Brevet FR2558994A1 — publié le 19850802

Générateur laser à flux gazeux La présente invention concerne un générateur laser à flux gazeux, du type comportant - des moyens pour former une cavité optique résonnante suivant un axe, - un tube à décharge ouvert à ses deux extrémités, ce tube étant dispose suivant ledit axe à l'intérieur de la cavité, la paroi de ce tube comprenant une ouverture médiane située à égales distances des extrémités du tube, cette ouverture médiane constituant une entrée médiane de gaz, - des moyens d'injection d'un gaz actif laser dans le tube, ces moyens étant reliés à ladite entrée médiane, - des moyens d'aspiration du gaz actif injecté dans le tube, ces moyens étant reliés aux deux extrémités du tube pour faire circuler le gaz actif dans le tube, - une électrode médiane disposée en regard de ladite entrée médiane, et deux électrodes extrêmes disposées respectivement aux deux extrémités du tube à décharge, ces électrodes médiane et extrêmes étant en contact avec le gaz actif contenu dans le tube à décharge, - et un circuit d'alimentation électrique comportant une source haute tension, dont les deux bornes peuvent être reliées respectivement à l'électrode médiane et aux deux électrodes extrêmes, de façon à créer dans le tube deux décharges électriques en prolongement l'une de l'autre suivant ledit axe, ces décharges étant capables d'exciter le gaz actif et de provoquer la formation d'un rayonnement oscillant dans la cavité, celle-ci comportant des moyens pour laisser sortir une fraction de ce rayonnement afin de former un faisceau laser. Lorsqu'on relie les électrodes d'un générateur laser de ce type à la source électrique, on constate que le débit massique du gaz actif dans le tube doit être limité pour que la décharge électrique entre les électrodes reste homogène. I1 en résulte une limitation de la puissance de sortie du générateur laser. La présente invention a pour but d'augmenter le débit massique des gaz et par conséquent la puissance de sortie des générateurs-laser de ce type. La présente invention a pour objet un générateur laser à flux gazeux du type mentionné ci-dessus, caractérisé en ce que la paroi du tube comporte des ouvert.ures supplémentaires formant des entrées supplémentaires de gaz réparties le long du tube de part et d'autre de ladite entrée médiane et reliées auxdits moyens d'injection de gaz, la section totale des entrées supplémentaires situées d'un côté quelconque de l'entrée médiane, à une même distance de celle-ci, étant inférieure à la section de l'entrée médiane et étant d'autant plus faible que ladite distance est plus grande. Des formes particulières d'exécution de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure i représente en coupe longitudinale un mode de réalisation d'un tube à décharge d'un générateur laser à flux gazeux selon l'invention, - la figure 2 représente, en coupe transversale par un plan médian, un autre mode de réalisation d'un tube à décharge d'un générateur laser selon l'invention, - la figure 3 est une vue dans l'espace d'un mode de réalisation préféré d'un générateur laser à flux gazeux selon l'invention, ce générateur était représenté sans son circuit d'alimentation électrique - et la figure 4 représente schématiquement le circuit d'alimentation électrique d'un tube à décharge du générateur laser illustré par la figure 3. Sur la figure 1 est représenté un tube à décharge 1 ouvert à ses deux extrémités et disposé suivant un axe 2. Le tube 1 comporte deux parties d'égales longueurs, placées bout à bout et séparées entre elles par un intervalle 3 constituant, à travers la paroi du tube 1, une ouverture médiane cylindrique autour de l'axe 2. Une enveloppe cylindrique 4, entourant la majeure partie de la surface cylindrique extérieure du tube 1, est fixée sur les deux parties du tube de façon à les immobiliser l'une par rapport à l'autre et à former avec la paroi du tube 1 une chambre 5 d'entrée de gaz disposée coaxialement autour du tube, cette chambre étant munie d'une ouverture 6 d'entrée de gaz. Sur la surface cylindrique extérieure de chaque extrémité du tube 2 est fixée une enveloppe entourant l'extrémité du tube, cette enveloppe constituant une chambre de sortie de gaz 7.Cette chambre comporte une ouverture latérale 8 de sortie de gaz et une ouverture axiale 9 pour laisser sortir un faisceau laser suivant l'axe 2. Selon une disposition de l'invention, la partie de la paroi du tube 1 recouverte par l'enveloppe 4 comporte, de part et d'autre de l'intervalle 3, des ouvertures supplémentaires telles que 10, 11 et 12 situées respectivement dans des plans P1, P2 et P3 perpendiculaires à l'axe 2. Ces plans sont disposés, par rapport à un plan P coupant perpendiculairement l'axe 2 au milieu de la longueur du tube 1, à des distances croissantes d1, d2 et d3. Comme représenté sur la figure 1, les ouvertures supplémentaires placées dans un même plan comportent quatre percées circulaires radiales situées à 90 degrés l'une de l'autre autour de l'axe 2. La section totale des percées disposées dans un même plan à une même distance du plan P, est inférieure à la section de l'ouverture médiane constituée par l'intervalle 3 et décroit lorsque la distance d augmente. Le tube 1, l'enveloppe 4 et l'enveloppe des chambres de sortie de gaz telles que 7 peuvent être avantageusement réalisés en un verre résistant aux chocs thermiques, en quartz ou en céramique. A travers la paroi de l'enveloppe 4 est fixé, dans le plan P, un support métallique radial 13 solidaire d'un anneau métallique 14 formant une électrode médiane. Cet anneau est situé aussi suivant le plan P et est centré sur l'axe 2 de façon à entourer le tube 1 dans l'épaisseur de l'intervalle 3. Sur chaque extrémité du tube 1, est formé un dépôt métallique tel que 15, ces dépôts métalliques formant des électrodes extrêmes. Les électrodes médianes et extrêmes peuvent être réalisées par exemple en cuivre nickel ou molybdène. La figure 2 représente, en coupe transversale par un plan médian, analogue au plan P de la figure 1, un autre mode de réalisation du tube à décharge d'un générateur laser selon l'invention. Ce tube à décharge ne diffère de celui illustré par la figure 1 que par la structure de l'électrode médiane et la forme de l'ouverture médiane du tube. Sur cette figure 2, l'électrode médiane est constituée par quatre pointes métalliques radiales 16, 17, 18 et 19 dont les axes se coupent en un même point de l'axe 20 du tube 21, ce point correspondant au milieu de la longueur du tube. Les pointes sont fixées à travers la paroi de l'enveloppe 22 formant la chambre d'entrée de gaz du tube 21. Les extrémités aiguës de ces pointes sont situées respectivement dans quatre ouvertures circulaires 23, 24, 25 et 26 de la paroi du tube 1.Ces ouvertures, placées à 90 degrés l'une de l'autre autour de l'axe 20, constituent l'ouverture médiane du tube à décharge. Le tube à décharge 21 est alors réalisé d'un seul bloc, à la différence du tube 1 figure 1) qui comporte deux parties. Le tube à décharge représenté sur la figure 1 (ou celui illustré par la figure 2) peut être utilisé pour réaliser un générateur laser à flux gazeux. Pour cela, les ouvertures axiales telles que 9 des chambres de sortie de gaz 7 situées aux deux extrémités du tube sont obturées par des miroirs non représentés formant suivant l'axe 2 une cavité optique résonnante ; on fait pénétrer par l'ouverture 6 un gaz actif laser dans la chambre d'entrée de gaz 5 suivant la flèche 27, ce gaz pouvant être un mélange à basse pression d'hélium d'azote et de gaz carbonique, et on provoque une aspiration par les ouvertures telles que 8 des chambres 7, de façon à faire circuler le gaz dans le tube 1 (ou 21) ; on relie enfin l'électrode médiane 11 (ou les électrodes médianes 16-19) au pole positif d'une source électrique haute tension, tandis que les électrodes extrêmes telles que 15 sont reliées au pôle négatif de cette source. Les électrodes médianes et extrêmes sont en contact avec le gaz actif contenu dans le tube. L'application de la haute tension entre ces électrodes provoque donc la formation dans le tube de deux décharges électriques qui excitent le gaz actif et créent un rayonnement oscillant dans la cavité. Un des deux miroirs de la cavité est partiellement transparent de façon à laisser sortir une fraction de ce rayonnement, afin de former un faisceau laser. Il apparait que le générateur laser décrit ci-dessus présente un avantage important : le débit massique du gaz actif peut être réglé à une valeur maximale élevée tout en maintenant une décharge électrique homogène dans le tube. On pense que, dans le générateur laser selon l'invention, les ouvertures supplémentaires 10 à 12 provoquent des turbulences dans l'écoulement du gaz actif, ces turbulences favorisant l'excitation correcte du gaz et permettant de conserver une décharge homogène pour un débit massique de gaz beaucoup plus élevé. L'augmentation du débit massique provoque une augmentation corrélative de la puissance de sortie du laser. Bien entendu, l'homme du métier détermine, dans chaque cas particulier, les dimensions optimales des ouvertures supplémentaires du tube à décharge pour une distance donnée de l'ouverture médiane du tube. A titre indicatif, pour un tube à décharge de 20 mm de diamètre et de longueur totale 40 cm, ce tube étant parcouru par un mélange He, N2 et C 2 à une pression de l'ordre de 75 torrs, l'entrée médiane d'un tube à décharge réalisé sur le modèle de la figure 2 comporte quatre ouvertures circulaires de diamètre 5 mm ; les ouvertures supplémentaires comprennent, de chaque côté du plan transversal médian P, quatre percées circulaires de 3,5 mm de diamètre à 5 cm de ce plan médian, 4 percées circulaires de 2 mm de diamètre à 10 cm du plan médian et 4 percées circulaires de 1 mm de diamètre à 15 cm du plan médian. Bien qu'il soit possible, comme il a été montré, de réaliser un générateur laser à l'aide d'un seul tube à décharge du type illustré par les figures 1 ou 2, on utilise de préférence plusieurs de ces tubes à décharge, par exemple quatre 28, 29, 30 et 31 comme représenté sur la figure 3, pour réaliser un générateur laser à flux gazeux. Les tubes à décharge illustrés par la figure 3 sont disposés en série suivant un axe 32 à l'intérieur d'une cavité optique résonnante axiale délimitée par deux miroirs 33 et 34, le miroir 34 étant partiellement transparent. Des tubes de liaison tels que 35, ouverts à leurs deux extrémités, sont placés entre deux tubes à décharge successifs et aux deux extrémités de la longueur de la cavité, suivant l'axe 32. Les tubes de liaison sont fixés, par leurs extrémités, dans les ouvertures axiales telles que 9, de façon à mettre ces tubes en communication avec les chambres 7 de sortie de gaz. Les miroirs 33 et 34 obturent respectivement les extrémités libres des deux tubes de liaison 36 et 37 placés aux deux extrémités de la longueur de la cavité. Les tubes de liaison ne comportent sur leur surface cylindrique extérieure aucune ouverture d'entrée de gaz et ne sont munis d'aucune électrode.Les ouvertures des chambres d'entrée de gaz des tubes à décharge tels que 29 sont reliées par des canalisations telles que 38 à un tube de répartition amont 39 disposé parallèlement à l'axe 38. De même les ouvertures d'évacuation des chambres de sortie de gaz telles que 40 sont reliées par des canalisations 41 à un tube de répartition aval 42 disposé parallèlement à l'axe 32. L'entrée et la sortie d'une pompe de circulation de gaz 43 entrainée par un moteur 58 sont reliées respectivement à travers des échangeurs thermiques 44 et 45 aux deux tubes de répartition 39 et 4.2. Un groupe de pompage primaire 46 est branché en parallèle entre la pompe 43 et l'échangeur thermique 45. Une canalisation d'entrée de gaz 47 reliée à un réservoir de gaz non représenté est ménagée dans la paroi de la canalisation reliant la pompe 43 à l'échangeur thermique 44. Sur la figure 4, est représentée une source électrique haute tension 48 dont le pôle négatif est relié à la masse et dont le pôle positif est relié à l'électrode médiane du tube à décharge 29 faisant partie du générateur laser illustré par la figure 3. Les électrodes extrêmes du tube 29 sont reliées respectivement aux anodes de deux triodes 49 et 50. Les grilles de ces triodes sont reliées à la masse respectivement à travers des résistances 51 et 52. Les cathodes des triodes 49 et 50 sont reliées à la masse respectivement à travers deux circuits de réglage 53 et 54. Chacun de ces circuits comporte en outre une entrée de commande, ces entrées 55 et 56 étant reliées au pôle positif d'un générateur électrique basse tension 57 dont le pôle négatif est relié à la masse. Bien entendu, le pôle positif de la source électrique 48 est également relié aux électrodes médianes des autres tubes à décharge 28, 30, 31 faisant partie du générateur laser illustré par la figure 3. De plus les électrodes extrêmes de chacun de ces tubes à décharge sont reliées à un ensemble d'éléments électroniques comprenant deux triodes et deux circuits de réglage tout .à fait analogue à celui représenté sur la figure 4. Les entrées de commande des autres circuits de réglage sont reliées au pôle positif du générateur électrique 57 par des connexions telles que celles représentées en traits interrompus sur la figure 4. le générateur laser représenté sur les figures 3 et 4 fonctionne de la manière suivante. Au départ on fait le vide dans le circuit de circulation de gaz à l'aide du groupe de pompage primaire 46. Puis on introduit dans ce circuit par la canalisation 47 un mélange homogène de gaz comportant de l'hélium, de l'azote et du gaz carbonique, de façon à obtenir dans le circuit une pression de l'ordre de 110 torrs. Puis on met en marche le moteur 58 entrainant la pompe de circulation 43. La pression gazeuse dans les chambres d'entrée de gaz des différents tubes à décharge s'élève alors à 150 torrs environ, tandis que la pression dans les tubes à décharge est de l'ordre de 75 torrs. Le circuit d'alimentation électrique illustré par la figure 4 étant branché, on obtient dans les tubes 28 à 31 des décharges électriques capables d'exciter le gaz actif. Un rayonnement oscillant est formé dans la cavité optique délimitée par les miroirs 33 et 34. Ce rayonnement est amplifié dans les tubes à décharge et traverse sans amplification mais aussi sans absorption les tubes de liaison qui contiennent du gaz actif non excité. Il en résulte la formation d'un rayonnement laser sortant de la cavité par le miroir partiellement transparent 34. Pour compenser les pertes de gaz actif pendant le fonctionnement du laser, on laisse pénétrer en permanence dans le circuit un faible débit de gaz actif prémélangé, à travers la canalisation d'entrée 47. Les tubes de liaison séparent les tubes à décharge l'un par rapport à l'autre, ce qui permet d'effectuer une régulation distincte du courant de décharge électrique pour chacune des deux décharges des différents tubes à décharge. En effet, les circuits tels que 53 et 54 sont réglés préalablement de façon à obtenir des courants de décharge égaux entre eux dans les différents tubes à décharge. Le générateur à basse tension 57 comporte des moyens de réglage de sa tension de sortie, par exemple entre O et 5 volts. En faisant varier cette tension de sortie, l'opérateur modifie la tension appliquée aux cathodes des différentes triodes, ce qui entraine une variation des courants de décharge dans les tubes 28 à 31, ces courants restant cependant égaux entre eux. Bien entendu, le générateur laser illustré par les figures 3 et 4 présente l'avantage, comme les générateurs laser selon l'invention ne comportant qu'un seul tube à décharge; d'avoir un débit massique de gaz plus élevé. De plus la longueur de la cavité des générateurs laser du type représenté sur les figures 3 et 4 est beaucoup plus grande, ce qui augmente considérablement le gain du générateur laser. REVENDICATIONS 1/ Générateur laser à flux gazeux, comportant - des moyens pour former une cavité optique résonnante suivant un axe, - un tube à décharge ouvert à ses deux extrémités, ce tube étant disposé suivant ledit axe à l'intérieur de la cavité, la paroi de ce tube comprenant une ouverture médiane située à égales distances des extrémités du tube, cette ouverture médiane constituant une entrée médiane de gaz, - des moyens d'injection d'un gaz actif laser dans le tube, ces moyens étant reliés à ladite entrée médiane, - des moyens d'aspiration du gaz actif injecté dans le tube, ces moyens étant reliés aux deux extrémités du tube pour faire circuler le gaz actif dans le tube, - une électrode médiane disposée en regard de ladite entrée médiane, et deux électrodes extrêmes disposées respectivement aux deux extrémités du tube à décharge, ces électrodes médiane et extrêmes étant en contact avec le gaz actif contenu dans le tube à décharge, - et un circuit d'alimentation électrique comportant une source haute tension, dont les deux bornes peuvent être reliées respectivement à l'électrode médiane et aux deux électrodes extrêmes, de façon à créer dans le tube deux décharges électriques en prolongement l'une de l'autre suivant ledit axe, ces décharges étant capables d'exciter le gaz actif et de provoquer la formation d'un rayonnement oscillant dans la cavité, celle-ci comportant des moyens pour laisser sortir une fraction de ee rayonnement afin de former un faisceau laser, caractérisé en ce que la paroi du tube comporte des ouvertures supplémentaires formant des entrées supplémentaires (10, 11, 12) de gaz réparties le long du tube (11) de part et d'autre de ladite entrée médiane (3) et reliées auxdits moyens d'injection de gaz, la section totale des entrées supplémentaires (10) situées d'un côté quelconque de l'entrée médiane (3), à une même distance de celle-ci, étant inférieure à la section de l'entrée médiane (3) et étant d'autant plus faible que ladite distance (d1) est plus grande. 2/ Générateur laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs desdits tubes à décharge (28 à 31) disposés le long dudit axe (32) dans la cavité (33, 34), ces tubes étant en communication gazeuse entre eux par leurs extrémités, les ouvertures médianes et supplémentaires de chaque tube à décharge étant reliées auxdits moyens d'injection de gaz (43, 39, 38) et les extrémités de chaque tube à décharge étant reliées auxdits moyens d'aspiration (43, 42, 41), les électrodes médianes et extrêmes de chaque tube à décharge pouvant être reliées respectivement aux deux bornes de ladite source (48). 3/ Générateur laser selon la revendication 2? caractérisé en ce qu'il comporte des tubes de laision (35, 36) disposés le long dudit axe de part et d'autre de chaque tube à décharge (28), ces tubes de liaison ne comportant pas d'ouvertures ni d'électrodes et étant en communication gazeuse par leurs extrémités avec les tubes à décharge adjacents. 4/ Générateur laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe (4) fixée extérieurement sur la paroi du tube (1) à décharge et formant, avec la partie de cette paroi comprenant lesdites ouvertures médiane (3) et supplémentaires (10, 11, 12), une chambre coaxiale (5) d'entrée de gaz reliée auxdits moyens d'injection de gaz. 5/ Générateur laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites ouvertures supplémentaires (10, 11, 12) sont des percées sensiblement circulaires du tube (1). 6/ Générateur laser selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite entrée médiane (3) est cylindrique autour dudit axe (2) et que l'électrode médiane est un anneau (14) métallique disposé autour de ladite entrée médiane et solidaire d'un support (13) fixé sur ladite enveloppe (4). 7/ Générateur laser selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite entrée médiane comporte n ouvertures (23, 24, 25, 26) sensiblement circulaires ménagées dans la paroi du tube (21) à décharge, les axes de ces ouvertures se coupant en un même point dudit axe (20) et que les électrodes médianes comportent n pointes (16, 17, 18, 19) conductrices fixées radialement dans l'enveloppe (22) de la chambre d'entrée, l'ex- trémité aigue de ces pointes étant située en regard desdites n ouvertures. 8/ Générateur laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit circuit d'alimentation électrique comporte des moyens (57, 49, 50) pour faire varier le courant dans les tubes à décharge et des moyens (53, 54) pour égaliser entre eux les courants dans les tubes à décharge (29).