définissant une chambre annulaire 33 reliée au circuit 34 d'alimentation en fluide de refroidissement des tubes de la cathode. Un dépôt métallique 36 relié à la masse électrique assurera la protection des miroirs 11 par effet de cataphorèse. La flasque 32 sert avantageusement de support à une fenêtre de transmission optique 35 fermant l'enceinte du laser. La cavité laser est fermée d'une manière connue en soi par deux miroirs d'axe 11. Selon un mode de réalisation non illustré, les fenêtres peuvent être choisies de manière à constituer les miroirs eux-mêmes. Cette enceinte contient un ou plusieurs gaz neutres tels que l'argon, l'hélium, le néon, sous une pression comprise entre 5 millibars et 40 millibars. La tension appliquée à la cathode peut être de l'ordre de 1 KV. Les densités linéaires de courant atteintes sont de l'ordre de 30 A/10 cm. A titre d'exemple, on a utilisé dans un mélange hélium-krypton sous des pressions respectives de 15 millibars et 0,05 millibar une cathode creuse en molybdène de 60 cm de long selon l'invention, avec un diamètre intérieur de 8 mm environ. La tension appliquée était de 600 volts environ et l'on a obtenu pour une longueur d'onde Ni: = 469 nm une puissance continue supérieure à 30 milliwatts. Une expérience identique a été menée en remplaçant la cathode creuse de l'invention par une cathode de l'art antérieur de même longueur active et présentant une fente (2 mm x 6 mm) ; la puissance obtenue a été divisée par un facteur 2,5. La structure de la cathode creusé selon l'invention présente l'avantage d'une grande facilité de réalisation et peut être refroidie très efficacement. C'est pourquoi on observe de meilleures performances du laser liées à la stabilité de la décharge même avec des diamètres de faisceau de l'ordre de 8 mm, jamais obtenus jusqu'à présent. La structure selon l'invention, comme la cathode creuse en hélice décrite plus haut, permet de mettre en oeuvre des tension de décharge plus élevées que celles appliquées aux autres cathodes creuses de l'art antérieur (de l'ordre de 300 V). Ceci permet d'obtenir une plus grande énergie d'excitation. Vis-à-vis de la cathode creuse en hélice, la cathode creuse selon l'invention présente l'avantage de conserver les performances en stabilité et homogénéité de décharge, même pour de grandes longueurs. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. On pourra, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer tout moyen par un moyen équivalent. REVENDICATIONS 1/ Cathode creuse pour laser à gaz, caractérisée par le fait qu'elle comporte une pluralité de tubes parallèles entre eux, destinés à être parcourus par un fluide de refroidissement et constitués au moins superficiellement par un métal ou un alliage difficile à pulvériser. 2/ Cathode creuse selon la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdits tubes sont arrangés régulièrement autour d'un axe, dit naxe de propagation de laser". 3/ Cathode creuse selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les extrémités desdits tubes sont brasées sur deux supports percés suivant les axes desdits tubes et ledit axe de propagation. 4/ Cathode creuse selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisée par le fait que des bagues de renforcement sont prévues de place en place le long desdits tubes parallèles. 5/ Cathode creuse selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle est en un matériau choisi parmi le molybdène et l'acier inoxydable. 6/ Laser à gaz, caractérisé par le fait qu'il comporte, dans une enceinte remplie d'au moins un gaz rare choisi parmi l'argon, l'hélium, le néon, une anode reliée à la terre, une cathode creuse alimentée négativement, disposée parallèlement à ladite anode et comportant une pluralité de tubes parallèles entre eux, constitués au moins superficiellement par un métal difficile à pulvériser et reliés intérieurement à un dispositif de circulation d'un fluide de refroidissement, lesdits tubes déterminant un axe de propagation du faisceau laser qui leur est parallèle et sur le trajet duquel sont disposées deux fenêtres de transmission optique fermant ladite enceinte et deux miroirs coaxiaux extrêmes fermant la cavité laser. 7/ Laser selon la revendication 6, caractérisé par le fait que lesdits tubes sont identiques et régulièrement disposés autour dudit axe de propagation. 8/ Laser selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les extrémités dudit tube sont brasées respectivement dans deux supports métalliques percés suivant les axes desdits tubes et ledit axe de propagation. 9/ Laser selon la revendication 8, caractérisé par le fait que lesdits supports sont reliés de manière étanche à deux flasques extrêmes isolantes percées suivant ledit axe de propagation et connectées audit dispositif de circulation du fluide de refroidissement. 10/ Laser selon la revendication 9 caractérisé par le fait que lesdites flasques isolantes constituent des supports pour -lesdites fenêtres de transmission optique. 11/ Laser selon ltune des revendications 6 à 10, caractérisé par le fait que ladite anode est constituée par au moins une tige métallique parallèle auxdits tubes constituant ladite cathode creuse. 12/ Laser selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé par le fait que ladite anode a la forme d'une portion de cylindre métallique disposée extérieurement à ladite cathode creuse. 13/ Laser selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé par le fait que ladite anode est un tube métallique ayant même axe que la cathode et formant la paroi latérale de ladite enceinte. 14/ Laser selon la revendication 13, caractérisé par le fait que ladite anode est refroidie extérieurement par un serpentin parcouru par un fluide de refroidissement.