Brevet FR2594605A1 — publié le 19870821

La présente invention concerne un dispositif de commande d'un système à décharge électrique gazeuse de grand volume, notamment un système d laser. Un des problèmes rencontrés lorsqu'un système laser est conçu et destiné a astre utilisé dans un environnement industriel concerne la compacité, les dimensions et la fiabilité du système. L'action laser dans un système est obtenue en soumettant un récipient ou canal rempli de gaz a une décharge électrique - les électrons produits par la décharge entrant en collision avec des molécules de gaz actives en les excitant a des niveaux d'énergie supérieurs a partir desquels elles descendent a des niveaux d'énergie inférieurs et émettent l'exces d'énergie sous la forme de photons ou de quanta de lumière. La densité de population des particules au niveau supérieur d'énergie doit dépasser la densité au niveau inférieur d'énergie pour obtenir un gain optique. Cette inversion de population est l'opposée de l'état naturel. Une décharge a normalement un très petit diamètre du fait que les vitesses de transmission de chaleur dans les différentes parties de la décharge ne sont pas uniformes et il en résulte une diminution de pression et de densité a l'intérieur de la colonne de plasma, ce qui produit une contraction de la colonne. Dans un système connu, il est créé une décharge électrique ayant une grande section droite et qui remplit uniformément des cavités de grand volume, indépendamment de leurs dimensions ou de leurs formes, de manière a obtenir des lasers fiables qui sont appropriés pour des applications industrielles. Dans le domaine de l'art antérieur, on utilise maintenant des lasers pour réduire fortement les colts de production dans des applications industrielles nécessitant un découpage, un soudage, un perçage, un traitement thermique et analogues. Cependant, conformément a des publications industrielles, les ventes de lasers sont seulement d'environ trois pour cent des ventes concernant l'industrie des machines outils. L'utilisation de cette invention avec un laser sera très utile dans des applications industrielles comme l'enlèvement rapide de peinture, de calamine, de rouille ou d'autres revetements indésirables qui doivent étre enlevés de matériaux ou de véhicules comme des navires. En ce qui concerne l'art antérieur, on peut citer les brevets suivants Hill, US-3 491 309 Hill, US-3 581 146 Hill, US-3 735 284 Hill, US-3 795 838 Le premier brevet délivré à Hill concerne un laser a impulsions de C02 de grande puissance dans lequel la tension d'impulsions requise est de l'ordre de 200 kV a 1 MV. L'invention, qui sera décrite dans la suite, concerne un circuit utilisable avec un laser a impulsions de CO2 de grande puissance et elle se distingue du brevet précité par le fait quelle applique une tension de maintien d'ionisation de faible niveau aux électrodes du laser et qu'elle superpose une impulsion de tension de courte durée a la tension d'ionisation de faible niveau. Dans l'invention qui va être décrite dans la suite, la tension impulsionnelle nécessaire pour produire un courant plasma impulsionnel semblable est bien plus petite que la gamme de tensions indiquées ci-dessus. Cette réduction de grandeur de la tension permet d'obtenir des paramètres de circuit qui peuvent etre aisément utilisés dans un environnement industriel. L'ionisation distribuée uniformément, qui a été citée ci-dessus, permet d'obtenir une distribution de courant de plasma impulsionnel plus uniforme et elle est stable pendant une période d'impulsions plus longue. Cela permet d'obtenir plus facilement une puissance impulsionnelle de sortie ayant une qualité de mode optique supérieure par rapport a ce qui pourrait être obtenu en utilisant le brevet mentionné en premier dans la liste ci-dessus. Le second brevet de la liste délivré a Hill se rapporte a un procédé de ballastage d'un système a tube à décharge gazeuse dans lequel plusieurs tubes sont excités par une seule source de courant. Le troisième brevet de la liste décrit l'utilisation de forces aérodynamiques pour commander la distribution spatiale de charge dans un système laser afin d'obtenir un plasma uniforme. Le quatrième brevet de la liste décrit également l'utilisation de forces aérodynamiques pour obtenir un plasma uniforme dans un système laser. Aucun des brevets mentionnés ci-dessus ne semblent décrire ou méme suggérer l'invention qui va entre décrite et revendiquée dans la suite. En outre on se référera aux documents suivants pour y trouver des relations et définitions qui sont utilises ici. "An investigation of Ejector Design by Analysis and Experiment"; Reenan, Neumann et Lustwerk Journal of Applied Mechanics, page 299,Septembre 1950. "Gaseous Conductors - Theory and Engineering Applications", James D. Cobine PH. D., Dover Publications, Inc. , Edition 1958. "Basic Data of Plasma Physicst; Sanborn C. Brown, M.I.T. Press,Edition 1959. La réalisation décrite ci-dessus concerne un laser de grande puissance mais la présente invention se rapporte a un circuit de commande du fonctionnement du laser pour faire passer son mode opératoire de continu à intermittent, ou impulsionnel, ou inversement, ou dans toute combinaison desdits modes. Le fonctionnement impulsionnel est utilisable dans un environnement iiîdustriel pour offoctuor des opFrations tolles sulun nettoyage, un enlèvement de peinture, un enlèvement de rouille et analogues. En conséquence, un objet général de l'invention est de créer un circuit de commande d'un laser. Un autre objet de l'invention est de créer un circuit de commande d'un laser qui permette de modifier sélectivement le fonctionnement pour le faire passer d'un mode continu a un mode impulsionnel ou inversement. Un autre objet de l'invention est de créer un circuit de commande de laser qui relie sélectivement des alimentations en courant disposées en parallèle a un laser pour le faire passer d'un mode opératoire a un autre ou bien pour combiner des modes opératoires. Encore un autre objet de l'invention est de créer un circuit impulsionnel pour laser qui superpose une série d'impulsions de tension de courte durée a un courant continu de production d'ionisation de faible niveau de puissance afin de créer des impulsions laser de grande puissance. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée a titre non limitatif, en référence au dessin unique ci-annexé qui représente schématiquement un circuit de commande d'un système laser conforme a l'invention. Le circuit de commande d'un système laser représenté sur le dessin comprend un sélecteur de mode permettant a l'opérateur chargé de la conduite du laser de faire fonctionner sélectivement ce laser dans le mode continu ou bien le mode impulsionnel ou bien dans une autrecombinaisonde modes. Une seconde alimentation en courant est reliée en parallèle a une première alimentation en courant de façon a superposer une série dt impul- sions de courte durée a une tension continue de laser d'un niveau relativement faible, ce qui permet d'obtenir a la sortie des impulsions laser maximales répétitives et de courte durée d'une puissance supérieure de nombreuses fois a la puissance obtenue avec le courant continu normal. La première alimentation en courant est infiniment variable de façon a pouvoir superposer un courant impulsionnel a un courant continu. En référence au dessin unique ci-joint, on a désigné par 10 une première alimentation en courant pour un laser a électrodes multiples 12, représenté schématiquement. Plusieurs anodes de laser 14 sont reliées par l'intermédiaire de résistances de ballast 16, d'un régulateur de courant 18 et d'une diode de blocage d'impulsions 20, a la borne positive de la première alimentation en courant 10 de tension variable. Plusieurs cathodes 22 sont reliées par l'intermédiaire de résistances de ballast 24 a la borne négative de l'alimenta- tion en courant. La borne positive d'une alimentation auxiliaire en courant 26 est reliée a la borne négative de l'alimentation principale en courant 10 et a la masse. La fonction de l'alimentation auxiliaire 26 est de faire en sorte que les cathodes 22 flottent négativement par rapport a la masse pour éviter un courant de reflux. Cela complète la première alimentation en courant. Une seconde alimentation en courant est branchée en parallèle a la première alimentation en courant décrite ci-dessus et elle comprend un réseau générateur d'impulSions, désigné en son ensemble par la référence numérique 28 et relié au primaire d'un transformateur survolteur 30. Le circuit générateur d'impulsions comprend plusieurs condensateurs 32 connectés en parallèle et plusieurs bobines d'inductance 34 connectées en sri r, qili q ont brancll nlre un conllllu- tateur a thyratron 36 et un système de charge en résonance 38. Le secondaire du transformateur 30 est relié par une extrémité, par l'intermédiaire de d iodes de blocage 40, aux anodes de laser 14 et par son autre extrémité, par l'intermédiaire de diodes de blocage 42, aux cathodes 22 du laser afin de compléter le circuit.Un sélecteur de mode de fonctionnement de laser, désigné par son ensemble par la référence numérique 50, est connecté mécaniquement ou électriquement de façon a commander la première alimentation en courant 10 de tension infiniment variable, qui est symboliquement représentée par la flèche indiquée Le sélecteur est relié électriquement par l'intermédiaire d'un transformateur-déclencheur 60 a la grille du thyratron 36 dans un but qui sera précisé dans la suite. Lors du fonctionnement du circuit pour faire passer le laser d'un fonctionnement continu a un fonctionnement impulsionnel, le sélecteur de mode est actionne par l'opérateur chargé de la conduite du laser de façon a réduire la tension de sortie de la première alimentation en courant 10 jusqu'a un niveau bas mais suffisant pour maintenir l'ionisation dans le laser au niveau de tension correct, et une impulsion de tension est appliquée a la grille du thyratron 36 par l'intermédiaire du transformateur 60. Dans la mise en pratique effective du système, les caractéristiques de fonctionnement du tube a thyratron se sont avérées utiles pour commander l'impulsion de courte durée et de grande énergie qui est nécessaire. Des tubes remplis de gaz produisent leurs porteurs de charge au moyen d'une ionisation et de collisions entre des électrons et des molécules qui produisent un plasma électriquement neutre ot des électrons et des ions positifs se déplacent dans des directions opposées. Une conduction peut être arrêtée par une grille de commande en l'absence d'un écoulement de courant mais, une fois que la conduction est rétablie, les ions forment une charge d'espace autour de la grille, qui a tendance a devenir négative de sorte que son champ électrique de commande est annulé. Il en résulte un enclenchement et une coupure d'un arc de commande. Les tubes remplis de gaz ont la capacité d'enclencher des courants pratiquement illimités mais ils doivent autre désactivés de l'extérieur jusqu'a ce qu'une recombinaison dissipe le plasma. C'est seulement dans cette condition que la fonction d'arrêt de la grille de commande peut être rétablie. Des processus d'ionisation statisti qfle peuvent aussi être importants lorsque les impératifs de flottement sont sévères ou bien lorsque les périodes de dEclenchement-jusqut -coupure doivent avoir une dure de 0,5 nanoseconde ou moins.Une utilisation récente d'hydrogène et de structures a grille mises a la masse on permis de raccourcir les durées d'ionisation et de déionisation des thyratrons classiques mais l'épuration de l'hydrogène pose un problème et des réservoirs chauffés sont nécessaires pour tenter de maintenir une pression appropriée de fonctionnement en équilibre pendant la durée de service du tube. Lorsque le thyratron 36 est amorcé par l'impulsion de tension appliquée à sa grille de commande par le sélecteur de mode 50, le réseau générateur d'impulsions 28, qui a été chargé au moyen du système de charge en résonance 38, produit à sa sortie-une impulsion de forme d'onde carrée qui est appliquée au primaire du transformateur 30. Le secondaire du transformateur 30 superpose l'impulsion de haute tension et de courte durée a la tension de courant continu de bas niveau mentionnée ci-dessus et existant entre les électrodes du laser 12, ce qui augmente ainsi fortement la puissance du faisceau de sortie.En d'autres termes, lorsque le plasma de laser est commande ou ajusté pour opérer à un faible niveau de puissance qui est suffisante pour maintenir une ionisation à la tension correcte et où la densité ionique est suffisamment grande pour supporter une conduction, le système peut être commandé par superposition d'une impulsion de tension de courte durée, par l'intermédiaire du circuit du tube a thyratron, a la tension de bas niveau afin d'augmenter ainsi considérablement le courant et la puissance de sortie pendant la durée de l'impulsion. La durée de la condition de fort courant n'est pas suffisamment longue pour créer des instabilités dans la décharge.Par exemple un laser a onde continue de 5 kW au maximum opérant de cette manière passe d'une puissance nulle a une puissance moyenne de 5 kW; cependant la puissance de crête est de nombreuses fois supérieure a la puissance continue mentionnée ci-dessus. La largeur d'impulsion peut par exemple être d'environ 30 microsecondes pour 1000 impulsions par seconde (1000 pps) en permettant de produire une puissance de crête qui peut être supérieure de 300 fois au niveau de puissance en mode continu. Apres que le réseau de génération d'impulsions 28 s'est déchargé de lui-meme dans le transformateur 30, la grille du thyratron 36 reprend maintenant la commande et les impulsions disparaissent. Une conception judicieuse d'un circuit en ce qui concerne les paramètres permet d'obtenir une fréquence de répétition d'impulsions qui est fonction du temps décharge du.circuit générateur d'impulsions et de la vitesse d'application d'impulsions à la grille du thyratron. Puisque l'alimentation en tension 10 est infiniment variable, on peut disposer de toutes combinaisons de modes opératoires qui sont laissées au choix de l'opérateur. En conséquence il est possible de superposer un courant impulsionnel a un courant continu pour l'exécution de n'importe quelle opération industrielle donnée. Une variante, éventuellement préférée, du moyen de commutation a été décrite dans le brevet S.N. 4 442 383 délivré le 10 Avril 1984 à la Demanderesse et intitulé "Plasma Switch" Le choc acoustique doit être pris en considération dans ce système du fait qu'une onde acoustique pénètre dans le courant de gaz. L'onde acoustique peut être suffisamment puissante pour endommager des parties du système laser par des contraintes répétées et il peut en résulter une altération des qualités optiques du faisceau laser. Une structure d'absorption de sons peut être aisément incorporée dans la cavité d'écoulement en retour de gaz. Par exemple, un capteur acoustique (non représenté) peut être efficacement utilisé. On voit qu'on obtient ainsi un circuit de commande de laser qui augmente grandement la souplesse et la capacité d'utilisation d'un laser de grande puissance. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit de commande du fonctionnement d'un laser comportant au moins deux électrodes afin de faire passer sélectivement le laser d'un mode de fonctionnement à un autre, circuit caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison (a) un premier circuit d'alimentation en courant (10) du laser, comportant des moyens pour faire varier la tension de sortie appliquee aux électrodes (14, 22) du laser, (b) un second circuit d'alimentation en courant (28) du laser, branché en parallèle avec ledit premier circuit d'alimentation en courant (10) et avec les électrodes (14, 22) du laser (c) un moyen de commutation (36) relié audit premier circuit d'alimentation en courant (10) et audit second circuit d'alimentation en courant (28) pour réduire simultanément la tension de sortie du premier circuit d'alimentation en courant (10) a un niveau qui entretient tout juste une ionisation de plasma dans l'état d'incandescence, et de manière a appliquer une impulsion de haute tension et de courte durée aux électrodes (14, 22) du laser afin d'augmenter brusquement le courant de plasma, en produisant ainsi une courte rafale de puissance dans le faisceau de sortie. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs diodes de blocage (2Q; 42) qui sont connectées entre ledit premier circuit d'alimentation en courant (10) et le second circuit d'alimentation en courant (28) pour empecher un retour de tension entre les deux circuits (10, 28). 3. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit second circuit d'alimentation en courant (28) du laser comprend un réseau générateur d'impulsions (28) relié a un moyen de commutation (36) de maniere que l'actionnement de celui-ci réduise la tension de sortie du premier circuit d'alimentation en courant (10) et engendre de façon répétée des impulsions de haute tension a la sortie du laser. 4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que les impulsions de sortie du laser sont superposées a un courant continu de sortie du laser. 5. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit moyen de commutation comprend un tube à thyratron (36). 6. Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est prévu dans la cavité du laser des moyens d'absoption de sons pour réduire l'effet d'ondes acoustiques de haut niveau qui sont engendrées par les impulsions laser. 7. Un circuit utilisable avec un laser gaz de grande puissance pour faire fonctionner le laser dans le mode impulsionnel, circuit caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison (a) une première alimentation en courant (10) comportant des moyens de commande pour faire fonctionner le laser a une tension de bas niveau suffisant pour maintenir une ionisation ot la densité ionique est suffisante pour entretenir une conduction en relation avec les électrodes (14, 22) du laser, (b) une seconde alimentation en courant (28), connectée en parallèle avec ladite première alimentation en courant (10) par l'intermédiaire de diodes de blocage (42), afin de superposer une série d'impulsions de tension de courte durée a la tension d'entretien d'ionisation de bas niveau pour produire une série d impulsions laser. 8. Circuit selon la revendication 7, carac térisé en ce que ladite seconde alimentation en courant (28) comprend un réseau générateur d'impulsions (28), relié a un moyen de commutation -(36) de façon qu'un actionnement dudit moyen de commutation (36) superpose la serie d'impulsions de tension de courte durée a la tension d'entretien d'ionisation. 9. Circuit selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit moyen de commutation comprend un commutateur a plasma (36). 10. Circuit selon la revendication 9, carac térisé en ce que ledit moyen de commutation est un thyratron (36).