Brevet FR2577076A1 — publié le 19860808

Structure de laser à gaz La présente invention a pour objet une struc- ture de laser à gaz du type à cavité Fabry-Perot, no- tamment une structure de laser de faible puissance à dioxyde de carbone C02. Dans l'état actuel de la technique, une structure de laser à gaz de ce type comporte un tube à décharge o a lieu l'effet laser, aux extrémités duquel sont logés un miroir à réflexion totale et une lame semitransparente. Des dispositifs mécaniques permet- tent d'aligner l'axe du tube laser avec les normales au miroir et à la lame. Pour obtenir un laser dont les caractéristi- ques soient constantes (notamment le mode de vibra- tion), il est nécessaire que cet alignement soit con- servé lors du fonctionnement. Or, la dilatation des composants due à la chaleur, les vibrations produites par toutes les liaisons mécaniques telles que les sou- dures, les emboitements et les. liaisons par contact ou frottement, ainsi que le refroidissement du tube laser concourent à modifier les caractéristiques de ce tube laser. Actuellement, on obtient donc des lasers dont la stabilité de l'alignement est toute relative et dont le prix de revient est très élevé. L'invention a donc pour objet une structure de laser à gaz permettant de pallier les inconvénients précédemment mentionnés et de réduire le coût de fabri- cation d'une telle structure. De façon plus précise, la structure de laser à gaz selon l'invention comporte: - un tube laser, - un tube enceinte dans lequel est monté le tube laser, - des dispositifs de réflexion disposés vis-à-vis des extrémités dudit tube laser, - des moyens d'orientation de ces dispositifs de réflexion, cette structure étant caractérisée en ce que les dispo- sitifs de réflexion ainsi que les moyens d'orientation associés sont montés sur le tube enceinte indépendam- ment du tube laser. Selon un mode préféré de réalisation, le tube laser est monté dans le tube enceinte par des moyens de fixation autorisant la libre dilatation du tube laser par rapport au tube enceinte. Selon un mode préféré de réalisation, le sup- port comprend un tube obturé par deux disques disposés chacun aux deux extrémités du tube et percés chacun d'un orifice, le tube laser étant disposé dans le tube enceinte et traversant les orifices. De préférence, les dispositifs de réflexion sont respectivement supportés par deux têtes fixées sur chacun des disques et constituées chacune de deux piè- ces reliées par une membrane élastique, l'une des piè- ces étant fixée sur le disque correspondant et L'autre pièce portant le dispositif de réflexion correspondant, de telle sorte que chaque tête forme une cavité étanche dans laquelle débouche le tube laser. Lesdits moyens d'orientation orientent les pièces portant les dispositifs de réflexion de telle sorte que ces dispositifs de réflexion soient perpendi- culaires à l'axe du tube laser. Des tubes de refroidissement débouchent dans le tube permettant l'introduction et la sortie d'un fluide réfrigérant circulant entre le tube laser et le tube enceinte. Des tubulures d'arrivée de gaz et de pompage traversant le tube sont reliées au tube laser. Des tubulures d'arrivée de gaz communiquent avec lesdi- tes cavités. Avantageusement, lesdits moyens de fixation du tube laser sur le tube enceinte sont constitués par une colle souple. De préférence, les liaisons du tube et des têtes sur les disques sont assurées par collage rigide. Les liaisons entre les tubulures et le tube, entre les pièces de chacune des têtes et les manchons, entre les tubes de refroidissement et le tube sont commodément assurées par collage souple. De façon avantageuse le tube, le tube laser et les disques sont en silice et les membranes sont métalliques. Avantageusement, les pièces portant les dis- positifs de réflexion sont pourvues de moyens de refroidissement. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront plus précisément de la des- cription qui suit, donnée à titre explicatif mais nul- lement limitatif, en référence aux figures annexées, sur lesquelles: - - la figure 1 représente, en coupe, un mode préféré de réalisation de la structure de laser selon L'invention, - la figure 2 représente, en coupe selon le plan A-A de la figure 3, une des têtes métalliques et son dispositif de réflexion, et - la figure 3 représente, en coupe brisée se- lon le pLan B-B de la figure 2, une des têtes métalLi- ques avec en particulier lesdits moyens d'orientation. Un mode préféré de réalisation de la struc- ture de laser à gaz selon l'invention est représenté sur la figure 1. Cette structure comporte tout d'abord un pre- mier tube 2 aux extrémités duquel sont disposés deux disques 4, 6. L'ensemble formé par le tube 2 et les deux disques 4, 6 est appeLé tube enceinte. Deux orifi- ces 8, 10 sont respectivement percés seLon l'axe de chacun des disques 4, 6. Un deuxième tube 12, dit tube laser, est placé coaxialement dans le tube 2 et tra- verse les deux orifices 8, 10. Le tube laser 12 définit un axe fictif 13 suivant lequel se propage le faisceau laser. Le tube 2 est de grand diamètre (par exemple mm pour un tube de 1120 mm de long), ce qui permet de diminuer les risques de flexion de ce tube (par aug- mentation de son moment d'inertie). Le tube 2, le tube laser 12 et les deux dis- ques 4, 6 sont en silice, matériau dont le coefficient de dilatation thermique est pratiquement négligeable. Ils peuvent être également en verre de silice. Les deux disques 4, 6 sont fixés à chaque extrémité du tube 2 au moyen d'une colle rigide résis- tante à l'eau, du type colle époxy, déposée en fines couches 14, 15 sur les extrémités du tube enceinte 2, quatre congés 16, 17, 18, 19 de colle étant alors for- més sur les parois intérieure et extérieure du tube et Les faces en vis-à-vis des disques 4, 6. Le tube laser 12 est fixé dans les orifices 8, 10 des deux disques 4, 6 au moyen d'une colle souple étanche à l'eau, du type colle silicones. L'espace compris entre le tube 2, le tube laser 12 et les deux disques 4, 6 forme donc une enceinte 20 étanche dans laquelle circule un fluide réfrigérant qui est ordinairement de l'eau dont l'in- troduction et l'évacuation sont assurées par deux tubes de refroidissement 22, 24 débouchant dans ladite enceinte 20. Le tube 22 est disposé près du disque 4 et le tube 24 près du disque 6. Des tubulures d'arrivée de gaz 26, 28, 30 et des tubulures de pompage 32 traversent le tube enceinte 2 et débouchent dans le tube laser 12. Des électrodes 26a, 28a, 30a sont respectivement disposées dans lesdi- tes tubulures 26, 28, 30. L'étanchéité de l'enceinte 20 entre le tube 2 et lesdits tubes de refroidissement 22, 24 et lesdites tubulures 26, 28, 30, 32 est assurée notamment par des joints 22a, 24a, 26b, 28b, 30b, 32b de colle souple étanche à l'eau. Deux têtes 34, 36 de longueur la plus réduite possible sont respectivement fixées sur les disques 4, 6. La tête 34 se compose de deux pièces 38, 40 annulaires, reliées par une membrane 42 annulaire. La première pièce 38 est fixée sur le disque 4 au moyen d'une colle rigide du type colle époxy. Une tubulure d'arrivée de gaz 44 traverse la paroi de la première pièce 38 et est fixée sur celleci par un connecteur 46. La deuxième pièce 40 comporte un épaulement inté- rieur sur lequel est appliqué un dispositif de réflexion tel qu'une lame semi-transparente 48. Un cha- peau 50 fixé sur la deuxième pièce 40 vient bloquer la lame 48 contre ledit épaulement intérieur. Deux joints 52, 54 assurent l'étanchéité entre la deuxième pièce 40 et la lame 48. La membrane 42 est par exemple collé de façon étanche sur des épaulements formés sur les pièces 38 et 40. Une telle disposition permet d'obtenir une cavité étanche 56 dont le fond est constitué par la lame 48 et dans laquelle débouche le tube laser 12. Une membrane 42 a une forme telle qu'elle est élastique et permet donc un réglage de l'orientation de la deuxième pièce 40 par rapport à la première pièce 38. Des moyens d'orientation et de blocage de cette deuxième pièce 40 par rapport à la première pièce 38 sont représentés sur les figures 2 et 3. Ces moyens sont constitués par quatre vis pa- rallèles à l'axe 13 du tube laser, disposées autour de la membrane 42 et traversant les deux pièces 38, 40. Elles sont disposées à 90 les unes des autres autour de l'axe 13. Ces vis sont composées de deux vis tiran- tes 58, 60 et de deux vis poussantes 62, 64 disposées alternativement. La vis tirante 58 comporte une tête 66 noyée dans la première pièce 38. Un écrou 68 permet le ser- rage de la deuxième pièce 40 vers la première pièce 38 par l'intermédiaire d'une rondelle convexe 70 et d'une rondelle concave complémentaire 72 placées entre la deuxième pièce 40 et l'écrou 68. La vis poussante 62 comporte une tige 76 dont une extrémité porte une tête 74 noyée et collée dans la première pièce 38, l'autre extrémité étant plane et si- tuée entre les deux pièces 38, 40. Une tige filetée 78 pourvue d'une bille 80 à une extrémité est vissée dans la deuxième pièce 40 de telle sorte que la bille 80 s'applique contre l'extrémité plane de la tige 76. Le vissage de la tige filetée 78 tend à écarter la deuxième pièce 40 de la première pièce 38. Grâce à l'élasticité de la membrane 42, les quatre vis 58, 60, 62 et 64 permettent d'orienter la deuxième pièce 40 par rapport à la première pièce 38 afin d'aligner la normale à la lame semi-transparente 48 avec l'axe 13 du tube laser. La deuxième pièce 40 est pourvue de moyens de refroidissement constitués par exemple d'un tube annu- laire 82 isolé élastiquement disposé dans une gorge 84 usinée sur la face extérieure de cette deuxième pièce 40. Un fluide réfrigérant circule dans le tube 82. Un couvercle 86 obture la gorge 84 et enferme ledit tube 82. La deuxième tête 36 est réalisée de façon similaire à la première tête 34. Elle sera donc décrite plus succinctement à l'aide de la figure 1. La deuxième tête 36 comporte une première pièce annulaire 88 collée au disque 6 par une fine cou- che de colle rigide type colle époxy, et une deuxième pièce annulaire 90 reliée à la première pièce 88 par une membrane 92 élastique annulaire. Un miroir 94 à réflexion totale fixé par deux joints 96, 98 et un cha- peau 100 est logé dans la deuxième pièce 90. La pièce comporte également des moyens de refroidissement 102 similaires à ceux de la piece 40. La première pièce 88 comprend une tubulure d'arrivée de gaz 104 débouchant dans une cavité 106 étanche formée à l'intérieur des pièces 88, 90, de la membrane 92 collé à ces deux piè- ces et du miroir 94. Le tube laser 12 débouche dans cette cavité 106. Des moyens d'orientation de la deuxième piece par rapport à la première pièce 88 sont disposés dans la deuxième tête 36 de façon identique à la pre- mière tête 34. Ils sont constitués de quatre vis per- mettant d'aligner la normale au miroir 94 avec l'axe 13 du tube Laser. De préférence, les têtes 34, 36 sont en al- Liage d'aluminium bon conducteur de la chaleur et les membranes 42, 92 sont en acier inoxydable. La structure de laser à gaz qui vient d'être décrite est très avantageuse en ce qui concerne Les contraintes dues à la chaleur. Comme il a été dit pré- cédemment, il est nécessaire de conserver l'alignement entre la normale à la lame semi-transparente 48, la normale au miroir à réflexion total 94 et l'axe 13 du tube laser 12. Or, la structure selon L'invention et surtout la répartition judicieuse de moyens de collage différents permettent de limiter les variations angu- laires intempestives mais aussi de diminuer fortement les bruits occasionnés par les dilatations, les frotte- ments, les Liaisons, bruits qui sont supprimés par Les collages. On diminue ainsi les effets de ruptures d'im- pédance thermique et mécanique dues aux discontinuités dans Le miLieu de propagation de La chaLeur.- PLus précisément, Le tube 2, Les disques 4, 6, Les premières pièces 38, 88 forment un ensemble ho- mogène et isotherme. IL n'y a donc pas dans ces pièces de contraintes dues à La dilatation thermique suscepti- bLes d'occasionner des variations anguLaires. Le tube Laser 12, dont la température est plus éLevée que l'ensemble précédent possède une cer- taine liberté de dilatation grâce au collage souple du tube laser 12 dans les orifices 8 et 10. Il en est de même pour les tubulures d'arrivée de gaz et de pompage 26, 28, 30, 32 grâce à leur collage souple sur le tube 2 par les joints 26b, 28b, 30b, 32b. - L'énergie électromagnétique transportée par le faisceau laser issu du tube laser 12 échauffe très fortement la lame semi-transparente 48 et le miroir 94 et ceux-ci pourraient se déformer dans leur logement. Les moyens de refroidissement 82, 102 et la bonne con- ductibilité thermique de l'alliage d'aluminium formant Les deuxièmes pièces 40 et 90 favorisent la diffusion de la chaLeur et permettent d'éviter toute déformation de la lame 48 et du miroir 94. De plus, la chaleur issue de la lame 48 et du miroir 94 ne diffuse pas vers les premières pièces 38, 88 grâce aux membranes 42 et 92 qui font office d'isolant thermique. La fonction d'orientation et de refroidissement des dispositifs de réflexion est -ainsi indépendante de la fonction de liaison de ces dispositifs avec le tube enceinte et de la fonction de liaison du tube laser avec le tube en- ceinte. La déformation thermique homogène des deuxièmes pièces 40 et 90 n'introduit donc aucune variation angu- taire des normales à la lame 48 et au miroir 94 par rapport à l'axe 13 du tube Laser 12. Les caractéristi- ques du laser se conservent ainsi, quelle que soit la puissance de fonctionnement du laser. Bien entendu, la description ci-dessus n'a été donnée qu'à titre d'exemple, toutes modifications dans les formes de réalisation pouvant être envisagées sans modifier le principe fondamental de l'invention. Par exemple, la longueur du tube et donc le nombre de tubulures d'arrivée de gaz et de pompage dé- pendent de la puissance désirée du faisceau laser. On peut envisager une structure de laser à gaz selon l'in- vention comportant deux tubulures d'arrivée de gaz 44, 104 dans les têtes 34 et 36 respectivement, une seule tubulure de pompage 28 sensiblement au milieu du tube enceinte, et trois électrodes 26a, 28a et 30a. Le sup- portage de la structure peut se faire par deux pieds en forme de V disposés sous le tube enceinte mais d'autres supports sont envisageables. REVENDICATIONS 1. Structure de laser à gaz comportant: - un tube laser (12), - un tube enceinte (2, 4, 6) dans lequel est monté le tube laser (12), - des dispositifs de réflexion (48, 94) disposés vis-à- vis des extrémités dudit tube laser (12), - des moyens d'orientation (58, 60, 62, 64) de ces dis- positifs de réflexion (48, 94), caractérisée en ce que les dispositifs de réflexion (48, 94) ainsi que les moyens d'orientation -(58, 60, 62, 64) associés sont montés sur le tube enceinte (2, 4, 6) indépendamment du tube laser (12). 2. Structure de laser à gaz selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce que le tube laser (12) est monté dans le tube enceinte (2, 4, 6) par des moyens de fixation autorisant la libre dilatation du tube laser (12) par rapport au tube enceinte (2, 4, 6). 3. Structure de laser à gaz selon l'une quel- conque des revendications I et 2, caractérisée en ce que le tube enceinte comprend un tube (2) obturé par deux disques (4, 6) disposés chacun aux deux extrémités de ce tube (2) et percés chacun d'un orifice (8, 10), le tube laser (12) étant disposé dans le tube enceinte (2, 4, 6) et traversant les orifices (8, 10). 4. Structure de laser à gaz selon la revendi- cation 3, caractérisée en ce que les dispositifs de réflexion (48, 94) sont respectivement supportés par deux têtes (34, 36) fixées sur chacun des disques (4, 6) et constituées chacune de deux pièces (38, 88), (40, ) reliées par une membrane élastique (42, 92), l'une des pièces (38, 88) étant fixée sur le disque (4, 6) correspondant et l'autre pièce (40, 90) portant le dis- positif de réflexion (48, 94) correspondant, de telle sorte que chaque tête forme une cavité (56, 106) étan- che dans laquelle débouche le tube laser (12). 5. Structure de laser à gaz selon La revendi- cation 4, caractérisée en ce que lesdits moyens d'orientation (58, 60, 62, 64) permettent l'orientation des pièces (40, 90) portant les dispositifs de réflexion (48, 94) de telle sorte que ces dispositifs de réflexion soient perpendiculaires à L'axe (13) du tube laser (12). 6. Structure de laser à gaz selon l'une quel- conque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que -des tubes de refroidissement (22, 24) débouchent dans le tube (2), permettant l'introduction et la sortie d'un fluide réfrigérant circulant entre le tube laser (12) et le tube (2). 7. Structure de laser à gaz selon l'une quel- conque des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que des tubulures (26, 28, 30, 32) d'arrivée de gaz et de pompage traversant le tube (2) sont reliées au tube laser (12). 8. Structure de laser à gaz selon l'une quel- conque des revendications 3 à 7, caractérisée en ce que des tubulures d'arrivée de gaz (44, 104) communiquent avec lesdites cavités (56, 106). 9. Structure de laser à gaz selon l'une quel- conque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que lesdits moyens de fixation du tube laser (12) sur le tube enceinte (2, 4, 6) sont constitués par une colle souple. 10. Structure de laser à gaz selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisée en ce que les liaisons du tube (2) et des têtes (34, 36) sur les disques (4, 6) sont assurées par collage rigide. 11. Structure de laser à gaz selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisée en ce que les liaisons entre les tubulures (26, 28, 30, 32) et le tube (2), entre les pièces (38, 88, 40, 90) de chacune des têtes (34, 36) et les membranes (42, 92), entre les tubes de refroidissement (22, 24) et le tube (2) sont assurés par collage. 12. Structure de laser à gaz selon l'une quelconque des revendications 3 à 11, caractérisée en ce que le tube (2), le tube laser (12) et les disques (4, 6) sont en silice. 13. Structure de laser à gaz selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, caractérisée en ce que les membranes (42, 92) sont métalliques. 14. Structure de laser à gaz selon l'une quelconque des revendications 4 à 13, caractérisée en ce que les pièces (40, 90) portant les dispositifs de réflexion (48, 94) sont pourvues de moyens de refroi- dissement (82, 102).