Brevet FR2595014A1 — publié le 19870828

La présente invention concerne un laser à gaz et plus précisément un générateur laser à gaz qui donne une décharge stable et uniforme dans la région de décharge. On connaît déjà un générateur laser à gaz de type transversal triaxial. Dans un tel laser à gaz, le gaz circule dans une direction prédéterminée (d'axe Z.) dans la région de décharge, alors qu'un système à miroirs d'un résonateur optique et des électrodes positives et négatives de décharge sont disposées en face les unes des autres dans deux directions perpendi- culaires (d'axe X et d'axe Y) dans le courant de gaz. Le système à miroirs est habituellement un résonateur optique du type à trajet replié, afin que le gain du résonateur optique soit accru. Dans le réso- nateur optique par exemple, un miroir arrière de renvoi et un miroir avant de renvoi sont disposés sous forme d'une paire l'un en face de l'autre sur les côtés droit et gauche, de part et d'autre du courant de gaz. Un miroir principal est placé près du côté aval du miroir arrière de renvoi, par rapport au courant de gaz. En outre, un miroir de sortie est placé près du côté amont du miroir avant de renvoi, par rapport au courant de gaz. Ainsi, la cavité optique du résonateur optique, entourée par le système à miroirs, a une largeur uni- forme parallèlement au courant de gaz, et le faisceau laser est amplifié uniformément dans le courant amont et dans le courant aval, dans cette cavité. - Les électrodes de décharge occupent de nombreux emplacements dans un arrangement bidimensionnel sur les faces supérieure et inférieure de la cavité optique afin que le gaz qui s'écoule dans la cavité optique soit excité uniformément. Les ions créés dans une décharge uniforme d'excitation des électrodes amont dans ce type de dispo- sitif à décharg. s'écoulent vers le voisinage des élec- trodes se trouvant du côté aval, si bien que la résis- tance présentée dans l'espace séparant les électrodes, du côté amont, diminue de façon considérable, et la décharge est déviée vers le côté aval. La décharge aval s'effectue dans un arc localisé, posant un problème car une instabilité peut apparaître dans la décharge de l'excitation. En outre, même lorsque la décharge de l'arc ne présente pas de dérive, un autre problème se pose car des irrégularités sont créées dans la décharge, et divers inconvénients se manifestent sur l'énergie fournie par le laser et le dessin des modes. Des résistances chutrices (résistances stables) sont reliées à plusieurs électrodes contenues dans l'arrangement bidimensionnel afin qu'elles assurent la stabilité de la décharge. La puissance consommée par cette résistance. chutrice pendant la création de l'effet laser atteint plusieurs kW, et une grande quantité de chaleur est dégagée. Ainsi, les résistances chutrices qui sont connectées à chacune des électrodes sont logées dans un réceptacle de refroidissement rempli d'une huile isolante qui les refroidit. Le nombre de résistances chutrices doit être égal au nombre d'électrodes et, dans le cas d'un ensemble ayant des résistances de maintien, le même nombre de résistances est ajouté. En outre, il existe des ensembles dans lesquels des diodes sont utilisées, toujours avec le même nombre. Ainsi, le câblage entre les résistances et les éléments du réceptacle de refroidissement devient extrêmement complexe et, en outre, le refroidissement uniforme des résistances chutrices individuelles est difficile si bien que la stabilité de la décharge pose un problème. L'invention a pour objet un laser à gaz donnant une décharge uniforme et stable dans la région de décharge, compte tenu des inconvénients des dispositifs classiques. L'invention concerne aussi un laser à gaz dans lequel aucune irrégularité n'est créée dans la décharge et permettant la formation d'un faisceau laser de puis- sance élevée et ayant un dessin convenable de modes. L'invention concerne aussi un tel laser à gaz dans lequel le câblage et le montage analogue de plu- sieurs résistances chutrices sont réalisés facilement, et dans lequel les résistances chutrices sont refroidies uniformément afin qu'elles donnent une décharge stable. Plus précisément, ces différentes caractéristi- ques sont obtenues, dans un laser à gaz selon l'inven- tion, par disposition de plusieurs électrodes dans la direction d'écoulement du gaz qui est un milieu actif pour- l'effet laser, et le champ électrique, du côté aval du courant gazeux, est inférieur au champ électrique du côté amont afin que, lorsque des ions sont créés par la décharge, cette décharge formée dans le courant- gazeux du côté amont et la décharge formée dans le courant gazeux du côté aval soient pratiquement les mêmes. - En outre, dans le laser à gaz selon l'invention, plusieurs résistances chutrices qui sont connectées à plusieurs électrodes sont disposées sur une plaquette de circuit imprimé, et les résistances chutrices et cette plaquette sont immergées dans un réceptacle de refroidissement rempli d'une huile isolante. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la des- cription qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe représentant une configuration de laser à gaz selon l'invention; la figure 2 est un schéma explicatif illus- trant le principe de fonctionnement de la région de décharge et du circuit de l'alimentation électrique du laser à gaz selon l'invention; la figure 3 est un graphique représentant la relation entre la densité des ions et la résistance entre les électrodes, dans la région de décharge; la figure 4 est un dessin explicatif équivalent à la figure 2, représentant un second mode de réalisa- tion de la présente invention; la figure 5 est une coupe représentant des détails agrandis de la partie de la figure 1 repérée par la flèche V; la figure 6 est un schéma explicatif équivalant à une élévation frontale de la plaquette de circuit imprimé indiquée par la flèche VI sur la figure 5; et la figure 7 est un schéma du circuit de déchar- ge représentant la relation entre les connexions des résistances principales et des résistances de main- tien, à titre de référence. On se réfère d'abord à la figure 1; un laser à gaz 1 comprend un corps 3 de bâti en forme de caisson, ouvert sur ses côtés gauche et droit, et deux organes tubulaires semi-circulaires 5 et 7 de guidage du courant de gaz, montés sur le corps 3. La partie interne du corps 3 est divisée en une section supérieure 9 et une section inférieure 11. Un canal 13 de circulation de gaz est formé à l'in- térieur de la section supérieure 9 afin qu'il guide le courant de gaz de gauche à droite sur la figure 1. Un ventilateur 15 est placé dans la section infé- rieure 11 afin qu'il forme le courant de gaz G présen- tant l'effet laser. Plusieurs organes 17 de réglage du courant, qui guident le gaz à effet laser transmis par le venti- lateur 15 vers le canal 13 de circulation de gaz, sont placés à l'intérieur de l'un des organes 5 de guidage. En outre, plusieurs organes 19 de réglage du courant, guidant le gaz à effet laser vers le ventilateur 15 à partir du canal 13, et un échangeur de chaleur 21 de refroidissement du gaz actif, sont placés à l'inté- rieur de l'autre organe 7 de guidage du courant de : l S - :: 0 0 :::: : ô: f: :: : : Es :X: : :: f 10 0: 15 : : 0 T 20 ::::: 0 E::0\: 0 : 25 0 Of:::::: : : :::\:: :: 1 30 ::::;:: ::: \ :0::: :: Et 35 , 0, :: 0:: : ::: t :::. : . : : gaz. Grâce à cette configuration, lorsque le venti- lateur 15 est entraîné en rotation de manière conve- nable, le gaz à effet laser circule dans le laser 1 et est refroidi dans l'échangeur de chaleur 21. Plusieurs miroirs d'un résonateur optique sont montés sur les parois latérales gauche et droite du canal 13 de circulation de gaz le long du trajet de circulation du gaz afin qu'ils assurent l'oscillation laser. Plus précisément, un miroir arrière 23 de renvoi et un miroir principal 25 (miroir arrière) sont montés sur la paroi latérale arrière du canal 13 de circulation de gaz (la surface de paroi se trouvant en arrière de la figure 1), avec la même configuration que dans le laser à gaz de type transversal triaxial habituel. Un miroir avant de renvoi et un miroir de sortie du résonateur optique (aucun d'eux n'étant représenté sur le dessin) sont placés à la surface de la paroi latérale avant (qui n'est pas non plus représentée sur le dessin) du canal 13 de circulation de gaz. Ainsi, une cavité optique 27 est formée par une région placée entre plusieurs miroirs, dans le canal 13 de circulation de gaz. Une anode 29, qui constitue l'électrode positive de décharge, destinée à assurer la décharge dans le courant de gaz, est placée à la face inférieure de la cavité optique 27. En outre, une rangée de cathodes amont 31 et une rangée de cathodes aval 33, qui cons- tituent les électrodes négatives de la décharge, sont disposées à la face supérieure de la cavité optique 27 afin qu'une région 35 de décharge soit formée entre ces électrodes positives et négatives. La rangée des cathodes amont 31 et la rangée des cathodes aval 33 sont formées de plusieurs électrodes en forme d'aiguil- les, placées côte-à-côte en direction perpendiculaire au plan de la figure 1. Les électrodes en forme d'aiguilles de la rangée 31 et de la rangée 33, qui sont décrites en détail' dans la suite, sont montées dans la section inférieure d'un réceptacle 37 de refroidissement qui est monté à la partie supérieure du corps 3 du châssis. On se réfère maintenant à la figure 2; l'anode 29 est disposée afin qu'elle recouvre toute la surface inférieure de la cavité optique 27 et provoque une décharge uniforme dans le courant de gaz passant dans la cavité optique 27. Au contraire, la rangée des cathodes amont 31 (dans la suite, une rangée de cathodes est simple- ment appelée "cathodes") est placée au-dessus de l'ex- trémité de la face amont de l'anode 29 afin qu'une décharge soit formée dans le gaz qui circule du côté amont de la cavité optique 27. En outre, la cathode aval 33 est placée à une distance L en aval de la cathode amont 31, au-dessus de l'anode 29, afin qu'elle assure une décharge dans le gaz qui s'écoule du côté aval de la cavité optique 27. Une alimentation en courant continu à haute tension Eo est montée dans le circuit de décharge afin qu'elle assure la décharge entre l'anode 29 et les cathodes 31, 33. La cathode amont 31 est connectée à cette alimentation continue Eo par l'intermédiaire d'un commutateur SW et d'une résistance chutrice amont R1 de valeur prédéterminée. En outre, la cathode aval 33 est connectée à l'alimentation continue Eo par l'in- termédiaire du commutateur SW et d'une résistance chutrice aval R2 qui a une valeur supérieure à celle de la résistance chutrice amont R1. La valeur de la résistance chutrice aval R2 peut être par exemple égale au triple de la valeur de la résistance amont R1.- Dans la configuration indiquée précédemment lorsque le laser 1 est mis en route, le ventilateur tourne et le gaz actif qui constitue le -milieu à effet laser, est transmis afin qu'il circule dans le canal 13 de circulation de gaz. De cette manière, lorsque le courant de gaz est introduit dans le canal 13 et lorsque le commutateur SW de décharge est fermé, une décharge d'excitation commence entre l'anode 29 et les cathodes 31, 33. En conséquence, une décharge d'excitation partant de la cathode amont 31, dans la région indiquée par les traits interrompus C1, C2 de la figure 2, apparaît dans le gaz qui s'écoule du côté amont, dans le résonateur optique 27. En outre, une décharge d'excitation provenant de la cathode aval 33, dans la région indiquée par le trait interrompu C3 de la figure 2, est formée dans le gaz qui s'écoule vers l'aval, dans le résonateur optique 27. Une émission stimulée est alors réalisée dans le gaz actif et se transforme en un état d'inversion de population du fait de la décharge d'excitation. Les rayons sont émis, amplifiés et transmis sous forme d'un faisceau laser. Cependant, un grand nombre d'ions se forment dans cette décharge du courant de gaz et en particu- lier, les ions produits au niveau de la cathode amont 31 se déplacent dans l'espace compris entre la cathode aval 33 et l'anode 29. La valeur de la résistance entre les électrodes diminue brutalement. Cet état est graphiquement représenté sur la figure 3. Les abscisses Z représentent la position de la région de décharge, le long du courant de gaz alors que les ordonnées représentent la densité des ions, la résistance entre les électrodes et l'amplitude du champ électrique. Sur la figure 3, n(Z) et Ro(Z) représentent respectivement la densité des ions et la résistance entre les électrodes. En outre, Z = 0 et Z = L correspondent aux positions de la cathode amont 31 et de la cathode aval 33 respectivement. Comme on peut le noter sur la figure 3, à un emplacement proche de la cathode aval 33 (Z Li), par rapport à une position proche à la cathode amont 31 (Z =. 0), la résistance entre les électrodes a subi une réduction très importante et l'état de la décharge d'excitation devient instable si bien qu'elle a tendance à présenter une dérive facile dans la décharge formée par l'arc. Cependant, dans ce mode de réalisation de l'in- vention, la résistance chutrice aval (R2') est réglée à une valeur supérieure à celle de la résistance chu- trice amont. Ainsi, dans ce cas, comme l'indique la courbe E, Z de l'intensité du champ électrique, l'inten- sité du champ à proximité de la cathode aval 33 est plus faible que celle qui existe du côté amont. En d'autres termes, les résistances des circuits qui comportent la cathode amont 31 et la cathode aval 33 respectivement sont presque égales, et le courant dans le champ électrique amont est presque égal au courant dans le champ électrique aval. Pour cette raison, la décharge d'excitation, dans la totalité de la région 35 de décharge, devient uniforme. Il existe une transition uniforme, aux côtés amont et aval du courant de gaz actif, vers une catégo- rie de plus grande énergie et la distribution obtenue d'inversion de population est presque uniforme. Etant donné cette distribution uniforme d'in- version de population, lorsqu'un faisceau laser est émis par émission stimulée, les rayons émis sont ampli- fiés par le résonateur optique, comprenant le miroir principal 25 et le miroir arrière 23 de renvoi, et un diagramme convenable du faisceau laser, ayant une puissance élevée de sortie, est transmis par le miroir de sortie. En conséquence, un faisceau laser de puissance élevée et ayant un dessin convenable de modes peut être facilement transmis, à l'aide de ce mode de réali- sation de l'invention. En outre, dans ce mode de réalisation de l'in- vention, aucune difficulté n'est due au déplacement de la décharge sous forme d'un arc étant donné que la décharge est formée uhiformément dans la région 35. En outre, le phénomène de pulvérisation cathodique est aussi uniforme et la détérioration des électrodes est uniforme. De plus, le rapport de la valeur de la résis- tance chutrice amont R1 à celle de la résistance chu- trice aval R2 est d'environ 1/3 dans ce mode de réali- sation, mais n'est pas limité à cette valeur. Il peut changer en fonction des conditions telles que les cons- tituants du gaz, la distance séparant les électrodes, le débit de gaz, la tension appliquée entre les élec- trodes et analogues et une décharge uniforme peut être établie de manière uniforme, comme l'indique l'expé- rience. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, les résistances chutrices amont ou aval R1 ou R2 peuvent être des résistances variables. Dans ce cas, la résis- tance peut être réglée et la valeur optimale peut être choisie en fonction de la pression du courant gazeux, de sa température, de son débit, etc. Ainsi, une déchar- ge encore plus stable peut être obtenue. En outre, lorsque cette résistance variable est utilisée, la valeur du courant électrique circulant dans la résistance variable peut être détectée alors que la valeur de la résistance elle-même peut être modifiée en fonction de l'intensité de ce courant. Ainsi, la valeur de la résistance chutrice peut être ajustée occasionnellement ou instantanément afin qu'elle corresponde à la variation de concentration des ions au cours du temps, et une décharge encore plus régu- lière peut être obtenue. Comme l'indique la figure 4, une seconde alimen- tation E1 peut être montée afin qu'elle transmette une tension de sortie inférieure à celle de l'alimenta- tion Eo. L'alimentation Eo peut être connectée à la cathode amont 31 et l'alimentation E1 à la cathode aval 33. Ainsi, le même type de- stabilité que précé- demment peut être obtenu avec une décharge uniforme, alors que les valeurs de deux résistances chutrices R3 peuvent être toujours uniformes, et l'installation est extrêmement facile. Dans ce mode de réalisation de la présente invention, deux rangées de cathodes amont et aval sont utilisées, mais trois rangées ou même plus peuvent être acceptables. En particulier, dans ce cas, les valeurs des résistances chutrices, dans chaque rangée, peuvent être réglées à la valeur optimale, et les valeurs des résistances des circuits des cathodes peu- vent être presque égales. En outre, dans ce mode de réalisation de l'in- vention, un dispositif à décharge de type alternatif peut être utilisé, à la place d'un dispositif de type continu. Dans ce cas, chacune des électrodes peut présenter une impédance différente. On se réfère maintenant à la figure 5; un réceptacle 37 de refroidissement des résistances chu- trices, qui est monté à la partie supérieure du corps 3, est réalisé sous forme d'un bottier hermétique auquel sont fixés une plaque inférieure 39 et un couver- cle supérieur 41, à l'aide de boulons. Chaque électrode des rangées cathodiques 31 et 33 traverse la plaque inférieure 39 qui la supporte. Une plaquette 43 de circuit imprimé, utilisée pour la rangée 31 des cathodes amont et une pla- quette de circuit imprimé 45 utilisée pour la rangée des cathodes aval 33 sont placées dans le réceptacle 37 de refroidissement. Les bords inférieurs des deux plaquettes 43 et 45 pénètrent dans des fentes 39S qui les maintiennent et qui sont formées à la face supé- rieure de la plaque inférieure 39. En outre, les bords des plaquettes 43, 45 de circuit imprimé coopèrent avec des fentes 47S qui les maintiennent et qui sont formées dans deux organes 47 de maintien montés de part et d'autre à l'intérieur du réceptacle 37 de li refroidissement. Ainsi, lorsque le couvercle 41 est retiré du réceptacle 37, la mise en place ou l'enlèvement des plaquettes 43, 35 peut être facilement réalisée. Comme l'indiquent les figures 5 et 6, une résis- tance principale MR et une résistance de maintien SR, équivalant aux résistances chutrices R1 et R2; sont montées systématiquement sur les deux faces, et une diode D est aussi montée, sur les plaquettes 43, 45 de circuit imprimé. Le nombre de résistances principales MR, de résistances de maintien SR et de diodes D est égal au nombre d'électrodes des rangées cathodiques 31, 33 et, comme représenté sur la figure 7, les éléments sont incorporés au circuit de décharge. En outre, des blocs 49 et 51 dé bornes sont placés aux bords supérieurs des plaquettes 43, 45 de circuit imprimé. Les électrodes et les résistances des rangées cathodiques 31, 33 sont connectées par ces blocs 49 et 51 les uns aux autres et sont connectées à une alimentation principale ME et à une alimentation d'entretien SE. Ainsi, le câblage des résistances MR, SR et des diodes D, et le câblage des électrodes des rangées cathodiques 31, 33 peuvent être réalisés très facile- ment. En outre, chacune des plaquettes de circuit impri- mé peut être remplacée comme un tout si bien que l'entretien est simplifié. Les résistances MR, SR et analogues, qui doivent être refroidies, sont immergées complètement dans un fluide 53 de refroidissement placé dans le réceptacle 37. Ce fluide 53 peut être par exemple une huile iso- lante qui peut circuler de manière convenable dans un échangeur de chaleur ou dans un dispositif de refroi- dissement et est maintenue à une température uniforme. Grâce à cette configuration, les résistances MR, SR et analogues sont refroidies uniformément par le fluide 53 de refroidissement. Ainsi, toute variation des valeurs des résistances MR, SR et analogues sont faibles et la décharge est stable. Le circuit représenté sur la figure 7 a prati- quement la meme configuration que celle qui est décrite dans la demande de brevet français n 85.08061, si bien que ces détails peuvent être supprimés. Comme l'indique la description qui précède d'un mode de réalisation de l'invention, aucune irrégu- larité n'est créée dans la région de- décharge, grace à l'invention, si bien que le faisceau laser peut avoir une puissance élevée et peut avoir un dessin convenable de modes. Grace à l'invention, le câblage des résistances chutrices et analogues peut être réalisé très facilement, l'entretien des résistances chutrices et analogues est simplifié, et les résistances chutrices peuvent être refroidies uniformément. La décharge peut donc être stable. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux appareils qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Laser à gaz, comprenant plusieurs électrodes (29, 31, 33,) disposées dans la direction de circulation du gaz qui joue le rôle d'un milieu à effet laser, caractérisé en ce que le champ électrique dans le courant de gaz aval est réglé à une valeur inférieure au champ électrique du courant de gaz amont, afin que, lorsque des ions sont créés par la décharge électrique entre les électrodes (29, 31, 33.), l'état de la décharge dans le courant de gaz amont et l'état de la décharge dans le courant de gaz aval soient presque identiques. 2. Laser à gaz selon la revendication 1, carac- térisé en ce que, pendant le réglage du champ électrique, la distance comprise entre les électrodes (29, 31, 33) est rendue uniforme, et la tension entre les électrodes (29, 33) qui sont en aval dans le courant de gaz est réglée à une valeur inférieure à la tension appliquée entre les électrodes (29, 31) qui sont en amont dans le courant de gaz. 3. Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit d'alimentation destiné à créer une tension entre les électrodes (29, 31, 33), et comprenant une alimentation en courant con- tinu à haute tension (Eo) transmettant une tension pres- que uniforme, une résistance chutrice amont (MR) qui a une valeur prédéterminée et qui est connectée entre l'alimen- tation et l'électrode amont (31), et une résistance chutrice aval (MR) qui a une valeur supérieure à celle de- la résistance chutrice amont et qui est connectée entre l'alimentation et l'électrode aval (33). 4. Laser à gaz selon la revendication 3, carac- térisé en ce que l'une des résistances chutrices (MR) est une résistance variable. 5. Laser à gaz selon la revendication 2, carac- térisé en ce qu'il comporte en outre un circuit d'alimen- tation destiné à appliquer une tension, entre les élec- trodes et comprenant une alimentation continue amont (Eo) destinée à appliquer une tension prédéterminée à l'électrode amont, une alimentation continue aval (El) destinée à appliquer une tension inférieure à cette tension. prédé- terminée à l'électrode aval, et une résistance chutrice (MRI montée entre l'ali- mentation continue et les électrodes respectivement. 6. Laser à gaz, caractérisé en ce qu'il comporte des résistances chutrices (MRS1, reliées à des électrodes (31, 33) d'un dispositif à décharge d'un laser à gaz, et qui sont disposées sur une plaquette de circuit imprimé (43, 455), et la plaquette de circuit imprimé et les résistances chutrices sont immergées dans un réceptacle de refroidissement rempli d'une huile isolante. 7. Laser à gaz selon la revendication 6, carac- térisé en ce que les résistances chutrices sont dispo- sées des deux côtés de la plaquette de circuit imprimé.