Brevet FR2579382A1 — publié le 19860926

La présente invention concerne un dispositif d'ali- mentation d'un tube laser, en particulier d'un tube laser à gaz ou à vapeurs métalliques. On sait que pour faire fonctionner un tube laser, il est nécessaire d'effectuer tout d'abord une préionisation du milieu laser puis une excitation du laser au moyen d'une impulsion de puissance injectée dans le plasma préionisé pendant un intervalle de temps permettant d'obtenir une inver- sion de population, c'est-à-dire un déplacement de molécules vers un état excité tel que le nombre de molécules à l'état excité soit supérieur au nombre de molécules au niveau de moindre énergie. L'émission laser se produit par le retour des molécules excitées vers leur niveau de moindre énergie. Dans le cas de lasers à gaz, du type à excitation transversale comme dans les lasers à excimères, on utilise couramment des rayons X ou des rayons ultra-violets pour effectuer la préionisation du milieu laser. Les dispositifs de préionisation par rayons X ou par rayons-ultra-violets sont toutefois coûteux et augmentent l'encombrement de l'ins- tallation laser. De plus, dans le cas des lasers à vapeurs métalliques, on ne peut utiliser une préionisation par rayons X ou par rayons ultraviolets en raison de la cadence de répétition élevée des décharges (1 à 100 kHz), de la faiblesse du courant de décharge (100 à 1 000 A), et du caractère longi- tudinal de l'excitation, c'est-à-dire que le champ électrique est appliqué parallèlement à l'axe de propagation du faisceau laser. Pour les lasers de ce type, la préionisation est obtenue en utilisant une partie de la décharge électrique. Pendant la phase de préionisation, l'énergie fournie par un circuit résonnant est partiellement stockée dans un condensateur qui se décharge brutalement dans le tube laser lorsque la décharge à travers celui-ci commence à s'établir. Toutefois, la décharge du condensateur de stockage ne peut être commandée et il arrive qu'au moment de cette décharge, le plasma ne soit pas bien préionisé. Dans ce cas, l'impédance du tube laser n'est pas propice à une optimisation des paramètres de la décharge telle que le champ électrique (dont l'optimum se situe entre 100 et 200 V/cm), ou la densité d'énergie injectée dans le plasma (dont l'optimum est de i mJ/cm3). De plus, lorsque l'on souhaite obtenir une puissance laser élevée avec des lasers à vapeurs métalliques, il est nécessaire d'accroitre le volume du tube laser, on constate alors une chute de l'énergie laser extractible par unité de volume de plasma. En effet, dans ce cas: a) la recombinaison en volume dans le plasma est plus longue et il devient nécessaire de travailler à des cadences de décharge plus faibles ce qui entraîne une perte de la préionisation résiduelle habituellement due à la cadence de répétition. Le temps d'établissement de la décharge dans le tube est donc de plus en plus long; b) le circuit d'excitation doit fournir une puissance proportionnelle au volume du tube, ce qui est en contradiction avec l'abaissement de la cadence de répétition de la décharge; c) lorqu'on accroit les dimensions du tube laser, l'inductance du tube s'accroit et sa résistance diminue. En conséquence le temps de montée du courant s'accroit et devient généralement supérieur à l'intervalle de temps maximum pendant lequel l'inversion de population peut exister qui est de l'ordre de 50ns. Un but de la présente invention est de proposer un dispositif d'alimentation d'un tube laser, notamment un tube laser à gaz qui permette d'assurer une préionisation appropriée du milieu laser et une décharge d'excitation rapide dans le tube laser. En vue de la réalisation de ce but, on prévoit selon l'invention un dispositif d'alimentation d'un tube laser comprenant des moyens de formation d'impulsions et des moyens de déclenchement d'impulsions, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de préionisation pour former une impulsion de préionisation, un circuit d'excitation pour former une impulsion d'excitation, et des moyens de synchro- nisation de l'impulsion de préionisation et de l'impulsion d'excitation. Ainsi, l'impulsion de préionisation amène le tube à décharge dans un état favorable et l'impulsion d'excitation assure dans le milieu laser une inversion de population dans l'intervalle de temps requis. Selon une version avantageuse de l'invention, les moyens de synchronisation comportent un interrupteur déclen- chable séparant le circuit de préionisation et le circuit d'excitation. Ainsi, le moment de la décharge d'excitation est obtenu simplement par le déclenchement de l'interrupteur déclenchable. Selon une version préférée de l'invention, l'inter- rupteur déclenchable est un interrupteur magnétique. Ainsi, le déclenchement de l'interrupteur est obtenu automatiquement par la mise en saturation du noyau de cet interrupteur. Selon un autre aspect préféré de l'invention, on prévoit des moyens de réglage du courant de remise à zéro de l'interrupteur magnétique. Ainsi, le moment du déclenche- ment de l'impulsion d'excitation du tube laser est aisément adapté aux conditions de fonctionnement de ce tube laser par la détermination du courant de remise à zéro approprié. Selon un premier mode de réalisation avantageux de l'invention, le dispositif d'alimentation comporte une self-inductance et une diode de blocage communes au circuit de préionisation et au circuit d'excitation, le circuit de préionisation comporte un condensateur de préionisation ayant une première borne reliée à la diode de blocage commune et aux moyens de déclenchement d'impulsions par l'intermédiaire d'une selfinductance de préionisation, et une seconde borne reliée à une borne du tube laser, à une impédance montée en parallèle au tube laser, et à une première borne de l'inter- rupteur magnétique, et le circuit d'excitation comprend un premier condensateur d'excitation ayant une première borne reliée à la diode de blocage commune par l'intermédiaire d'une self-inductance d'excitation, et une seconde borne reliée à une seconde borne de l'interrupteur magnétique et à un second condensateur d'excitation monté en parallèle au tube laser. Ainsi, dans la phase de préionisation, le condensateur de préionisation envoie une impulsion de préio- nisation dans le tube laser tandis que le premier condensateur d'excitation transfère son énergie dans le second condensateur d'excitation, et dans la phase d'excitation le second conden- sateur d'excitation envoie une impulsion d'excitation dès que le noyau de l'interrupteur magnétique est saturé. Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, le circuit de préionisation comprend un enrou- lement primaire d'un transformateur élévateur de tension à noyau saturable, cet enroulement primaire ayant une première borne reliée aux moyens de formation d'impulsions, et une seconde borne reliée à une borne du tube laser, à une impé- dance montée en parallèle au tube laser et à une première borne de l'interrupteur déclenchable, et le circuit d'exci- tation comporte un enroulement secondaire du transformateur à noyau saturable en série avec une self-inductance reliée à une seconde borne de l'interrupteur déclenchable, et un condensateur ayant une première borne reliée à la seconde borne de l'interrupteur déclenchable et une seconde borne reliée à une seconde borne du tube laser. Ainsi, le passage du courant de préionisation dans l'enroulement primaire du transformateur à noyau saturable provoque une remise à zéro de l'interrupteur magnétique et une désaturation progressive du noyau du transformateur, de sorte qu'à la fin de l'impulsion de préionisation, le circuit d'excitation est prêt à envoyer l'impulsion d'excitation au tube laser. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention résulteront encore de la description ci-après d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexes, parmi lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une représentation schématique d'un second mode de réalisation de l'invention. En référence à la figure 1, le dispositif d'alimen- tation comprend de façon classique un générateur de courant continu i derrière lequel est placé un circuit de filtrage comprenant une impédance 2 et un condensateur 3. A la suite du circuit de filtrage 2, 3, le dispositif comporte une self- inductance 4 et une diode de blocage 5 qui sont communes à un circuit de préionisation et un circuit d'excitation. Le circuit de préionisation comporte un condensateur de préio- nisation 6 ayant une première borne 7 reliée à la self- inductance commune 4 et à des moyens de déclenchement d'impulsions 8, par exemple un thyratron, par l'intermédiaire d'une self- inductance de préionisation 9, et une seconde borne 10 reliée à une première borne 11 d'un tube laser 12, à une impédance 13 montée en parallèle au tube laser 12, et à une première borne 14 d'un interrupteur magnétique 15. La seconde borne du tube laser est réunie à la seconde borne de l'inductance parallèle 13 et au moyen de déclenchement d'impulsions 8 par une masse commune. Dans le mode de réalisation préféré illustré, le circuit de préionisation comporte en outre un condensateur de stockage 16 relié en parallèle au tube laser 12 et à l'impédance parallèle 13. Le circuit d'excitation comprend un premier conden- sateur d'excitation 17 ayant une première borne 18 reliée à la selfinductance. commune 4 par l'intermédiaire d'une self-inductance d'excitation 19, et une seconde borne 20 reliée à une seconde borne 21 de l'interrupteur magnétique et à un second condensateur d'excitation 22 monté en paral- léle au tube laser 12. L'interrupteur magnétique 15 constitue ainsi un interrupteur déclenchable séparant le circuit de préionisation et le circuit d'excitation et forme donc des moyens de synchronisation de l'impulsion de préionisation et de l'impulsion d'excitation ainsi qu'il sera vu plus loin à propos du fonctionnement de ce mode de réalisation. Le dispositif comporte en outre des moyens de réglage du courant de remise à zéro de l'interrupteur magné- tique 15. Ces moyens de réglage du courant de remise à zéro comportent un circuit à impédance variable monté en déri- vation sur l'interrupteur magnétique et comprenant, par exemple, un transistor 23 protégé par une self-inductance 24 et une diode 25 en série avec l'émetteur et le collecteur du transistor 23. Le fonctionnement de ce premier mode de réalisation est le suivant: pendant la période o le thyratron 8 n'est pas déclenché, c'est-à-dire pendant l'intervalle de temps séparant les impulsions sur la grille de celui-ci, le condensateur 6 est chargé par le générateur de courant 1, le retour à la masse se faisant par l'impédance parallèle 13. De même, le condensateur 17 est chargé, le retour de courant se faisant d'une part par l'interrupteur magnétique et l'impédance parallèle 13 et d'autre part par la diode , la self-inductance 24 et le transistor 23. A ce propos, on notera que le courant de charge du condensateur 17 effectue en même temps la remise à zéro de l'interrupteur magnétique , et ouvre donc celui-ci par désaturation de son noyau magnétique. On sait en outre que l'instant de fermeture d'un interrupteur magnétique est déterminé par plusieurs facteurs, à savoir, les paramètres intrinsèques du circuit magnétique (sa section, le nombre de spires, la longueur du circuit magnétique), la loi de variation de la tension à ses bornes la variation d'induction magnétique du noyau entre le moment o il est remis à zéro et le moment o il est saturé. La variation d'induction magnétique dépend elle-même du courant de remise à zéro. Les paramètres intrinsèques étant fixés par construction et la variation de tension étant également fixée, par l'ensemble du circuit, on comprend donc que l'instant de fermeture de l'interrupteur 15 est déterminé uniquement par le courant de remise à zéro. Ce courant de remise à zéro est réglé selon un aspect de l'invention par la dérivation partielle du courant de charge du condensateur 17 dans l'impédance variable en dérivation formée par le transistor 23 protégé par la self inductance 24 et la diode 25. On comprend en effet que la partie de courant qui passe dans le transistor 23 ne passe pas dans l'interrupteur magné- tique 15. On détermine donc la variation d'induction magnétique du noyau de l'interrupteur magnétique 15, c'est-à-dire son instant de fermeture, par le gain du transistor 23. Lors d'une impulsion sur la grille du thyratron 8, celui-ci se ferme, ce qui déclenche une impulsion de préioni- sation par la décharge du condensateur 6 qui est ralentie par la selfinductance 9. Au début de la décharge, le tube laser 12 a une impédance très élevée et une partie de l'énergie en provenance du condensateur 6 est stockée dans le conden- sateur 16. Lorsque le tube laser 12 est partiellement mis en conduction, le condensateur 16 se décharge rapidement dans le tube laser 12 étant donné l'inductance réduite du circuit reliant le condensateur 16 au tube laser 12, complétant ainsi la préionisation du tube laser 12. Parallèlement à la préionisation du tube laser 12, la fermeture du thyratron 8 provoque le transfert de la charge du premier condensateur d'excitation 17 au second condensateur d'excitation 22. A ce propos, on notera que le premier condensateur d'excitation 17 et le second conden- sateur d'excitation 22 ont de préférence une capacité identique ou similaire. Le transfert de charge du condensateur 17 au condensateur 22 s'effectue relativement lentement en raison de la self-inductance 19. Lorsque la tension aux bornes du second condensateur d'excitation 22 est suffisamment élevée et celle aux bornes du tube suffisamment faible (c'est-à-dire à la fin de la décharge de préionisation), un courant commence à traverser l'interrupteur magnétique 15. Ce courant sature progressivement le noyau de l'interrupteur magnétique 15. Lorsque le noyau de l'interrupteur magnétique 15 est saturé, l'interrupteur magnétique est fermé, c'est-à-dire qu'il a une inductance très inférieure à celle du tube laser 12. Le condensateur 22 se décharge alors brutalement dans le tube laser 12 et provoque l'impulsion d'excitation. On constate donc que la synchronisation de l'impul- sion de préionisation et de l'impulsion d'excitation est obtenue par le déclenchement de l'interrupteur magnétique , et plus particulièrement, compte tenu des propriétés de cet interrupteur, par la détermination du courant de remise à- zéro de celui-ci. On remarquera également que les deux self-inductances 9 et 19 ont pour effet non seulement de ralentir la montée du courant dans le circuit auquel elles sont intégrées, protégeant ainsi le thyratron 8, mais égale- ment de permettre un réglage grossier de la synchronisation entre l'impulsion de préionisation et l'impulsion d'excitation. La figure 2 illustre un autre mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, les éléments identiques ont été désignés par les mêmes références numériques. Le dispositif comporte, comme dans le cas précédent, un générateur de courant continu 1 placé devant un circuit de filtrage comprenant une impédance 2 et un condensateur 3. L'alimentation continue ainsi réalisée est reliée à un circuit résonant basse tension, généralement désigné en 26 et comportant d'une façon connue en elle-même une charge résonante saturable 27, une diode de blocage 31, un conden- sateur 28, une self-inductance 29, des thyristors de déclen- chement d'impulsions 30 (plusieurs thyristors 30 sont de préférence utilisés afin de diminuer la différence de potentiel auquel chacun d'entre eux est soumis), une diode de charge 54 et une impédance de protection 55. Le circuit résonant basse tension 26 est relié à un enroulement primaire 32 d'un tranformateur élévateur de tension 33 ayant un enroulement secondaire 34 relié à une série d'étages de compression d'im- pulsion en cascade 35.1, 35.2... 35.n. L'étage de compression 35.1 comporte un interrupteur magnétique 36.1 associé à un condensateur 37.1 pour former à un circuit résonant haute tension fournissant une impulsion raccourcie par rapport à l'impulsion transmise par l'enroulement secondaire 34 du transformateur 33. L'interrupteur magnétique 36.1 comporte une boucle de remise à zéro 38.1 reliée à un circuit de mise à zéro 39.1. Le circuit de remise à zéro 39.1 comporte de façon connue en soi une charge résonante saturable 40.1, une diode de blocage 45.1, un condensateur 41.1, une impédance variable 42.1, une self-inductance 43.1, un thyristor de déclenchement d'impulsion de remise à zéro 44.1 et une diode de charge 56.1. Chacun des étages de compression successifs montés en cascade a une structure analogue à celle de l'étage de compression 35.1, le gain de chaque étage allant toutefois en diminuant afin de permettre un transfert d'énergie suffi- sant d'un étage à l'autre, tout en effectuant la compression de la durée de l'impulsion haute tension. Le nombre d'étages est déterminé en fonction de la durée des impulsions initiales, la durée de l'impulsion finale délivrée par l'étage 35.n étant déterminée par les caractéristiques du tube laser 12 utilisé. En particulier, pour un laser à gaz, on détermine le nombre n d'étages de compression pour que l'impulsion finale ait une durée de l'ordre de 150 à 200 ns. Dans ce mode de réalisation, le circuit de préionisation comporte un enroulement primaire 46 d'un transformateur élévateur de tension à noyau saturable 47, cet enroulement primaire 46 ayant une première borne 48 reliée à la sortie du dernier interrupteur magnétique 36.n des moyens de formation d'impulsions, et une seconde borne 53 reliée à une borne du tube laser 12, à une impédance 13 montée en parallèle au tube laser 12 et à une première borne 14 de l'interrupteur magnétique 15. Le circuit d'excitation comporte un enroulement secondaire 49 du transformateur 47 en série avec une self- inductance 19 reliée à une seconde borne 21 de l'interrupteur magnétique 15, et un condensateur 22 ayant une première borne reliée à la seconde borne 21 de l'interrupteur magnétique et une seconde borne reliée à la seconde borne du tube à laser 12 par la masse commune. De la même façon que précédemment, le circuit comporte une boucle de dérivation du courant de remise à zéro de l'interrupteur magnétique , cette boucle comportant un transistor 23 dont la liaison émetteur-collecteur est en série avec une self- inductance 24 et une diode 25. Le transformateur à noyau saturable 47 comporte une boucle de saturation 50 alimentée de façon per- manente par un générateur de courant continu 51, le courant dans la boucle 50 étant réglé par une résistance variable 52. Le fonctionnement de ce second mode de réalisation est le suivant: en l'absence de déclenchement d'impulsions par le thyristor 30, le courant continu traversant la boucle de saturation 50 sature le noyau du transformateur 47 de sorte que l'enroulement primaire 46 et l'enroulement secondaire 49 sont désolidarisés. Lorsqu'une impulsion est déclenchée par le thyristor 30, cette impulsion se transmet successive- ment dans le transformateur 33 et les étages de compression 35.1, 35.2... 35.n en fermant successivement les interrupteurs magnétiques 36.1, 36.2... 36.n. Au moment de la fermeture de l'interrupteur magnétique 36.n, le condensateur 37.n commence à se décharger dans le tube laser 12 assurant ainsi la préioni- sation de ce tube et assurant simultanément la remise à zéro de l'interrupteur magnétique 15. A cet effet, le courant de remise à zéro traverse l'interrupteur magnétique 15 et le transistor 23 montés en dérivation, la self-inductance 19 et l'enroulement secondaire 49. Le courant de préionisation, supérieur au courant de la boucle 50, assure également la désaturation du noyau saturable du transformateur 47. Lorsque le transformateur 47 est désaturé, la plus grande partie de l'énergie restée dans le condensateur 37.n sert à charger le condensateur 22 à une tension dans le rapport de trans- formation du transformateur 47. Lorsque la tension du conden- sateur 22 devient supérieure à celle du tube laser 12, un courant commence à traverser l'interrupteur magnétique 15 jusqu'au moment o celui-ci se ferme et permet la décharge très rapide du condensateur 22 dans le tube laser 12 provoquant ainsi l'impulsion d'excitation dans le tube laser 12. Dans ce mode de réalisation, comme dans le premier mode de réalisation, l'instant o l'interrupteur magnétique 15 se ferme est réglé à l'avance par le courant de remise à zéro de cet interrupteur magnétique 15, luimême déterminé par l'impédance du transistor 23. On constate que ce second mode de réalisation peut être réalisé uniquement à partir de dispositifs semi- conducteurs en remplacement du thyratron 8 du premier mode de réalisation et peut donc être réalisé de façon plus écono- mique que le premier mode de réalisation avec des composants ayant une grande durée de vie. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus et on peut y apporter des variantes de réalisation. En particulier, on peut remplacer l'interrupteur magnétique 15 par une série d'interrupteurs magnétiques disposés en série o par un interrupteur déclenchable équi- valent. De même, le transistor 23 de la boucle de dérivation du courant de remise à zéro de l'interrupteur magnétique peut être remplacé par d'autres moyens réalisant une impé- dance variable. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation d'un tube laser compre- nant des moyens de formation d'impulsions et des moyens de déclenchement d'impulsions, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de préionisation (4, 6; 36.n, 46) pour former une impulsion de préionisation, un circuit d'excitation (17, 22; 49, 22) pour former une impulsion d'excitation, et des moyens de synchronisation (15) de l'impulsion de préionisation et de l'impulsion d'excitation. 2. Dispositif d'alimentation d'un tube laser conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de synchronisation comportent un interrupteur déclenchable (15) séparant le circuit de préionisation et le circuit d'excita- tion. 3. Dispositif d'alimentation d'un tube laser conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que l'interrupteur déclenchable est un interrupteur magnétique (15). 4. Dispositif d'alimentation d'un tube laser,conforme à la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de réglage (23) d'un courant de remise à zéro de l'inter- rupteur magnétique (15). 5. Dispositif d'alimentation d'un tube laser conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de réglage du courant de remise à zéro comportent un circuit à impédance variable (23) monté en dérivation sur l'inter- rupteur magnétique (15). 6. Dispositif d'alimentation d'un tube laser conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit à impédance variable comprend un transistor (23) protégé par une self-inductance (24) et une diode (25) en série avec le transistor (23). 7. Dispositif d'alimentation d'un tube laser conforme à la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte une self-inductance (4) et une diode de blocage (5) communes au circuit de préionisation et au circuit d'excitation, en ce que le circuit de préionisation comporte un condensateur de préionisation (6) ayant une première borne (7) reliée à la diode de blocage commune (5) et aux moyens de déclen- chement d'impulsions (8) par l'intermédiaire d'une self- inductance de préionisation (9), et une seconde borne (10) reliée à une borne (11) du tube laser (12), à une impédance (13) montée en parallèle au tube laser (12), et à une première borne (14) de l'interrupteur magnétique (15), et en ce que le circuit d'excitation comprend un premier condensateur d'excitation (17) ayant une première borne (18) reliée à la diode de blocage commune (5) par l'intermédiaire d'une self-inductance d'excitation (19), et une seconde borne (20) reliée à une seconde borne (21) de l'interrupteur magnétique (15) et à un second condensateur d'excitation (22) monté en parallèle au tube laser (12). 8. Dispositif d'alimentation d'un tube laser conforme à l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les moyens de formation d'impulsions comportent un circuit résonant basse tension (26) relié à un enroulement primaire (32) d'un transormateur élévateur de tension (33) et une série d'étages de compression d'impulsions (35.1 - 35.n) reliés à un enrou- lement secondaire (34) du transformateur (33), et en ce que les moyens de déclenchement d'impulsions (30) sont intégrés au circuit résonant basse tension (26). 9. Dispositif d'alimentation d'un tube laser conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que chaque étage de compression (35.1 - 35.n) comporte un circuit résonant comprenant un condensateur (37.1 - 37.n) et un interrupteur magnétique (36.1 - 36.n) pourvu d'une boucle de remise à zéro (38.1 - 38.n). - 10. Dispositif d'alimentation d'un tube laser conforme à la revendication 8 ou à la revendication 9, caractérisé en ce que le circuit de préionisation comporte un enroulement primaire (46) d'un transformateur élévateur de tension à noyau saturable (47), cet enroulement primaire (46) ayant une première borne (48) reliée aux moyens de for- mation d'impulsions (36.n) et une seconde borne (53) reliée à une borne du tube laser (12), à une impédance (13) montée en parallèle au tube laser (12) et à une première borne (14) de l'interrupteur déclenchable (15), et en ce que le circuit d'excitation comporte un enroulement secondaire (49) du trans- formateur à noyau saturable (47) en série avec une self- inductance d'excitation (19) reliée à une seconde borné (21) de l'interrupteur déclenchable (15), et un condensateur (22) ayant une première borne reliée à la seconde borne (21) de l'interrupteur déclenchable (15) et une seconde borne reliée à une seconde borne du tube laser (12).