Brevet FR2573931A1 — publié le 19860530

-- 1 -- Générateur laser à flux gazeux et procédé de fonctionnement de ce généra- teur La présente invention concerne un générateur laser à flux gazeux et un procédé de fonctionnement de ce générateur. Ce générateur laser à flux gazeux est d'un type comportant - des moyens pour créer une cavité optique résonnante suivant un axe, - un tube à décharge disposé dans la cavité suivant ledit axe, - des moyens d'introduction d'un gaz laser dans le tube, - des moyens d'aspiration du gaz laser hors du tube, - une première et une deuxième électodes comportant chacune une ouver- ture centrale, ces électrodes étant disposées suivant ledit axe de façon qu'elles soient en contact avec le gaz laser introduit dans le tube, - des moyens pour porter les première et deuxième électrodes respective- ment à deux potentiels électriques différents, de façon à créer entre ces électrodes une décharge électrique dans le gaz laser contenu dans le tube, cette décharge provoquant la formation d'un rayonnement laser axial oscillant dans la cavité et traversant les ouvertures centrales des première et deuxième électrodes - et des moyens pour faire sortir de la cavité une partie du rayonnement laser afin de former un faisceau laser. Un générateur laser de ce type est décrit dans la demande de brevet européen publiée sous le numéro 0015297. Dans ce générateur, le gaz laser est introduit axialement dans le tube à travers l'ouverture cen- trale de la première électrode et à travers des ouvertures périphériques de cette électrode. Ce générateur laser présente un inconvénient: la puissance spécifique de décharge de ces générateurs, c'est-à-dire la puissance électrique maximale qu'il est possible de développer dans la décharge électrique, divisée par le volume de décharge, est limitée à une valeur relativement faible. Il en résulte une limitation correspondante de la puissance de sortie de ces générateurs laser. La présente invention a pour but de pallier cet inconvénient et de réaliser des générateurs laser à flux gazeux particulièrement simples, de grande puissance et de rendement élevé. La présente invention a pour objet un générateur laser à flux gazeux, du type mentionné ci-dessus, caractérisé en ce que lesdits -2- moyens d'introduction du gaz laser dans le tube comportent des canaux d'injection de gaz disposés dans la première électrode, les axes d'in- jection de ces canaux étant orientés vers la deuxième électrode et inclinés par rapport à l'axe de la cavité d'un angle sensiblement égal à 45 degrés, le nombre et la section des canaux étant choisis pour que l'injection du gaz laser dans le tube puisse s'effectuer à une vitesse au moins égale à celle du son. Dans ce générateur laser, lesdits moyens d'introduction du gaz laser dans le tube peuvent comporter en outre une chambre disposée dans la première électrode, cette chambre pouvant être reliée à une source de gaz laser et être en communication par lesdits canaux d'injection avec le volume intérieur du tube à décharge. De plus, ce générateur laser peut comporter en outre des moyens pour faire circuler un liquide de refroi- dissement dans la première électrode. Dans un mode de réalisation avantageux, ce générateur laser comporte en outre - une troisième électrode identique à la deuxième électrode et en contact avec le gaz laser introduit dans le tube, la deuxième et la troisième électrodes étant disposées dans une partie médiane du tube, une quatrième électrode analogue à la première électrode et en contact avec le gaz laser introduit dans le tube, la première et la quatrième électrodes étant disposées respectivement dans les deux parties extrêmes du tube, les axes d'injection des canaux de la quatrième électrode étant orientés vers la partie médiane du tube, - que lesdits moyens pour porter les première et deuxième électrodes respectivement à deux potentiels électriques différents sont capables de porter la troisième électrode au même potentiel que celui de la deuxième électrode, et de porter la quatrième électrode au même potentiel que celui de la première électrode et que les moyens d'aspiration du gaz laser hors du tube comportent une pompe dont l'entrée est reliée par une première canalisation à une ouverture du tube située entre les deuxième et troisième électrodes, la sortie de la pompe étant reliée par une deuxième et troisième canalisa- tions respectivement à la première et à la quatrième électrodes pour alimenter leurs canaux d'injection en gaz laser. 3- Dans ce mode de réalisation, deux échangeurs thermiques peuvent être disposés respectivement sur les deuxième et troisième canalisa- tions. La présente invention a aussi pour objet un procédé de fonctionne- ment de ce générateur laser consistant à maintenir à l'amont desdits canaux d'injection une pression de gaz laser supérieure d'au moins cinquante pour cent à la pression de gaz laser dans le tube, deux poten- tiels électriques différents étant appliqués respectivement sur les pre- mière et deuxième électrodes, de façon à créer entre ces électrodes une décharge électrique dans le gaz laser inJecté dans le tube. Plusieurs formes particulières d'exécution de l'objet de la pré- sente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en réfé- rence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement en coupe longitudinale un mode de réalisation possible du générateur laser selon l'invention, - la figure 2 est une vue montrant, en coupe suivant un plan axial, une variante d'une électrode d'injection du générateur laser selon l'inven- tion, et l'adaptation de cette électrode à un tube laser de petit diamè- tre, - la figure 3 montre, en vue de face, l'électrode d'injection illustrée par la figure 2, - la figure 4 est une vue montrant, en coupe suivant un plan axial, une autre variante d'une électrode d'injection du générateur laser selon l'invention, et l'adaptation de cette électrode à un tube laser de grand diamètre - et la figure 5 représente schématiquement en coupe longitudinale, un mode de réalisation préféré du générateur laser selon l'invention. Sur la figure 1 est représenté un tube isolant 1 de forme générale cylindrique autour d'un axe 2. Le tube 1 est fermé à ses deux extrémités respectivement par un miroir convexe 3 et un miroir concave 4. Les faces réfléchissantes de ces deux miroirs sont en regard l'une de l'autre de manière à former une cavité optique résonnante instable d'axe 2. Dans les deux parties extrêmes du tube 1 sont encastrées deux électrodes annulaires 5 et 6 centrées sur l'axe 2. Ces électrodes peuvent être réalisées en cuivre, en nickel ou en un autre métal conduc- -4 teur. L'électrode 5 comporte une chambre interne annulaire 7 qui peut être reliée par une canalisation à une source 8 de gaz laser. Ce gaz peut être par exemple un mélange de gaz carbonique, d'azote et d'hélium. De la chambre 7 partent des canaux d'injection de gaz, tels que 9 et 10, débouchant sur la surface cylindrique intérieure de l'électode 5. Ces canaux définissent des axes d'injection tels que 11 et 12 orientés vers l'électrode 6 et inclinés par rapport à l'axe 2 de la cavité d'un angle sensiblement égal à 45 degrés. L'électrode 5 comporte également des canaux internes 13 et 14 connectés à un système de circulation de fluide 15. L'électrode 6, qui peut être constituée par un simple anneau métallique, sans chambre interne ni canaux, est connectée électriquement à travers un interrupteur 16 au pôle positif d'un générateur électri- que 17 à haute tension. Le pôle négatif du générateur 17 ainsi que l'électrode 5 sont connectés à la masse de l'installation. Le tube 1 comporte sur sa surface cylindrique extérieure, entre l'électrode 6 et le miroir 4, une ouverture reliée par une canalisation non représentée à un système de pompage 18. Un réflecteur plan annulaire 19 est placé dans le tube 1 entre l'électrode 5 et le miroir 3. Le réflecteur 19 est dis- posé suivant l'axe 2 et incliné à 45 degrés sur cet axe. Une fenêtre 20 est encastrée dans la paroi cylindrique extérieure du tube 1 entre l'électrode 5 et le miroir 3 pour laisser sortir du tube un faisceau lumineux renvoyé par le réflecteur 19. Le générateur laser décrit ci-dessus et illustré par la figure 1 fonctionne de la manière suivante. La source 8 est reliée à la chambre 7 pour l'alimenter en gaz laser, celui-ci étant injecté dans le tube 1 par les canaux 9 et 10 suivant les axes d'injection 11 et 12. Par ailleurs le système de pompage 18 permet d'aspirer hors du tube 1 le gaz laser injecté. Le nombre et la section des canaux 9, 10 est choisi de manière que l'inJec- tion du gaz dans le tube puisse s'effectuer à une vitesse au moins égale à la vitesse du son. Pour cela, il est nécessaire que la pression du gaz laser dans la chambre 7, à l'amont des canaux d'inJection soit supérieure d'au moins cinquante pour cent à la pression de gaz laser régnant dans le tube 1. Dans le fonctionnement du laser selon l'art antérieur cité plus 5- haut, le rapport de pression gazeuse entre l'amont et l'aval de la cathode est de l'ordre de 1,15. Après fermeture de l'interrupteur 16, l'électrode 6 est portée à un potentiel élevé par rapport à l'électrode 5, ce qui provoque une décharge électrique entre les deux électrodes dans le gaz laser circu- lant dans le tube 1. Il en résulte la formation d'un rayonnement laser oscillant dans la cavité optique résonnante, entre les miroirs 3 et 4, dans un volume cylindrique d'axe 2 traversant les ouvertures centrales des électrodes annulaires 5 et 6, le diamètre de ce volume correspondant au diamètre intérieur des électrodes. Une partie de l'énergie de ce rayonnement est prélévée par le réflecteur annulaire 19 dont la section intérieure est suffisante pour laisser passer le rayonnement oscillant entre les miroirs 3 et 4; le miroir 3 a un diamètre extérieur plus faible que celui du miroir 4 comme il apparait sur la figure. Le faisceau du rayonnement laser prélevé par le miroir 19 sort du tube en traversant la fenêtre 20 pour former un faisceau laser annulaire 21. Le système 15 permet de faire circuler dans les canaux 13 et 14 un fluide de refroidis- sement tel que l'eau. L'inclinaison à 45 des axes d'injection par rapport à l'axe du tube et la vitesse supersonique d'injection du gaz provoquent dans le tube un écoulement rapide de gaz, en régime turbulent. Il en résulte une décharge électrique homogène qui peut s'effectuer à une pression gazeuse nettemment plus élevée que celle du laser selon l'art antérieur. Grâce à son écoulement rapide, l'échauffement du gaz laser dans le tube est réduit. Le refroidissement, par circulation d'eau, de l'élec- trode d'injection du gaz évite la formation d'arcs dans la décharge électrique et augmente la durée de vie de cette électrode. Les deux miroirs de la cavité optique résonnante sont situés en dehors de la zone de décharge électrique, ce qui augmente la durée de vie de ces miroirs. Le générateur laser selon l'invention permet d'obtenir des déchar- ges électriques de puissance spécifique élevée. Des puissances spécifi- ques environ trois fois plus élevées que dans l'art antérieur ont été obtenues en utilisant un tube à décharge de 50 mm de diamètre. Il est possible ainsi de réaliser des générateurs laser de grande puissance de sortie ou délivrant des puissances de sortie égales à celles des généra- - 6 - teurs selon l'art antérieur, avec un encombrement réduit. Le tableau ci-dessous donne, à titre indicatif, des valeurs numé- riques illustrant le fonctionnement de quatre générateurs laser selon l'invention, utilisant un mélange contenant de l'azote, 4 à 6 % de gaz carbonique et 50 % d'hélium. On peut constater sur ce tableau que le rapport entre la pression Po du gaz laser en amont des canaux d'inJec- tion, mesurée par exemple dans la chambre 7, et la pression P1 de ce gaz dans la zone de décharge électrique tend à augmenter avec le diamètre du tube à décharge, tandis que la puissance spécifique de décharge est d'autant plus grande que le diamètre du tube à décharge est faible. Tube à décharge Canaux d'injection Rapport Puissance -: spécifique Diamètre Pression Débit Nombre Diamètre Pc/P1 P1 gazeux mm Torrs moles/s mm W/om3 22 80 0,2 12 3,1 1,8 > 10 50 40 0,8 12 8 2,2 5 40 1,4 12 8,5 4 3 40 2,8 24 8,4 4 2,5 La figure 2 est une vue partielle en coupe axiale d'un tube laser d'axe 35 comprenant un tube à décharge 22 de petit diamètre, raccordé par un élément conique 23 à un embout cylindrique 24 dont le diamètre est supérieur à celui du tube 22. L'électrode d'injection 25 est disposée coaxialement à l'intérieur de l'embout 24. La chambre d'injection 26 de cette électrode est cylindrique de révolution autour de l'axe 35 et ouverte sur la surface cylindrique extérieure de l'électrode. Deux joints toriques 27 et 28 sont disposés entre la surface cylindrique extérieure de l'électrode 25 et la surface cylindrique intérieure de l'embout 24, de façon à assurer l'étanchéité de la chambre 26. L'embout 24 comporte une ouverture 29 pour alimenter la chambre 26 en -7gaz laser. Huit canaux d'injection tels que 30 et 31 partent de la chambre 26 et traversent la paroi plane 32 de l'électrode 25, située du côté du tube à décharge 22. Ces canaux définissent des axes d'inJec- tion 33 et 34 inclinés à 45 sur l'axe 35 du tube laser et orientés vers l'autre électrode située à l'extrémité non représentée du tube 22. Bien entendu, un conducteur électrique, non représenté, fixé sur l'électro- de 25, traverse l'embout 24 de façon étanche afin d'appliquer à cette électrode le potentiel électrique convenable pour déclencher la décharge électrique. La figure 3 représente l'électrode 25 vue de face du côté du tube 22. Cette figure montre que les huit canaux d'injection sont répartis régulièrement autour de l'axe 35. Les différents axes d'injection sont placés sur un c8ne de sommet 36 situé sur l'axe 35, de révolution autour de cet axe. Le bord interrompu de l'embout 24 se prolonge vers un miroir de la cavité, comme représenté sur la figure 1. - La figure 4 représente une électrode d'injection 37 associée à un tube à décharge 38 de diamètre relativement grand, le tube 38 et l'élec- trode 37 étant coaxiaux suivant un axe 39. L'électrode 37, de forme générale annulaire comporte un épaulement cylindrique 40 dans lequel vient se loger l'extrémité du tube 38, l'étanchéité étant assurée par un joint torique 41. L'électrode 37 comporte une chambre intérieure annu- laire 42 qui peut être mise en communication par une ouverture, non visible sur la figure, avec une source de gaz laser. Des canaux-d'injec- tion tels que 43 et 44 partent de la chambre 37 pour venir déboucher sur la surface cylindrique intérieure de l'électrode 37. Ces canaux définis- sent des axes d'injection 45 et 46 inclinés à 45 sur l'axe 39. Les différents axes d'injection sont uniformément répartis autour de l'axe 35 et placés sur un c8ne de sommet 47 situé l'axe 39, de révolution autour de cet axe. Un tube non représenté supportant un miroir de la cavité laser peut être raccordé à l'électrode 37 par exemple par l'intermédiaire d'un autre joint torique, l'extrémité de ce tube se logeant dans un autre épaulement de l'électrode 37, du côté opposé à l'épaulement 40. Le générateur laser représenté surla figure 5 comporte un tube à décharge isolant de grande longueur 48. Dans la partie médiane de ce -8- tube, sont fixées deux électrodes annulaires coaxiales 49 et 50 connec- tées électriquement à travers des résistances 51 et 52 au pôle positif d'un générateur électrique haute tension 53 dont le pôle négatif est relié à la masse de l'installation. Aux deux extrémités du tube 48 sont fixés respectivement deux miroirs concaves et convexes 54 et 55, analo- gues aux miroirs 4 et 3 de la figure 1, formant une cavité optique résonnante instable suivant l'axe du tube 48. A proximité des miroirs 54 et 55 sont fixées sur le tube respectivement deux électrodes d'injection de gaz 56 et 57, analogues à l'électrode 5 de la figure 1, les axes d'injection des électrodes 56 et 57 étant orientés vers la partie médiane du tube. Les électrodes 56 et 57 sont reliées à la masse de l'installa- tion. Un miroir annulaire 58 incliné à 45 degrés sur l'axe du tube, et disposé dans la cavité entre l'électrode 57 et le miroir 55, permet de renvoyer à l'extérieur de la cavité, à travers une fenêtre 59 du tube, une partie du rayonnement oscillant dans la cavité pour former un fais- ceau laser annulaire 60. Une canalisation isolante 61 est raccordée d'une part à une ouverture située dans la partie médiane du tube 48 entre les électrodes 49 et 50, et d'autre part à l'entrée d'une pompe à vide 62. De la sortie de la pompe 62, partent deux canalisations 63 et 64 raccordées respectivement aux électrodes 56 et 57. Deux échangeurs ther- miques 65 et 66 sont disposés respectivement sur les canalisations 63 et 64. Les canalisations 63 et 64 peuvent être métalliques et reliées, ainsi que la pompe 22, à la masse de l'installation. Pour faire fonctionner le générateur laser illustré par la figure 5, on fait le vide dans le circuit de circulation de gaz puis on fait pénétrer dans ce circuit un gaz actif laser tel qu'un mélange de gaz carbonique d'azote et d'hélium. On met ensuite en marche la pompe 62 de façon à faire circuler le gaz laser dans le circuit suivant les flèches 71 à 74 et à inJecter le gaz actif laser à une vitesse superso- nique dans le tube 48 vers sa partie médiane, à travers les électrodes 56 et 57, suivant les axes d'inJection tels que 67 et 68 de l'électrode 56, et 69 et 70 de l'électrode 57. On met sous tension les électrodes 49 et , de façon à provoquer la formation de deux décharges électriques simultanées dans le tube 48, d'une part entre les électrodes 56 et 49 et d'autre part entre les électrodes 57 et 50. Il en résulte la formation -9d'un rayonnement laser oscillant entre les miroirs 54 et 55 de la cavité, le miroir 58 permettant de prélever une partie de l'énergie de ce rayon- nement pour former un faisceau laser 60 sortant du tube par la fenêtre 59. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux lorsqu'on désire utiliser une cavité instable avec un gain supérieur à 1. A titre indicatif, un laser à gaz carbonique de ce type muni d'un tube à décharge de diamètre 5 cm et de longueur utile totale de 160 cm peut délivrer une puissance laser supérieure à 2,5 kW. Les générateurs laser à gaz selon l'invention peuvent être utili- sés pour réaliser des appareils de soudure, de découpe ou de traitement thermique. - 10 - REVENDICATIONS 1/ Générateur laser à flux gazeux, comportant - des moyens pour créer une cavité optique résonnante suivant un axe, - un tube à décharge disposé dans la cavité suivant ledit axe, - des moyens d'introduction d'un gaz laser dans le tube, - des moyens d'aspiration du gaz laser hors du tube, - une première et une deuxième électodes comportant chacune une ouver- ture centrale, ces électrodes étant disposées suivant ledit axe de façon qu'elles soient en contact avec le gaz laser introduit dans le tube, - des moyens pour porter les première et deuxième électrodes respecti- vement à deux potentiels électriques différents, de façon à créer entre ces électrodes une décharge électrique dans le gaz laser contenu dans le tube, cette décharge provoquant la formation d'un rayonnement laser axial oscillant dans la cavité et traversant les ouvertures centrales des première et deuxième électrodes - et des moyens pour faire sortir de la cavité une partie du rayonnement laser afin de former un faisceau laser, caractérisé en ce que lesdits moyens d'introduction du gaz laser dans le tube comportent des canaux (9, ) d'injection de gaz disposés dans la première électrode (5), les axes d'injection (11, 12) de ces canaux étant orientés vers la deuxième élec- trode (6) et inclinés par rapport à l'axe (2) de la cavité d'un angle sensiblement égal à 45 degrés, le nombre et la section des canaux (9, 10) étant choisis pour que l'injection du gaz laser dans le tube (1) puisse s'effectuer à une vitesse au moins égale à celle du son. 2/ Générateur laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'introduction du gaz laser dans le tube comportent en outre une chambre (7) disposée dans la première électrode (5), cette chambre pouvant être reliée à une source (8) de gaz laser et étant en communication par lesdits canaux (9, 10) d'injection avec le volume intérieur du tube à décharge (1). 3/ Générateur laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (13, 14, 15) pour faire circuler un liquide de refroidissement dans la première électrode (5). 4/ Générateur laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre - i1 - - une troisième électrode (50) identique à la deuxième électrode (49) et en contact avec le gaz laser introduit dans le tube (48), la deuxième et la troisième électrodes (49, 50) étant disposées dans une partie médiane du tube (48), - une quatrième électrode (57) analogue à la première électrode (56) et en contact avec le gaz laser introduit dans le tube, la première et la quatrième électrodes (56, 57) étant disposées respectivement dans les deux parties extrêmes du tube (48), les axes d'injection (69, 70) des canaux de la quatrième électrode (57) étant orientés vers la partie médiane du tube (48), - que lesdits moyens pour porter les première et deuxième électrodes respectivement à deux potentiels électriques différents sont capables de porter la troisième électrode (50) au même potentiel que celui de la deuxième électrode (49), et de porter la quatrième électrode (57) au même potentiel que celui de la première électrode (56) - et que les moyens d'aspiration du gaz laser hors du tube comportent une pompe (62) dont l'entrée est reliée par une première canalisation (61) à une ouverture du tube (48) située entre les deuxième et troisième élec- trodes (49, 50), la sortie de la pompe (62) étant reliée par une deuxième et troisième canalisations (63, 64) respectivement à la première et à la quatrième électrodes (56, 57) pour alimenter leurs canaux d'injection en gaz laser. / Générateur laser selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre deux échangeurs thermiques (65, 66) disposés respecti- vement sur les deuxième et troisième canalisations (63, 64). 6/ Procédé de fonctionnement du générateur laser selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'il consiste à maintenir à l'amont desdits canaux d'injection (9, 10) une pression de gaz laser supérieure d'au moins cinquante pour cent à la pression de gaz laser dans le tube (1), deux potentiels électriques différents étant appliqués respectivement sur les première et deuxième électrodes (5, 6), de façon à créer entre ces électrodes une décharge électrique dans le gaz laser injecté dans le tube (1).