Brevet FR2579384A1 — publié le 19860926

1.- "Dispositif pour exciter une décharge dans un gaz laser" L'invention concerne un dispositif pour exciter une décharge dans un gaz laser avec au moins deux électrodes métalliques Pour l'excitation de laser à gaz, nota=ent de laser C02 a haute puissance, on utiliseen général>une décharge de courant continu. On distingue entre l'excitation longitudinale et l'excitation transversale. Dans le prenier cas, les deux électrodes sont rapportées aux extrémités d'un tube de décharge, une décharge étant provoquée entre ces électrodes (Hiroyuki Sigawara, et al. Rew. Laser Eng. (Jap.) 9 (1) 21-3C (1981)). L'inconvénient dans ce casest la ten- sion d'allumage tout à fait élevée de par exemple 10 à 20 kV. Dans le cas de laser excité transversalement, seules des tensions notablement plus basses d'environ 1 à 2 kV sont né- ! cessaires. Kais, dans ce cas il est difficile d'etendre la décharge à des électrodes planes parallèles à la chambre de décharge. Ceci est obtenu de préférence par des électrodes segmentées, par exemple des plaques ou des broches, qui sont reliées à la tension d'alimentation par l'intermédiaire de résistances séries séparées (US-A-3 772 610; US-A-864 961; Haruhiko Nagai et al. IEEE J. Quant. Electron. Vol. QE-18 43), 416-421 (1982)). L'excitation transversale uniforme d'un volume 2.-- de gaz laser peut être fournie par des électrodes résistives, par exemple en tungstène thorié (US-A-4 260 958). Un inconvénient commun à tous ces systèmes d'excitation est toutefois que les pertes ohmiques se produisent dans les résistances nécessaires pour stabiliser la décharge dans les g ces pertes abaissant le rendement du laser. Des systèmes d'excitation de laser fonction- nant en tension alternative évitent cet inconvénient car, dans ce cas, des impédances de stabilisation capacitive ou inductive peuvent être mises en oeuvre, (Bondarenko et al. Sov. J. Quant. Electron. 10 (4) 443- 445 (1980), Gavrilyuk et al. Sov. J. Quant. Electron. 326-328 (1979)). Il est connu que. dans le cas de laser à haute uissance, notanment de laser CC2, le gaz laser, Dour éva- cuer la puissance de perte, doit être mis en circulation très rapide et passer par un échangeur thermique externe. En conséquence, lors de la construction de systèmes d'exci- tation, il y a lieu de veiller à ce que celle-ci oppose à l'écoulement du gaz une résistance aussi faible que possible. De ce point de vue, les systèmes transversaux dans lesquels l'écoulement du gaz, la décharge dans le gaz et le résona- teur optique sont respectivement perpendiculaires l'un à l'autre, sont particulièrement favorables. Ils présentent toutefois l'inconvénient important que le voluze excité ne coincide pas avec le volume du résonateur. Pour utiliser complètement le volume d'excitation, des dispositifs coû- teux de résonateurs en zig-zag doivent être mis en oeuvre, pour lesquels une émission dans le mode de base transversal qui est nécessaire pour beaucoup de cas de mise en oeuvre technique de laser, ne peut être obtenue que très difficile- ment. Des systèmes longitudinaux dans lesquels le système d'excitation et le résonateur sont disposés sur un axe le long duquel s'effectue également l'iécoulement du gaz, abou- tissentj par contre, d'une façon relativement simple, à une qualité de rayonnement optimale avec l'inconvénient d'une 3.- tension de fonctiornement élevée ainsi que de pertes élevées de circulation du gaz. La présente invention a pour but de développer un dispositif d'électrodes pour des lasers à haute puissance, qui ne posent à l'écoulement du gaz qu'une résistance réduite) grâce à laquelle la totalité du volume de laser à gaz peut être excitée sans que des tensions d'allumage élevées soient nécessaires. Ce but est atteint, conformément à l'invention> en ce que les électrodes sont enroulées selon une hélice à peu près cylindrique et constituent ensemble au moins une double hélice, les spires d'une électrode étant disposées à une certaine distance des spires de l'autre électrode, et les électrodes s'étendant en direction longitudinale du tu- be de décharge. Des formes de réalisation préférées du sys- tème d'excitation conforme à l'invention sornt indiquées ci- apres: les diamètres internes des électrodes en forme d'hélices sont, en pratique, les r9mes et les spires de tou- tes les électrodes s'étendent parallèlement les unes aux au- tres. Il est prévu quatre électrodes en forme d'hé- lices, parmi lesquelles une double hélice joue le rôle d'élec- trodes principales, tandis que l'autre double hélice sert à la préionisation. Les électrodes principales en forme d'hélices revêtent la forme de tubes et sont raccordées à un circuit de fluide de refroidissement. Les électrodes en forme d'hélices sont cons- tituées de fils métalliques ou de barreaux, de préférence avec une section transversale ronde ou ovale. Le diamètre interne de l'hélice double est inférieur à la distance latérale entre les spires constituant cette hélice double. Les électrodes en forme d'hélices sont isolées 4.-- en surface et disposées concentriquement dans un tube de dé- charge. Les électrodes en forme d'hélices ont une sur- face non plane et sonv de préférencemunies d'arêtes de dé- collement de tourbillons. Les électrodes en forme d'hélices sont munies d'un revêtement diélectrique. Le revêtement diélectrique est obtenu par oxy- dation anodique du matériau de l'électrode et/ou est cons- titué de céramique ou d'émail. Le diamètre interne du tube de décharge est su- rérieur au diamètre externe de la double hélice. La distance entre la double hélice et le tube de décharge est environ la moitié du diamètre interne de la double hélice. Les électrodes en forme d'hélices sont bobinées sur un tube de décharge. Le tube de décharge est muni de gorges en for- me d'hélices correspondant à l'allure en forme d'hélices des électrodes, cavités dans lesquelles sont guidées les électro- des. Les gorges en forme d'hélices du tube de déchar- ge se prolongent vers l'espace interne du tube de décharge, de sorte que la section transversale de décharge est inférieure à la section transversale du tube de décharge, qui est dispo- nible pour ltécoulement du gaz de laser. Le tube de décharge est constitué de verre ou bien d'un autre matériau diélectrique. Le tube de décharge est constitué d'un matériau céramique susceptible de conduire la chaleur. Les électrodes en forme d'hélices sont complè- tement enrobées dans le tube de décharge, ce dernier est disposé de façon essentiellement concentrique Céans un bottier. L'espace intermédiaire entre le boltier et le tube de décharge est raccordé à un circuit de fluide de 5.- refroidissement. Des électrodes sont constituéesxpar exemple, de fils métalliques, de barreaux, de bandes, de tubes, ou bien de structures analogues. Les tubes permettent le rac- cordement à un circuit de fluide de refroidissement. La forme de la section transversale des électrodes n'est pas déterminante, mais des fils ou des tubes ronds ou ovales sont toutefois préférés. Comme matériau d'électrode, tous les ma- tériaux connus dans ce but conviennent, par exemple aluminium, le titane ou le tantale. La réalisation en forme d'hélices des électro- des peut être obtenue d'une façon en soi connue, par exemple par bobinage en forme d'hélices des fils sur un noyau cylin- dricue. Le diamètre de l'hélice peut varier légèrement sur la longueur, par exemple être un peu plus grand aux extrémités pour s'adapter au volume de décharge du tube souple du cham du résonateur. Dans ce cas, la distance appropriée entre spi- res doit être maintenue, cette distance devant être supé- rieure au diamètre interne de l'hélice pour exciter une dé- charge s'étendant axialement sur la totalité du volume du gaz laser. De préférence, la distance entre spires est supérieure au double du diamètre interne de l'hélice, de fa- çon que dans le cas de deux électrodes principales de môme diamètre interne enroulées en hélice et disposées à une même distance l'une de l'autre, la distance latérale entre les deux électrodes soit supérieure au diamètre interne de la double hélice. Selon une forme de réalisation oréférée, orn utilise deux doubles hélices dont l'une constitue les électrodes principales, tandis que l'autre sert à la pré- ionisation. Les différentes hélices ont un tracé tel qu'un contact entre elles soit évité. Selon une forme de réalisation, les électrodes en forme d'hélices sont isolées en surface et disposées con- centriquement dans un tube de décharge ou dcoulement gazeux. L'isolation des électrodes peut, d'une façon en soi connue, 6.- être obtenue par oxydation anonique. lais les électrodes peu- vent être également munies d'une couche de céramique ou d'émail. Une enveloppe flexible et isolante du fil ou du bar- reau métallique, est également concevable de préférence avant le bobinage de ce fil ou de ce barreau. Lorsque les électrodes sont disposées à l'in- térieur du tube de décharge, il est avantageux de réaliser la surface des électrodes de façon à pouvoir obtenir un tour- billonnement modéré du gaz laser traversant le tube, de fa- çon qu'il se produise un bon mélange du gaz laser. A cet effet, différentes possibilités sont concevables, par exem- ple,il peut être prévu des arêtes de décollement du tour- billon. Les raccordements d'électrodes amenés à l'ex- térieur du boitier ou bien du tube d'écoulement du gaz, per- metternt l'utilisation suffisante des hélices. Des éléments de supports supplémentaires en un matériau isolant peuvent également être utilisés. Les électrodes en forme d'hélices peuvent également être disposées sans intervalles entre el- les et la paroi du tube d'écoulement du gaz en matériaux non conducteurs, de sorte qu'elles s'appliquent étroitement contre cette paroi. Dans ce cas, le gaz laser s'écoule ex- clusivement à l'intérieur des hélices. Selon une autre forme préférée de l'invention, les électrodes sont bobinées en forme d'hélices sur un tube de décharge. Il est avantageux que le tube de décharge soit muni de gorges dont la forme correspond au tracé en hélice des électrodes. Dans ces gorges, les électrodes sont ensuite insérées. Selon une forme de réalisation particulière- ment avantageuse, les gorges se prolongent aussi sur la paroi interne du tube de décharge ou d'écoulement de gaz, de sorte que cette paroi interne du tube de décharge est pourvue de saillies en forme d'hélices dont le tracé correspond à la forme des électrodes. De ce fait, la section transversale 7.- de décharge D est inférieure à la section transversale Do du tube de décharge, disponible pour l'écoulement du gaz laser. Dans le cas d'un rapport Do: D de 3: 1, on peut réaliser un rapport dessectionspour l'écoulement et pour la décharge de 6: 1, grâce à quoi le refroidissement du gaz laser se trouve notablement facilité. Un tel dispositif d'électrodes et de tube de décharge peut être entouré d'un bottier correspondant, de pré- férence,à la forme du tube de décharge, qui ménage un espace intermédiaire entre le bottier et le tube de décharge. Dans cet espace intermédiaire, peut circuler un fluide de refroi- dissement par exemple de l'huile de silicone. Le refroidis- sement de la paroi du tube laser est particulièrement avanta- geux car la puissance de perte des électrodes est alors directement évacuée et ne contribue pas à l'échauffement du gaz laser. Le tube de décharge ou bien le tube d'écoule- ment de gaz portant les électrodes en forme d'hélices est constitué de préférence d'une céramique conductrice de la chaleur, par exemple de l'oxyde de berylliun. Ainsi, les électrodes peuvent être complètement enrobées dans la céra- mique, le refroidissement étant assuré par une enveloppe de refroidissement externe. Dans ce cas, de l'eau peut être également mise en oeuvre comte fluide de refroidissement. Dans la réalisation conforme à l'invention du système d'excitation, les avantages des systèmes trans- versaux et des systèmes longitudinaux peuvent être combinés. Sans opposer à l'écoulement une résistance importante, on peut ainsi exciter la totalité du volume de gaz. L'invention va être décrite plus en détail en se référant aux dessins schématiques ci-joints dans lesquels: - la figure 1 montre une forme de réalisation dans laquelle les électrodes en forme d'hélices sont dispo- sées dans un tube d'écoulement de gaz, - la figure 2 montre une autre forme de réalisa- E.-_ tiorn dans laquelle les électrodes en forme d'hélices sont guidées dans des gorges du tube d'écoulement de gaz, Selon la figure 1, le système d'excitation est constitué de deux électrodes 1 et 2 qui sont entourées d'un tube d'écoulement 3. Les électrodes 1 et 2 sont cour- bées en forme d'hélices, de sorte qu'il en résulte une héli- ce double. La distance des spires des hélices doit être choi- sie de façon que la distance latérale Q des électrodes 1 et 2 soit un peu supérieure au diamètre interne D. Les élec- trodes sont constituéespar exemplede métal oxydé anodique- ment, tel de l'aluminium ou du tantale, ou bien également d'un métal avec un émaillage superficiel.- Pour exciter la décharge gazeuse, une tension alternative à haute fréauence par exemple f = 10 kEz, est ap- pliquée au raccordement d'électrodes 4 qui passe a travers le tube d'écoulement 3. Du fait du revêtement diélectrioue il se forme sur les électrodes un condensateur superficiel qui, de façon correspondante à son impédance, répartit dans une large mesure la décharge sans perte sur la totalité de la longueur des électrodes 1 et 2. La limite supérieure de la fréquence de fonctionnement se situe, de préférence, à 13,7 XHz. C'est une bande de fréquence maintenue libre pour les applications techniques, dans laquelle on peut en- core mettre en oeuvre avec une dépense réduite les compo- sants semi-conducteurs. IKais la fréquence d'excitation peut également être élevée jusque dans la zone des 100 LZqZ. La tension de fonctionnuement se situe selon la pression de gaz de laser entre 500 et 2000 Vss. Grâce a cette disposition des électrodes, on obtient une géométrie de décharge enroulée en forme d'hélice, qui présente trans- versalement a l'axe du résonateur, un profil de renforce- ment, adapté de façon optimale aux exigences de la produc- tion du rayonnement en mode de base. Un écoulement longitudinal du gaz est guidé par le tube d'écoulement 3 entourant le dispositif de décharge. 9o- La résistance à l'écoulement de la structure peut être alors notablement réduite par comparaison avec d'autres tubes la- ser parcourus longitudinalement par l'écoulement, car le dia- mètre interne du tube 3 peut être nettement plus important que le diamètre externe de la double hélice. Le gaz- peut ainsi circuler également à l'extérieur du dispositif d'élec- trodes à travers le tube 3, mais, grâce au tourbillonnement sur les électrodes 1 et 2, il est constamment mélangé avec le gaz circulant à l'intérieur des électrodes et participe alors également au processus d'excitation. Ce tourbillonne- ment peut, si c'est nécessaire, être amplifié par la confcr- mation des électrodes. La section transversale d'écoulement est, de ce fait, notablement supérieure à la section trans- versale du resonr.ateur, et malgré cela, presque toutes les molécules de gaz circulant à travers le tube 3 participent au mins une fcis a un -rocessus z'excitation et d'émission. Grze au 'égit de gaz ainsi augmenté, un meilleir refrcidis- sement est possible. Si nécessaire, les électrodes 1 et 2 -euvent en outre revêtir la forme de tubes et être directe- ment refroidies. Dans une forme de réalisation préférée rerré- sentée sur la figure 2, les électrodes 5 et 6 sont disposées en forme d'hglices sur le tube d'écoulement de gaz ou de dé- charge 7. Elles se trouvent dans l'espace intermédiaire en- tre le bo tier ext'rieur 8 et le tube de décharge 7, ce tube de décharge 7 servant>en même temps, de support pour les électrodes 5 et 6. Le tube de décharge 7 est conformé de façon telle qu'il y a deux gorges 9 et 10 en forme d'hélices dans lesquelles les électrodes 5 et 6 sont insérées. Dans le cas représenté, les gorges 9 et 10 se prolongent à travers le matériau du tube de décharge 7, de sorte que suar la paroi interne de ce tube de décharge 7, on a des saillies en forme d'hélices. Le diamètre libre D du tube de décharge 7 dé- 10.- termirne la secticn transversale de décharge. La section trarsversale d'écoulement D0 est, par contrenettement plus ir.-ortarte. Ele résulte du diamètre Do du tube de décharge 7 non déformé, déduction faite des surfaces de sections trans- versales dûes aux gorges ou saillies 9 et 10. Le fluide de refroidissement, par exemple de l'huile de siliconeest envoyé dans le sens de la flèche dans l'espace intermé- diaire entre le tube de décharge 7 et le bottier 8. 11.- R E V E 1 D I C A T I 0 N S 1.- Dispositif pour exciter une décharge dans un gaz de laser avec au moins deux électrodes métalli- ques qui sont prévues dans la zone d'un tube de décharge, dispositif caractérisé en ce que les électrodes (1, 2, 5, 6) sont enroulées selon une hélice à peu près cylindrique et constituent ensemble au moins une double hélice, les spires d'une électrode 1, 5) étant disposées à-une certaine dis- tance des spires de l'autre électrode (2, 6), et les élec- trodes (1, 2, 5, 6) s'étendant en direction longitudinale du tube de décharge (3, 7). 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé ern ce que les diazètres internes des électrodes en forme d'hélices (1, 2, 5, 6) sont en pratique les mêmes et que les srires de toutes les électrodes s'étendent paral- lèlement les unes aux autres. 3.- Dispositif selon lune quelconque des re- vendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est prévu qua- tre électrodes en forme d'hélices, parmi lesquelles une dou- ble hélice joue le rôle d'électrodes principales, tandis que l'autre double hélice sert à la préionisation. 4.- Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que les électrodes principales en forne d'hélices (1, 2) revêtent la forme de tubes et sont raccordées à un circuit de fluide de refroi- dissenent. 5.- Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que les électrodes en fore d'hélices (1, 2, 5, 6) sont constituées de fils métal- liques ou de barreaux, de préférence avec une section trans- versale ronde ou ovale. 6.- Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 ' 5, caractérisé en ce que le diamètre in- terne de l'hélice double est inférieur à la distance latérale 12_ entre les spires (1, 2, 5, 6) constiaant cette hélice dou- ble. 7.- Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 6, caractérisé en ce que les électrodes en forme d'hélices (1, 2) sont isolées en surface et dispo- sées ccncentriquement dans un tube de décharge (3). 8.- Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 7, caractérisé en ce que les électrodes en forme d'hélices (1, 2) ont une surface non plane et sont de préférence munies d'arétes de décollement de tourbillons. 9.- Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 8, caractérisé en ce que les électrodes en forme d'hélices (1, 2) sont munies d'un revêtement diélec- trique. 1C.- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé ern ce que le revêtement diélectriaue est obtenu par oxydation anodique du matériau de l'électrode et/ou est constitué de céramique ou d'émail. 11.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le diamètre in- terne du tube de décharge (3) est supérieur au diamètre ex- *terne de la double hélice. 12.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que la distance en- tre la double hi1ce et le tube de décharge-(3) est environ la -oitié du diamètre interne de la double hélice. 13.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les électrodes en forme d'hélices (5, 6) sont bobinées sur iLn tube de dé- charge (7). 14.- Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le tube de décharge (7) est muni de gorges en forme d'hélices (9, 10) correspondant à l'allure en forme d'hélices des électrodes (5, 6), cavités dans les- quelles sont guidées les électrodes. 13.- 15.- Dispositif selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que les gorges en forme d'hélices (9, 10) du tube de décharge (7) se prolongent vers l'espace interne du tube de décharge, de sorte que la section trans- versale de décharge est inférieure à la section transversale du tube de décharge (7), qui est disponible pour l'écoule- ment du gaz de laser. 16.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le tube de décharge (3, 7) est constitué de verre ou bien d'un autre matériau diélectrique. 17.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que le tube de décharge (7) est constit- d'un matériau céramique suscep- tible de conduire la chaleur. l;.- _Dispos if selon la reven-dicaticn 17, carC. ctrisé en ce oue Les électrodes en. forme E'hélices (5, 6) sont complètement enrobées dans le tube de décharge (7). 19.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 13 à 1ú, caractérisé en ce que le tube de décharge (7) est disposé de façon essentiellement concen- trique dans un bcitier (E). 20.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 13 à 19, caractérisé en ce que l'espace intermédiaire entre le bc!tier (8) et le tube de décharge (7) est raccordé à un circuit de fluide de refroidissement.