Brevet FR2568729A1 — publié le 19860207

i g)2568729 L'invention concerne un laser à CO à courant trans- versal ayant une puissance de sortie d'au moins plusieurs centaines de watts, comportant un canal d'écoulement trans- versal dans lequel se trouve l'espace de décharge destiné au rayon laser, des surfaces de canal limitant le canal d'écoulement transversal, des dispositifs de miroir pour le rayon laser dans la région terminale du canal d'écoule- ment transversal et deux électrodes à haute fréquence s'étendant le long du canal d'écoulement transversal. De tels lasers font partie des lasers moléculaires. Ils fonctionnent à peu près toujours de façon continue. Bien que l'on ait adopté le nom de laser à C02, d'autres corps tels que N2 sont représentés avec des pourcentages notablement supérieurs. Le mélange gazeux peut par exemple être formé de 10 % de C02, 20 % de N2 et 70 % de He. Etant d'environ 15 %, le rendement du laser à CO2 est élevé par rapport à d'autres laser. Sa longueur d'onde est de 10,6 "m et se situe donc dans une "fenêtre" atmosphérique. Par suite, on peut le faire passer dans l'atmosphère, même sur de grandes distances, avec peu d'atténuation. Si l'on veut couper avec le rayon laser des t8les assez épaisses, dans l'état actuel de la technique il faut couper en atmos- phère d'oxygène parce que les lasers qui doivent être ven- dus actuellement dans la production industrielle débitent seulement une puissance permanente de l'ordre du kilowatt. Le mélange de molécules utilisé dans les lasers à CO2 s'épuise lors du fonctionnement et il s'épuise d'autant plus rapidement qu'il s'agit d'engendrer une plus grande puissance de laser. Dans les lasers à courant longitudinal, même si le courant longitudinal est rapide, les molécules restent re- lativement longtemps dans l'espace de décharge. Or les lasers à CO2 à courant transversal ont cet avantage que les molécules séjournent seulement peu de -temps dans l'espace de décharge de sorte que l'on peut atteindre de plus grandes puissances de laser. Toutefois, les laser à CO2 à courant transversal sont si coûteux que des machines qui en sont équipées ne peu- vent se vendre qu'avec difficulté. Si le prix était toléra- ble, ce principe de production de rayon laser pourrait s'implanter dans le domaine notablement plus large qui lui convient. Les lasers à CO sont trop coûteux parce qu'ils utili- sent des composants compliqués qui ont été fabriqués spé- cialement pour le laser et qui ne sont pas usuels dans le commerce. En outre, les lasers à CO2 utilisés actuellement ne permettent pas d'appliquer aussi le principe à différen- tes puissances. Par exemple il n'est pas possible d'aug- menter la puissance en appliquant de façon répétée le même principe peu coûteux, comme on le fait par exemple dans le cas de moteurs à explosion o l'unité génératrice d'énergie est pratiquement toujours la même et o, en multipliant l'unité, on peut augmenter la puissance en conséquence. L'invention vise à indiquer un principe de construction avec lequel on peut avoir recours à des composants simples qui d'une part peuvent définir le canal d'écoulement trans- versal, d'autre part sont facilement interchangeables, donnent également de la place aux électrodes à haute fré- quence et enfin, peuvent être utilisés plusieurs fois dans le laser avec le même principe de construction. Selon l'invention, ce problème est résolu par les points suivants: a) au moins deux tubes cylindriques circulaires en matière diélectrique sont placés parallèlement face à face, leurs surfaces extérieures forment les surfaces de canal et ils ont une paroi mince, b) dans les tubes se trouvent les électrodes à haute fréquence. Des tubes répondant à ces caractéristiques existent en série dans la technique de laboratoire de l'industrie chimique, comme matière première pour les arts appliqués, pour les luminaires à basse tension, pour les luminaires à haute tension, dans l'industrie électronique sous forme de pièces de céramique comme supports pour-des revêtements de résistance, des revêtements de condensateur etc. Par suite de leur forme courbe, les tubes resserrent le mélange de molécules à un endroit déterminé comme le fait une buse. Mais en même temps les tubes protègent les électrodes à haute fréquence, qui sont en métal et ne résistent pas tellement aux températures engendrées, contre les processus de décharge et les autres contraintes, comme c'est réguliè- rement le cas d'une matière diélectrique. On a la liberté de donner la forme désirée aux électrodes à haute fréquence, car ainsi elles participent simplement à la production de la décharge, mais n'influencent pas l'écoulement. Il existe des tubes peu coûteux de fabrication très précise, de toute épaisseur de paroi, avec des formes de section très diverses, étirés ou frittés avec une grande précision. Par la forme cylindrique circulaire, on obtient un comportement très clair d'afflux et d'évacuation. En outre, lors du montage, toute position des tubes est correcte, puisqu'ils sont cylindriques circulaires. Si les tubes sont formés de céramique, ils sont suf- - fisamment rigides en flexion, isolent les électrodes à haute fréquence, sont insensibles à la chaleur et ont un comportement thermique prévisible. Si les tubes sont en verre minéral, ils présentent par nature une surface très lisse et on obtient donc, sans autre polissage etc., une très faible résistance à l'écou- lement. On peut alors contr8ler les tiges de l'extérieur, par exemple en ce qui concerne la position des électrodes et lors du montage, on voit mieux aussi l'intérieur de la cavité. Si l'on utilise du verre quartzeux, on obtient des tubes qui ne fondent pas, contrairement par exemple au verre "Pyrex" ou "Duran". Si les électrodes à haute fréquence sont des composants séparés des tubes, on n'a pas besoin de traiter les tubes pour installer les électrodes à haute fréquence, ce qui pourrait se faire par exemple par dépôt de vapeur, traite- ment galvanique etc. Si le tube présente un dommage, par exemple une fissure, l'électrode à haute fréquence peut alors être encore intacte et utilisable. Si les électrodes à haute fréquence ont une allure convexe et sont prévues près des surfaces de canal, on peut adapter l'allure du champ électromagnétique au resser- rement du courant de mélange de molécules et par suite, obtenir des espaces de décharge particulièrement avantageux. Si les électrodes à haute fréquence ont une forme cy- lindrique circulaire, les électrodes sont toujours à la même distance des surfaces de canal. Lorsqu'on injecte le mélange de molécules dans le canal d'écoulement transversal, l'espace de décharge est poussé, de façon indésirable, du milieu du canal vers l'aval. Toutefois, si les électrodes à haute fréquence, vues dans le sens d'écoulement du gaz, ont une plus grande sur- face devant le milieu du canal que derrière le milieu du canal, on arrive à nouveau à placer l'espace de décharge plus en amont, à l'endroit désiré. Si les électrodes à haute fréquence sont prévues en position fixe par rapport au canal d'écoulement transversal, on peut disposer les tubes de la meilleure façon, du point de vue de la technique d'écoulement, tandis que les ilec- trodes à haute fréquence déterminent dans une large mesure l'emplacement de l'espace de décharge. Si les électrodes à haute fréquence peuvent coulisser par rapport au canal d'écoulement transversal, on arrive à pouvoir déterminer l'emplacement de l'espace de décharge. Dans le cas d'un mélange de molécules en écoulement plus rapide, on peut par exemple faire coulisser les électrodes à haute fréquence à l'envers du sens d'écoulement, de sorte que l'espace de décharge reste en place. Si les électrodes à haute fréquence sont reliées au tube de façon solidaire en rotation et si la tige peut tourner autour de son axe de rotation, on a la possibilité, en faisant tourner le tube, de déplacer aussi l'électrode à haute fréquence. Cela est avantageux par exemple quand le tube est long. En effet, on peut sans difficulté donner aux tubes une grande rigidité en flexion. Par contre, les électrodes à haute fréquence sont souvent des bandes de t8le de cuivre qui ont une faible rigidité propre. Grâce aux mesures ci-dessus, le tube peut aussi soutenir ces électrodes. On peut alors fabriquer l'ensemble comme mar- chandise au mètre. Dans un autre mode d'exécution, au moins trois tubes sont prévus et définissent entre eux deux canaux d'écoule- ment transversal, le ou les tubes centraux présentent cha- cun deux électrodes à haute fréquence tournées vers les autres tubes et des dispositifs de miroir sont prévus pour plier le rayon laser. On obtient alors de façon simple, avec de bonnes propriétés favorables à 1'écoulement, deux espaces de décharge de sorte que l'on obtient un laser doublement pliée Si le canal d'écoulement transversal a une hauteur variable, on peut arriver à donner différentes puissances à de tels lasers, Si le canal d'écoulement transversal est plus large, une plus grande quantité de mélange de molé- cules est amenée et la puissance peut aussi devenir plus grande, les électrodes à haute fréquence étant en même temps alimentées par une plus grande puissance. Les tubes, s'ils ne présentent pas de perforation de paroi, peuvent en m8me temps jouer le r8le de tubes de re- froidissement. Diverses autres caractéristiques de l'invention res- sortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées, à titre d'exemples non limitatifs, aux dessins annexés. La figure 1 est une coupe schématique d'un premier 6 2568729 exemple d'exécution. La figure 2 une élévation frontale à plus grande échelle, montrant l'allure des lignes de force quand les électrodes sont en forme de secteur circulaire. La figure 3 une élévation analogue à la figure 2, mais sur laquelle les électrodes sont disposées en avance. La figure 4 une élévation schématique en direction du canal d'écoulement, un réglage d'électrodes et une amenée de courant étant représentés. La figure 5 une élévation frontale d'un exemple d'exé- cution présentant deux espaces de décharge et trois tubes, avec indication de la disposition d'ensemble. La figure 6 représente le trajet des rayons pour un dispositif selon la figure 5. Un tube 11 est cylindrique circulaire, a un diamètre extérieur d'environ 100 mm et une épaisseur de paroi d'envi- ron 3 mm. Il est formé de quartz. Le tube ll a une longueur de 30 à 200 cm. A ses extrémités, il traverse des parois non représentées du dispositif qui s'étendent perpendiculai- rement à l'axe longitudinal du tube Il. Dans le haut, le tube ll confine à une paroi de retenue et de guidage 12. A l'intérieur et dans le bas du tube ll se trouve une bande de cuivre 13 qui sert d'électrode à haute fréquence et est reliée de façon non représentée à un générateur à haute fréquence. La bande de cuivre 13 a la forme d'une gouttière aplatie. Dans le tube ll se trouvent des éléments d'espace- ment 14, non conducteurs de l'électricité, ayant une forme en étoile, qui retiennent en place la bande de cuivre 13. La bande de cuivre 13 s'étend sur un peu plus de 600 de la circonférence. Sous le tube 11 se trouve un deuxième tube semblable 16. Entre les deux tubes est ainsi formé un canal d'écoule- ment transversal 17 à travers lequel le mélange de molécules est poussé avec une pression de 50 à 200 hPa. La largeur du canal d'écoulement transversal 17 est de 10 à 50 mm à son endroit le plus étroit. Sa configuration est définie 7 2568729 par la forme circulaire de la circonférence des tubes 11 et 16. Dans le tube 16 est prévue dans le haut une bande de cuivre 18 qui a la même forme que la bande de cuivre 13 et qui joue le r8le de l'autre électrode à haute fréquence. Elle est également maintenue en place par des éléments d'espacement non représentés et est reliée à l'autre p8le du générateur à haute fréquence. A la figure 2, on a indi- qué les lignes de champ électrique 19 qui, de façon connue, se terminent toujours par un angle droit 21 sur la surface des bandes de cuivre 13, 18. Comme on le voit par la figure 2, on obtient ainsi une allure extrêmement avantageuse des lignes de force, qui est adaptée à la section du canal d'écoulement transversal 17, qui diminue tout d'abord et ensuite augmente à nouveau. A la figure 3, on a supposé que le mélange de molécules est poussé suivant la flèche 22 dans le canal d'écoulement transversal 17. Si l'écoulement du mélange de molécules n'était pas influencé, le volume de décharge se trouverait. là o est indiquée la croix 23, c'est-à-dire dans le plan médian 24. C'est aussi dans ce plan médian que se trouve de préférence l'espace de décharge, compte tenu de la géométrie des miroirs, car en ce qui concerne les miroirs, on se base de préférence, pour des raisons de construction, sur le plan médian 24. Toutefois, si l'on souffle le mélange de molécules suivant la flèche 22, le volume de décharge se déplace vers l'aval et arrive au cercle en tireté 26. Par la comparaison des figures 2 et 3, on peut voir qu'à la figure 3, les bandes de cuivre 13, 18 sont déplacées à l'envers du sens de la flèche 22 de sorte que le centre de gravité des lignes de force se trouve à peu près au point 27. Grâce à cette avance, on peut arriver à ce que, malgré l'écoulement suivant la flèche 22, le volume de décharge se situe près de la croix 23. La mesure dans laquelle les bandes de cuivre 13, 18 doivent être dirigées asymétrique- ment vers la droite dépend naturellement de la vitesse 8 2568729 d'écoulement du mélange de molécules dans le canal d'écou- lement transversal 17. Si l'on désire un déplacement des bandes de cuivre 13, 18, dans le cas de bandes autoporteuses, la figure 4 fournit une proposition de solution pour le tube 11. Ici, coaxiale- ment à l'axe longitudinal géométrique 28 est prévue, à une extrémité du tube 11, une roue dentée métallique 29 qui est montée de manière à pouvoir tourner. A son flanc gauche 31, l'extrémité gauche de la bande de cuivre 13 est fixée de façon mécaniquement rigide et conductrice de l'électricité. Contre l'autre flanc 32 de la roue dentée 29 pousse un contact électrique glissant 33 qui est relié à l'un des p8- les du générateur à haute fréquence. A droite de la bande de cuivre 13 est prévue symétriquement une roue dentée sembla- ble 29 à laquelle est fixée l'extrémité correspondante de la bande de cuivre 13. Un arbre 34 s'étend au dessus de la paroi de guidage 12, non représentée ici, parallèlement à l'axe longitudinal 28 et on peut le faire tourner vers la gauche ou vers la droite au moyen d'un servomoteur non re- présenté. Sur l'arbre 34 est monté de façon solidaire en rotation une roue dentée électriquement isolante 36 qui engrène avec la roue dentée 29. Une roue dentée semblable à la roue 36 est à-nouveau prévue tout à fait à droite et engrène avec la roue dentée correspondant à la roue 29. Le rapport de démultiplication est petit de sorte que l'on peut régler avec précision.la position de la bande de cuivre 13. Pour le tube 16 est prévu un dispositif de réglage sem- blable. Toutefois, il ne doit pas être relié électriquement au même potentiel- Avec un tel dispositif, on peut amener les bandes de cuivre 13, 18, par exemple, de la position représentée par la figure 2 à celle de la figure 3. Si les tubes 11, 16 sont si longs que la bande de cui- vre 13, 18 est instable et que l'on a besoin d'éléments d'espacement, on relie le tube 11 de façon solidaire en ro- tation à la roue dentée 29 de sorte que le tube ll tourne en même temps que la bande de cuivre 13. Toutefois, il faut alors prévoir que les joints 37 qui rendent étanche la cir- conférence du tube 11 vis-à-vis de la paroi latérale 38 permettent la rotation sans perdre de leur étanchéité. Naturellement, cela est valable aussi pour l'autre extrémité, pour le tube 11, ainsi qu'aux deux extrémités, pour le tube 16. Dans le mode d'exécution selon la figure 5 sont prévus trois tubes 39, 41, 42 qui sont tous situés dans le plan médian 24. On forme ainsi deux canaux d'écoulement trans- versal 43, 44 qui donnent deux espaces de décharge. Dans le tube 41 sont prévues, à 12 heures et à 6 heures, deux bandes de cuivre 46, 47 reliées au mgme potentiel. Ils sont reliés à l'un des p8les du générateur à haute fréquence non représenté. Le tube 39 présente à 6 heures - comme le tube Il - une bande de cuivre 48 et le tube 42 présente à 12 heures, comme le tube 16, une bande de cuivre 49. Tout le dispositif se trouve dans un cylindre 51 qui est étanche aux radiations électromagnétiques. Dans le bas est prévu un groupe 52 qui, suivant la flèche 22, brasse le mélange de molécules et en même temps le refroidit aussi. La paroi extérieure de limitation.du mélange de mo- lécules est formée par un cylindre intérieur 53 qui est disposé excentriquement par rapport au cylindre 51. Il présente à 12 heures un évidement dans lequel est encastrée la région inférieure du tube 39. La limitation intérieure du courant de mélange de molécules est un cylindre inté- rieur 54 plus petit qui est disposé encore plus excentri- quement vers le bas et présente à 12 heures un évidement dans lequel est encastrée la région supérieure du tube 42. En outre est prévu un corps directeur en forme de croissant 56, à surfaces extérieures à peu près circulaires, à lin- térieur duquel se trouve selon la figure 5 le tube 41 qui, par ses régions supérieure et inférieure, dépasse hors de ce corps directeur 56. Le corps directeur 56 est prévu dans le demi-espacement supérieur entre le cylindre intérieur 53 et le cylindre intérieur 54. Dans le dernier exemple d'exécution, selon la figure 6, sont prévus trois tubes, 57, 58, 59, de sorte que l'on obtient deux canaux d'écoulement transversaux qui conduisent à deux espaces de laser 62, 63. Ici, on a donc un laser doublement plié. Bien entendu, les tubes 57, 58, 59 sont également munis des électrodes nécessaires. Le trajet de rayons qui en résulte est indiqué par la figure 6. On a besoin ici d'un miroir à 180 , 67 qui, à cause de la position des espaces de laser, est facile à loger dans les têtes de miroir. A gauche sont représentés un miroir terminal 69 et un miroir de sortie 71. REVENDICATIONS 1 - Laser à C02 à courant transversal ayant une puis- sance de sortie d'au moins plusieurs centaines de watts, comportant un canal d'écoulement transversal dans lequel se trouve l'espace de décharge destiné au rayon laser, des surfaces de canal limitant le canal d'écoulement transver- sal, des dispositifs de miroir pour le rayon laser dans la région terminale du canal d'écoulement transversal et deux électrodes à haute fréquence s'étendant le long du canal d'écoulement transversal, laser caractérisé en ce que: a). au moins deux tubes cylindriques circulaires en matière diélectrique (11, 16) sont placés parallè- lement face à face, leurs surfaces extérieures forment les surfaces de canal et ils ont une paroi mince, b) dans les tubes se trouvent les électrodes à haute fréquence (13, 18). 2 - Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière est une céramique. 3 - Laser selon la revendication l, caractérisé en ce que la matière est un verre minéral. 4 - Laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que le verre est un verre quartzeux. - Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes à haute fréquence (13, 18) sont des composants séparés des tubes (11, 16). 6 - Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes à haute fréquence (13, 18) font corps avec les tubes (11, 16). 7 - Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes à haute fréquence (13, 18) ont une allure convexe et sont prévues près des surfaces de canal. 8 - Laser selon la revendication 7, caractérisé en ce que les électrodes à haute fréquence (13, 18) ont une allure cylindrique circulaire. 9 - Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce 12 2568729 que les électrodes à haute fréquence, vues dans le sens d'écoulement du gaz, ont une plus grande surface devant le milieu du canal que derrière le milieu du canal. - Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes à haute fréquence sont prévues en posi- tion fixe par rapport au canal d'écoulement transversal (17). 11 - Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes à haute fréquence peuvent coulisser par rapport au canal d'écoulement transversal (17). 12 - Laser selon l'une des revendications i à 11, caractérisé en ce que les électrodes à haute fréquence (13, 18) sont reliées au tube de façon solidaire en rotation et que la tige peut tourner autour de son axe de rotation. 13 - Laser selon la revendication 1, caractérisé.en ce qu'il est prévu au moins trois tubes qui définissent entre eux deux canaux d'écoulement transversal, et que le ou les tubes centraux présentent chacun deux électrodes à haute fréquence tournées vers les autres tubes et que des dispo- sitifs de miroir sont prévus pour plier le rayon laser. 14 - Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la hauteur du canal d'écoulement transversal (17) est variable.