Brevet FR2589639A1 — publié le 19870507

i La présente invention concerne un appareil laser à gaz du type connu sous le nom de lasers à écoulement axial rapide. Ce sont des lasers à gaz dans lesquels la chaleur provenant du fonctionnement du laser est évacuée par circulation du gaz sans qu'il soit nécessaire de refroidir le tube à décharge laser lui-mme. Les lasers à écoulement axial rapide sont souvent des lasers à trajet sinueux, c'est-à-dire que la cavité optique du laser sinue dans un certain nombre de parties comprenant chacune un ou plusieurs tubes à décharge à gaz. Il est par conséquent nécessaire de prévoir non seulement un support mécanique pour les tubes à décharge à gaz, mais également des dispositions pour faire entrer le gaz dans le tube et le faire sortir du tube à décharge à gaz. Si le laser a une puissance débitée élevée, il n'est pas possible de faire simplement circuler le gaz dans chaque tube à décharge en série, et il existe par conséquent un certain nombre de circuits de circulation de gaz parallèles. Tout ceci participe à rendre compliquée la structure du laser et donc à augmenter le prix de ce dernier. Un but de la présente invention est de réaliser un appareil laser à gaz du type auquel il est fait référence ci- dessus et de construction relativement simple. Selon la présente invention, on réalise un appareil laser à gaz qui comprend plusieurs tubes à décharge à gaz disposés de manière à former une cavité optique sinueuse, chaque tube à décharge comportant au moins deux orifices d'écoulement de gaz qui lui sont associés et à travers lesquels un milieu gazeux actif pour laser peut s'écouler pour entrer dans le tube et sortir du tube, une structure de support disposée pour supporter les tubes à décharge à gaz et comportant au moins un élément support creux relié à un orifice d'écoulement de gaz de chaque tube à décharge à gaz, un échangeur de chaleur utilisable pour évacuer la chaleur du gaz s'écoulant à la sortie de chaque tube à décharge a gaz, des moyens de pompage pour faire circuler le gaz autour d'un certain nombre de circuits parallèles comprenant chacun au moins une partie d'un tube à décharge à gaz, l'élément support creux et l'échangeur de chaleur, et une paire d'électrodes associées à chaque tube à décharge à gaz afin de produire une décharge électrique à travers le gaz s'écoulant dans le tube. On va maintenant décrire l'invention en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un dessin schématique illustrant les principales caractéristiques d'un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est un dessin semblable d'un second mode de réalisation, - la figure 3 est une vue de face en élévation représentant les principales caractéristiques d'un laser selon l'invention, - la figure 4 est une vue le long de la ligne IV-IV de la figure 3, et - la figure 5 représente les principales caractéristiques de l'écoulement de gaz dans le laser de la figure 3. La figure 1 montre deux éléments supports tubulaires verticaux 1 et 2 et, supportes entre ces derniers, quatre tubes à décharge à gaz 3, 4, 5 et 6. Chacun des tubes à décharge à gaz comporte une électrode anode 7 vers l'une de ses extrémités et une électrode cathode 8 vers l'autre extrémité. Deux miroirs d'extrémité 9 et 10 sont supportés par l'élément 1 à une extrémité de chacun des tubes à décharge à gaz 3 et 6. Un miroir intermédiaire 11 est supporté par l'élément I à une extrémité de chacun des tubes à décharge à gaz 4 et 5. L'élément support 2 porte deux autres miroirs intermédiaires 12 et 13, le miroir 12 se trouvant à une extrémité des tubes à décharge 3 et 4 et le miroir 13 se trouvant à une extrémité des tubes à décharge 5 et 6. L'un des miroirs d'extrémité, par exemple le miroir 10, est fabriqué de manière à laisser passer partiellement le rayonnement, les autres miroirs étant entièrement réfléchissants. Les miroirs sont positionnés de manière à former une cavité optique sinueuse entre les deux miroirs d'extrémité 9 et 10 afin de permettre le fonctionnement du laser dans cette cavité. Un milieu gazeux actif, tel qu'un mélange de dioxyde de carbone, d'hélium et d'azote est prévu, et on le fait circuler à travers les tubes à décharge à gaz 3, 4, 5 et 6 au moyen d'une pompe de circulation 14 d'un type convenable. Le gaz provenant de la pompe passe à l'intérieur de l'élément support creux 1 et de là dans chacun des quatre tubes à décharge. Après passage dans les tubes à décharge, le gaz pénètre dans l'autre élément support creux et traverse un échangeur de chaleur 15 puis revient à la pompe. Il est nécessaire de prévoir des moyens d'alimentation en gaz d'un type ou d'un autre, qui ne sont pas représentés dans un but de simplicité. L'alimentation en gaz peut tre assurée à partir de bouteilles contenant les trois gaz, le gaz étant introduit dans le système par des vannes de régulation appropriées. Le gaz passe à partir de l'élément support 1 le long de quatre circuits parallèles avant d'atteindre l'élément support 2 et de revenir à un circuit commun de circulation. La disposition qui vient d'tre décrite peut Itre bien sGr modifiée de bien des manières. Il est par exemple possible de faire passer le gaz dans les tubes à décharge au travers de raccords ou orifices au centre de chaque tube, et de permettre au gaz de s'écouler vers l'extérieur le long de chaque tube vers les extrémités de celui-ci, o il s'écoule à l'intérieur des deux éléments supports 1 et 2. La figure 2 montre une telle disposition, toujours de manière schématique. Dans ce cas, on peut prévoir deux échangeurs de chaleur 15 séparés, reliés chacun à l'un des éléments supports 1 et 2. On peut utiliser une seule pompe 14 comme dans le cas de la figure 1, ou munir chaque circuit parallèle d'une pompe 14 séparée. Un répartiteur 16 alimente le gaz vers le centre de chaque tube et peut également intervenir comme élément support supplémentaire. On a l'habitude d'avoir dans chaque tube la décharge dans le gaz qui s'effectue depuis l'anode vers la cathode dans le sens de l'écoulement du gaz. Dans le mode de réalisation de la figure 2, par conséquent, chacun des tubes & décharge 3, 4, et 6 comporte deux anodes 7 et deux cathodes 8, de manière & former deux zones de décharge dans chaque tube. Ceci augmente la puissance débitée maximale du laser. Les figures 3, 4 et 5 montrent les caractéristiques principales d'une forme pratique de laser suivant l'invention. La figure 3 montre le laser complet, qui est un laser à trajet sinueux comportant cinq tubes & décharge 31, 32, 33, 34 et 35. Chacun de ceux-ci est supporté par deux éléments supports verticaux creux 36 et 37 qui sont reliés par un élément - horizontal creux 38 de manière à former une structure creuse en forme de H. Cette structure constitue le support principal du laser et repose sur une plaque de base 39. Chacun des tubes à décharge laser comprend deux pièces en forme de T 40 qui fournissent les orifices de sortie de l'écoulement de gaz venant du tube à décharge dans l'un ou l'autre des éléments supports 36 et 37. De chaque côté de chaque pièce en forme de T 40 se trouve une électrode cathode 42 et il existe donc quatre électrodes cathodes dans chacun des tubes à décharge 31 à 35. Chacun des tubes laser à décharge est aussi muni de quatre orifices d'entrée de gaz 43, qui sont en partie cachés sur la figure 3, et un raccord pour écoulement de gaz est fixé à chacun de ces orifices. Chaque raccord pour écoulement de gaz contient une électrode anode, située hors de l'axe du tube à décharge lui-même et non visible sur le dessin. L'extrémité de chaque tube à décharge est fixée & un assemblage 44 qui porte les miroirs d'extrémité 45 et les miroirs intermédiaires 46 qui forment la cavité optique sinueuse. Le miroir d'extrémité supérieur 45 forme la fenêtre de sortie du laser. Les assemblages 44 sont supportés par l'élément support en forme de H au moyen d'éléments de ch&ssis 47, et peuvent Vtre raidis par des entretoises ou des traverses (non représentées). La figure 4 montre également 2589639 divers éléments du système de circulation du gaz, c'est-à-dire les ventilateurs ROOTS de circulation 43, ies gaines d'alimentation en gaz 49 et ZG et Ies rcpmrtiteurs 51. Ceci sera décrit avec plus de détail ci-dessous. La figure 4 représente une vue de cSté en élivation des principales caractêristiques du laser de la figure 3. Un élément support vertical 36 est visible, reposant sur la plaque de base Z9 et supportant iassemblage d'e;trémitC 44. Le ventilateur ROOTS 48 est relié à l7élment support 36 par le gainage 52 ot à la ga!nm d7' &ia! Min 2P La figure 5 montre avec plus @r dtail le r( eau de circulation du gaz, sanc les btub déG charge e les ôrl!oe associés. Les orifices d'écoulement de gaz 41 dans les éléments supports 36 et 37 sont représentés, de même que lez ventilateurs ROOTS 48, les gaines d'alimentation 49 et 50 et les répartiteurs 51. La figure 5 montre comment chacun des répartiteurs 51 est relié à chaque orifice d'entrée de gaz 43 des tubes à décharge par un raccord pour écoulement de gaz 53. Ces raccords pour écoulement de gaz seront probablement des tuyaux flexibles. Le réseau complet de circulation du gaz est donc im suivant: le gaz pénètre dans chaque tube & décharge tasmcr L travers quatre oriFicc-5 dentrmé de gaz 43 et s3'coUem t 2co du tube ver7,!a Eas -udn a _ce:te e de sortie de zaz 4, L& i7 nr7v chmu e m t sc S' a l'intérieur des deux !eçz' ^upprt mrticau 36 et 37z et de là, à travers 1l Daine 52, verz r-un ou a2eutrm do cu-n, ventilateurs ROOTS 48. Sortant des ventilateurs, gaz passe dans la gaine 49 puis s'écoule à travers lesI dux tubes 53 vers les répartiteurs d'entrse 51 et revient aux tubes & décharge laser. Comme déjà mentionné, il est nécessaire d'évacuer du gaz la chaleur excédentaire alors que le gaz circule. Chacun des éléments supports verticaux 36 et 37 contient donc un échangeur de chaleur qui se présente sous la forme d'un ensemble de tubes transportant de l'eau ou un autre fluide convenable. Les échangeurs de chaleur dont les contours sont représentés sous le repère 54 sur la figure 4, s'étendent sur la majeure partie de la longueur des éléments supports 36 et 37. Si un ventilateur tombe en panne ou doit être arrfté pour une raison ou une autre, il est encore possible de faire circuler le gaz à travers l'élément horizontal creux 38 qui fait communiquer les deux éléments supports 36 et 37. Lors du fonctionnement, on fait donc circuler le gaz le long du circuit décrit en détail ci-dessus, le gaz passant dans les cinq tubes à décharge à gaz en parallèle. Chaque tube à décharge comporte quatre zones à décharge 'séparées, situées entre chacune des anodes et une cathode adjacente, et l'écoulement de gaz se fait toujours dans le sens allant d'une anode vers une cathode. Le laser décrit ci-dessus est construit autour d'une structure de support simple qui sert également comme partie du circuit de circulation du gaz et abrite d'une manière commode les échangeurs de chaleur. On peut modifier plusieurs des éléments décrits sans sortir du domaine de l'invention. Par exemple, on peut simplifier considérablement la construction et la disposition de chaque tube à décharge. De même, les échangeurs de chaleur peuvent Utre réalisés comme des unités séparées à l'extérieur des éléments supports 36 et 37. On peut utiliser des pompes à gaz autres que des ventilateurs ROOTS, bien que. étant donné les niveaux de débit de gaz habituellement nécessaires, il est conseillé d'utiliser une forme ou une autre de pompe à déplacement positif. Les constructions plus simples des figures 1 et 2 peuvent itre utilisées pour les lasers les plus simples et de basse puissance._ REVENDICATIONS 1. Appareil à laser à gaz, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs tubes à décharge à gaz disposes de manière à former une cavité optique sinueuse, chaque tube à décharge comportant au moins deux orifices d'écoulement de gaz qui lui sont associés et à travers lesquels un milieu gazeux actif pour laser peut s'écouler pour entrer dans le tube et sortir du tube, une structure de support disposée pour supporter les tubes à décharge à gaz et comportant au moins un élément support creux relié à un orifice d'écoulement de gaz de chaque tube à décharge à gaz, un échangeur de chaleur utilisable pour évacuer la chaleur du gaz s'écoulant A la sortie de chaque tube à décharge à gaz, des moyens de pompage pour faire circuler le gaz le long d'un certain nombre de circuits parallèles comprenant chacun au moins une partie d'un tube à décharge à gaz, l'élément support creux et l'échangeur de chaleur, et une paire d'électrodes associées à chaque tube à décharge à gaz afin de produire une décharge électrique à travers le gaz s'écoulant dans le tube. 2. Appareil laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque tube à décharge à gaz comprend un certain nombre de zones à décharge à gaz, chaque zone comportant un orifice d'entrée de gaz, un orifice de sortie de gaz et une paire d'électrodes, chaque orifice de sortie de gaz communiquant avec un élément support creux. 3. Appareil laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que deux zones à décharge à gaz adjacentes d'un tube & décharge à gaz partagent un orifice d'écoulement de gaz commun. 4. Appareil à laser selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur est situé à l'intérieur de l'élément support creux. 5. Appareil laser selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que les moyens de pompage comprennent une pompe à déplacement positif. 6. Appareil laser selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pompe à déplacement positif est un ventilateur ROOTS. 7. Appareil laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérise en ce que la paire d'électrodes comprend une anode et une cathode, l'électrode anode étant située dans un orifice d'écoulement de gaz de chaque tube à décharge à gaz.