Brevet FR2591816A1 — publié le 19870619

LASER A GAZ EQUIPE DE VANNES A TROIS FONCTIONS L'invention est relative à.un laser à gaz comportant une cavité résonante terminée par un premier et un second miroir, un tube à décharge situé entre les miroirs, une source de gaz dont le débit peut être contrôlé, un manomètre pour mesurer la pression de gaz régnant à l'intérieur de la cavité et des moyens de pompage suscep- tibles entre autres d'évacuer l'air ou le gaz se trouvant à l'inté- rieur de la cavité. Pour permettre une utilisation aussi universelle que possible d'un laser à gaz, il est souhaitable non seulement de pouvoir changer les miroirs terminant la cavité résonante mais encore de changer le type de gaz utilisé comme milieu amplificateur et contenu dans le tube à décharge. Le laser modèle 2020 proposé par la société Spectra-Physics, Mountain View (USA), est composé d'un tube à décharge scellé et terminé par une paire de fenêtres de Brewster. Ce tube est monté dans un chassis qui porte les miroirs. Ce système dit modulaire donne bien libre accès aux miroirs puisque ceux-ci se trouvent en dehors du tube étanche, mais il ne permet pas de travailler avec des gaz différents et si cela devait être le cas il serait nécessaire de changer tout le tube, comme cela est d'ailleurs prévu dans la notice éditée par la société en question. On mentionnera encore ici que l'emploi de fenêtres de Brewster n'est pas souhaitable puisque ces fenêtres occasionnent une perte de puissance importante, puissance qui est réduite d'environ la moitié de celle qu'on peut atteindre si lesdites fenêtres sont absentes. Le laser proposé dans la citation permet néanmoins le changement des miroirs sans toucher au tube à décharge. Ce changement est souhaitable d'abord pour des raisons de maintenance car il faut pouvoir remplacer un miroir simplement défectueux ou dont la couche réfléchissante se serait altérée. Ensuite, on doit pouvoir utiliser des miroirs dont la courbure est différente pour obtenir des modes transverses électromagnétiques (TEM) qui soient différents. Enfin, en changeant la nature de la couche réfléchissante apposée sur le miroir, on peut modifier la composition spectrale du faisceau laser. Contrairement au mode de réalisation qui vient d'être décrit plus haut, le dispositif laser décrit dans le brevet EP O 048 690 permet de changer le gaz contenu dans le tube à décharge. A cet effet sont prévues une première vanne de pompage et une seconde vanne de remplissage. Cependant, les miroirs sont ici en liaison directe avec le tube à décharge et on comprend qu'il ne sera pas possible de les changer sans mettre tout l'intérieur du tube à décharge à la pression atmosphérique. Ceci présente l'inconvénient de devoir à nouveau faire le vide dans la cavité après le changement de miroir et avant d'y introduire le gaz, ce qui prend beaucoup de temps et peut durer, pour des lasers de grandes dimensions, plu- sieurs jours. Par contre, s'il était possible d'isoler les miroirs du tube à décharge, on pourrait maintenir pendant cette opération la très faible pression dans le tube, ce qui permettrait de rendre le laser à nouveau opérationnel après très peu de temps. On observera que le changement de gaz permet de modifier la composition spectrale du rayon laser; par exemple l'argon produit une teinte bleue et verte et le krypton une teinte jaune et rouge. C'est le but de la présente invention de remédier aux inconvé- nients présentés par l'un et l'autre des lasers précédemment décrits en mettant en oeuvre des moyens permettant pour un même dispositif laser de changer les miroirs de la cavité et/ou de remplacer le gaz par un autre gaz sans exposer le tube à décharge à la pression atmosphérique. Pour cela, le tube à gaz est caractérisé par le fait qu'il comprend une première vanne interposée entre la première extrémité du tube et le premier miroir et une seconde vanne interposée entre la seconde extrémité du tube et le second miroir, lesdites vannes étant susceptibles de mettre en communication au moins les moyens de pompage avec la cavité résonante, chacune desdites vannes comportant un corps percé d'orifices et un élément mobile ajusté dans ce corps et susceptible d'être placé dans une première position, dite de fonctionnement, pour laquelle le rayon lumineux produit dans le tube à décharge traverse les vannes pour atteindre les miroirs, les moyens de pompage étant isolés de la cavité, dans une deuxième position, dite d'accès aux miroirs, pour laquelle lesdits miroirs sont isolés de la cavité et des moyens de pompage, et dans une troisième position, dite de changement de gaz, pour laquelle la cavité est mise en communication avec les moyens de pompage pour évacuer le gaz contenu dans ladite cavité. L'invention sera expliquée maintenant au moyen de la descrip- tion qui suit, illustrée à titre d'exemple par des dessins dans lesquels: - La figure 1 est une représentation schématique du laser à gaz selon un premier mode d'exécution de l'invention; - La figure 2 est une représentation schématique du laser à gaz selon un deuxième mode d'exécution de l'invention; - La figure 3 est une vue en coupe d'une des vannes représen- tée à la figure 2; - Les figures 4a, 4b et 4c sont des représentations schémati- ques du laser à gaz selon un troisième mode d'exécution de l'inven- tion, chacune des représentations illustrant des fonctions différen- tes; - La figure 5 est une vue en coupe d'une des vannes représen- tée aux figures 4a à 4c; et - La figure 6 est une coupe selon la ligne VI - VI de la figure 5. La figure 1 est une représentation schématique du laser à gaz selon un premier mode d'exécution de l'invention et selon son acception la plus large. Le laser comporte un tube à décharge 5 dont on trouvera une description exemplaire dans le brevet EP 0 048 690 cité plus haut. Ce tube est situé entre des premier et second miroirs 6 et 7 qui forment avec lui la cavité résonante 8. Le gaz contenu dans le tube est ionisé par une cathode 9 et une anode 10 reliées à une source d'énergie continue symbolisée par les signes + et -. Des détails de construction concernant les électrodes ainsi que tout le système de refroidissement du tube sont également apparents dans le brevet cité plus haut. Un manomètre 11 pour mesurer la pression du gaz contenu dans la cavité 8 et une source de gaz 12 dont le débit peut être contrôlé par une vanne 13 sont mis en communication d'une façon ou d'une autre avec la cavité 8. Des moyens de pompage 14 sont prévus pour permettre entre autres soit d'évacuer l'air se trouvant à l'intérieur de la cavité quand elle doit être vidée pour la première fois, soit de pomper le gaz qui s'y trouve quand il s'agit de remplacer ce gaz par un autre gaz. On verra plus loin que les moyens de pompage 14 peuvent également servir à faire circuler du gaz frais dans le dispositif. La figure 1 montre que le laser selon l'invention comprend une première vanne 15 interposée entre la première extrémité 16 du tube et le premier miroir 6 et une seconde vanne 17 interposée entre la seconde extrémité 21 du tube 5 et le second miroir 7 et que lesdites vannes sont susceptibles de mettre en communication au moins les moyens de pompage 14 et la cavité 8. Chacune des vannes 15 et 17 comprend un corps de vanne fixe symbolisé respectivement par les références 18 et 19 et comportant, dans l'exemple de la figure 1, trois orifices représentés par les références 1, 2 et 3. Dans chacun des corps de vanne 18 et 19 est ajuste un élément mobile 20. Cet élément peut être placé dans une première position, correspondant au trait plein, pour laquelle le rayon lumineux produit dans le tube à décharge traverse les vannes 15 et 17 pour atteindre les miroirs 6 et 7. C'est la position de fonctionnement normal du laser. L'élement mobile peut encore être placé dans une deuxième position, correspon- dant au trait pointillé, pour laquelle les miroirs 6 et 7 sont isolés du tube à décharge 5 et des moyens de pompage 14. C'est la position d'accès aux miroirs pour laquelle lesdits miroirs peuvent être changes sans modifier les conditions de pression régnant à l'intérieur du tube. L'élément mobile peut enfin être placé dans une troisième position, correspondant au trait mixte, pour laquelle la cavité 8 est mise en communication avec les moyens de pompage 14 pour faire le vide ou évacuer l'air ou le gaz contenu dans la cavité. C'est la position dite de pompage. On voit donc que par ce dispositif. il est très aisé soit de changer les miroirs, soit de changer le gaz sans qu'il soit neces- saire d'exposer la cavité à la pression atmosphérique et que ces opérations peuvent être réalisées au moyen de deux vannes qui peuvent être placees chacune dans trois positions fonctionnelles différentes. Dans ce premier mode d'exécution, on s'aperçoit aussi que le manomètre 11 est mis en communication avec la cavité 8 à un endroit situé entre la vanne 15 et l'extremité 16 du tube 5. Il en est de même de la source de gaz 12 qui est mise en communication avec la cavité 8 à un endroit situé entre la vanne 17 et l'extrémité 21 du tube 5. Dans ce cas, chacune des vannes 15 et 17 possèdent trois orifices 1, 2 et 3. On comprendra cependant qu'on peut profiter de la présence des vannes pour mettre en communication la cavité 8 avec le manomètre 11 par la première vanne 15 et ladite cavité 8 avec la source de gaz 12 par la seconde vanne 17. Ce cas est illustré dans les figures suivantes et les vannes sont alors pourvues de quatre orifices. La figure 2 est un deuxième mode d'exécution de l'invention et reprend dans les grandes lignes ce qui a été montré à propos de la figure 1. Le corps 18 de la première vanne 15 comporte un premier orifice 1 relié au tube à décharge 5, un deuxième orifice 2, coaxial au premier, relié à une première chambre 22 supportant le premier miroir 6, un troisième orifice 3 dont l'axe coupe sensiblement à angle droit l'axe des premier et deuxième orifices et relié aux moyens de pompage 14, et un quatrième orifice 4, coaxial au troi- sième, relié au manomètre 11. De même, le corps 19 de la seconde vanne 17 comporte un premier orifice 1 relié au tube à décharge 5, un deuxième orifice 2, coaxial au premier, relié à une seconde chambre 23 supportant le second miroir 7, un troisième orifice 3 dont l'axe coupe sensiblement à angle droit l'axe des premier et deuxième orifices et relié aux moyens de pompage 14, et un quatrième orifice 4, coaxial au troisième, relié à la source de gaz 12. La figure 3 est une vue en coupe de la vanne 15 représentée à la figure 2. La vanne se compose du corps de vanne 18 et d'un élément mobile se présentant sous la forme d'un clapet 20. Le clapet peut pivoter autour de l'axe de rotation 25 qui se trouve en dehors du chemin parcouru par le rayon lumineux réfléchi par les miroirs, chemin symbolisé par la flèche 24. L'axe 25 est commandé par une poignée non représentée. Dans la figure 3, le clapet est disposé dans une première position pour laquelle le troisième orifice 3 du corps de vanne est obstrué. Cette situation est celle du fonctionnement du laser. Si l'on désire maintenant isoler le miroir situé en prolongement de la sortie 2 de la vanne, on fera pivoter le clapet 20 de 90 en direction de la flèche 26. Le deuxiè- me orifice 2 du corps de vanne est alors obstrué, ce qui permet de remplacer le miroir sans exposer la cavité à la pression atmos- phérique. Enfin, si le clapet est disposé dans une troisième posi- tion située à mi-chemin entre les première et deuxième positions, aucun des quatre orifices de la vanne n'est obstrué. Le gaz présent dans la cavité peut être évacué puis remplacé par un gaz d'une autre nature, l'introduction du nouveau gaz se faisant par l'orifice 4 de la vanne 17 représentée en figure 2. Le dessin de la figure 3 montre que des dispositions sont prises pour assurer l'étanchéité du clapet 20, dispositions se présentant sous la forme de garnitures O-rings 27. Comme on peut le voir encore au dessin, le corps de vanne 18 se compose principale- ment d'un corps cubique 28 percé par quatre orifices sur chacun desquels est ajustée une embouchure 29. La vanne 17 montrée à la figure 2 est identique à celle qui vient d'être décrite pour des raisons de symétrie, étant entendu qu'elle se présente de la même façon mais tournée de 180 par rapport à l'axe 3 - 4. La figure 3 montre encore que la première vanne 15 est pourvue d'un dispositif de dérivation pour permettre une circulation de gaz frais si cela est jugé nécessaire. A cet effet, le clapet 20 est équipé d'un premier conduit 30 aboutissant à un second conduit 31. Le conduit 31 peut être obturé par une tige non représentée et accessible de l'extérieur de la vanne. Si une circulation de gaz est désirée, on débouche le conduit 31. Il y aura alors circulation de gaz frais par le chemin suivant: source de gaz 12, vanne 13, tube à décharge 5, vanne 15, circuit de dérivation 31-30 et moyens de pompage 14 (voir figure 2). Il va de soi que si la vanne 17 est pourvue d'un même système de circulation, il faudra maintenir fermé son conduit 31 pour que ladite circulation se réalise selon le chemin mentionné. Les figures 4a, 4b et 4c sont des représentations schématiques du laser à gaz selon un troisième mode d'exécution de l'invention. L'arrangement général du système est semblable à celui expliqué au sujet de la figure 2 sauf en ce qui concerne les vannes 45 et 47 dont la conception est différente. Aussi retrouve-t-on dans les figures 4a à 4c le tube à décharge 5, les miroirs 6 et 7, les moyens de pompage 14, le manomètre 11 et la source de gaz 12 avec la vanne associée 13. Les vannes 45 et 47 comprennent chacune un corps de vanne 48 et 49 comportant quatre orifices 1 à 4. Ces orifices sont reliés aux pièces composant le laser de la même façon que cela a été décrit précédemment pour les autres modes d'exécution. L'élément mobile 50 ajusté dans le corps de vanne présente une ouverture en forme de T qui met en communication simultanément trois des orifices du corps de vanne. Il s'agit là d'une réalisation préférée, plus facile à fabriquer. La figure 4a présente le laser en situation de fonctionnement. Les orifices 1 et 2 sont reliés par la branche traversante du T et le rayon produit dans le tube 5 peut atteindre les miroirs 6 et 7. Dans cette situation, le manomètre 11 est relié à la cavité par l'entrée 4 de la vanne 45 et la source de gaz 12 est également reliée à la cavité par l'entrée 4 de la vanne 47. La pression intérieure de travail (de l'ordre de 0,1 à 10 mbar) peut donc être vérifiée et l'injection de gaz frais peut être commandée par la vanne 13. La figure 4b présente le laser en situation de changement des miroirs 6 et 7. Ici, les miroirs sont isolés du tube 5 et peuvent être échangés sans modifier la pression régnant dans le tube. La figure 4c présente le laser en situation de changement de gaz. Ici l'ancien gaz est pompé par les moyens de pompage 14. On comprendra que l'opération d'évacuation ainsi conçue est de très courte durée puisque la cavité n'a pas été soumise à la pression atmosphérique. Cette situation permet de pomper l'air qui a pénétré dans les chambres 22 et 23 si l'opération précédente était un changement de miroirs. Enfin, il est encore possible dans cette situation de faire le premier vide dans la cavité lors d'une opéra- tion de mise en marche. Dans ce dernier cas, un manomètre supplémen- taire non représenté peut être présent du côté pompe qui permettra de contrôler le vide poussé qui doit être atteint (de l'ordre de 10-5 à 0O-6 mbar). Pour passer d'une situation à l'autre, on tourne l'élément mobile de gauche 50 dans le sens anti-horaire et l'élément mobile de droite 50 dans le sens horaire chaque fois d'un quart de tour. Pour passer de la situation de la figure 4c à celle de la figure 4a, on tourne l'élément mobile 50 d'un demi-tour dans un sens ou dans l'autre. Les figures 5 et 6 montrent dans le détail comment peut être réalisée la vanne 45 des figures 4a à 4c. On mentionnera que par raison de symétrie la vanne 47 est identique. La figure 5 est une vue en coupe de la vanne 45 et la figure 6 est une coupe selon la ligne VI - VI tracée sur la figure 5. Le corps de vanne 48 se compose principalement d'un corps cubique percé de quatre orifices 1 à 4 sur chacun desquels est ajustée une embouchure 51. L'élément mobile 50 qui a été ajusté dans le corps de vanne 48 a la forme d'un tronc de cône qui peut tourner autour de son axe 52. L'élément 50 est monté dans un siège 53 de même forme tronconique pratiqué dans le corps de vanne. L'élément tronconique 50 est pourvu de deux percages 54 et 55 perpendiculaires l'un à l'autre et dont les axes 56 et 57 sont situés dans un plan 58 perpendiculaire à l'axe 52 du tronc de cône 50, le premier perçage 54 étant pratiqué selon un diamètre du cercle formé par l'inter- section de ce plan et du tronc de cône 50, et le second 55 selon un rayon du même cercle. On s'arrange naturellement pour que les perçages 54 et 55 soient situés au même niveau que les orifices 1 à 4 percés dans le corps de vanne. L'élément mobile 50 peut ainsi être disposé dans une première position, montrée à la figure 4a, pour laquelle les orifices 1, 2 et 4 sont reliés, dans une deuxième position, représentée à la figure 4b et aux figures 5 et 6, pour laquelle les orifices 1, 3 et 4 sont reliés et dans une troisième position, représentée à la figure 4c, pour laquelle les orifices 1, 2 et 3 sont reliés. Pour assurer une étanchéité parfaite de l'élément tronconique dans son siège 53, la figure 5 montre qu'il est terminé à chacune de ses extrémités par un prolongement cylindrique 59 et 60. Chacun de ces prolongements est pourvu d'une rainure dans laquelle vient se loger une garniture d'étanchéité 61 et 62 qui coopère avec des prolongements cylindriques 63 et 64 portés par le siège 53 du corps de vanne. La figure 5 montre aussi que l'élément mobile est muni d'une poignée de commande 65 fixée par des vis 66. Le même élément est maintenu emboîté dans son siège 53 par des moyens élastiques qui se présentent sous la forme d'un ressort 67. Le dessin montre qu'en vissant plus ou moins les vis 68, on peut faire varier la force d'application du mobile 50 dans son siège 53. Pour éviter le grippage du mobile dans son siège, on revêtira l'une des surfaces en présence, par exemple le mobile tronconique, d'une couche anti- friction. Ceci peut être réalisé avantageusement par un dépôt PVD de sulfure de molybdène (MoS2). L'invention n'est pas limitée à la forme tronconique de l'élé- ment mobile. Ce pourrait être aussi un cylindre qui toutefois pourrait présenter en s'usant des défauts d'étanchéité. On signalera enfin que la vanne qui vient d'être décrite peut porter, pour les mêmes raisons que celles données plus haut, une dérivation entre les orifices 1 et 3. La figure 6 montre cette dérivation qui comprend un premier conduit 69 interrompu par un second conduit 70 auquel est ajustée une tige d'obturation non représentée. REVENDICATIONS 1. Laser à gaz comportant une cavité résonante (8) terminée par un premier (6) et un second (7) miroir, un tube à décharge (5) situé entre lesdits miroirs, une source de gaz (12) dont le débit peut être contrôlé, un manomètre (11) pour mesurer la pression de gaz régnant à l'intérieur de la cavité et des moyens de pompage (14) susceptibles entre autres d'évacuer l'air ou le gaz se trouvant à l'intérieur de la cavité, caractérisé par le fait qu'il comprend une première vanne (15, 45) interposée entre la première extrémité (16) du tube et le premier miroir (6) et une second vanne (17, 47) interposée entre la seconde extrémité (21) du tube et le second miroir (7), lesdites vannes étant susceptibles de mettre en communi- cation au moins les moyens de pompage avec la cavité résonante, chacune desdites vannes comportant un corps (18, 19, 48, 49) percé d'orifices (1, 2, 3, 4) et un élément mobile (20, 50) ajusté dans ce corps et susceptible d'être placé dans une première position, dite de fonctionnement, pour laquelle le rayon lumineux produit dans le tube à décharge traverse les vannes pour atteindre les miroirs, les moyens de pompage étant isolés de la cavité, dans une deuxième position, dite d'accès aux miroirs, pour laquelle lesdits miroirs sont isolés du tube à décharge et des moyens de pompage, et dans une troisième position, dite de changement de gaz, pour laquelle la cavité est mise en communication avec les moyens de pompage pour évacuer le gaz contenu dans ladite cavité. 2. Laser à gaz selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'en outre la première vanne (15, 45) est susceptible de mettre en communication la cavité résonante (8) avec le manomètre (11) et la seconde vanne (17, 47), la source de gaz (12) avec ladite cavité résonante. 3. Laser à gaz selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que la première vanne est pourvue d'un dispositif de dérivation (30, 31, 69, 70) pour permettre une circu- lation de gaz frais, ledit dispositif pouvant être mis en action quand l'élément mobile est placé dans la première position. 4. Laser à gaz selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le corps (18, 48) de la première vanne (15, 45) comporte un il premier orifice (1) relié au tube à décharge (5), un deuxième orifice (2), coaxial au premier, relié à une première chambre (22) supportant le premier miroir (6), un troisième orifice (3) dont l'axe coupe sensiblement à angle droit l'axe des premier et deuxième orifices et relié aux moyens de pompage (14), et un quatrième orifice (4), coaxial au troisième, relié au manomètre (11) et que le corps (19, 49) de la seconde vanne (17, 47) comporte un premier orifice (1) relié au tube à décharge (5), un deuxième orifice (2), coaxial au premier, relié à une seconde chambre (23) supportant le second miroir (7), un troisième orifice (3) dont l'axe coupe sensi- blement à angle droit l'axe des premier et deuxième orifices et relié aux moyens de pompage (14) et un quatrième orifice (4), coaxial au troisième, relié à la source de gaz (12). 5. Laser à gaz selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'élément mobile ajusté dans le corps des première et seconde vannes se présente sous la forme d'un clapet (20) dont l'axe de rotation (25) se trouve en dehors du chemin parcouru par le rayon lumineux réfléchi par les miroirs, ledit clapet pouvant être disposé dans une première position pour laquelle le troisième orifice (3) de chacun des corps de vanne est obstrué, dans une deuxième position sensiblement perpendiculaire à la première pour laquelle le deuxième orifice (2) de chacun des corps de vanne est obstrué et dans une troisième position située à mi-chemin entre les première et deuxième position pour laquelle aucun des quatre orifices (1, 2, 3, 4) de chacun des corps de vanne n'est obstrué. 6. Laser à gaz selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'élément mobile ajusté dans le corps des première est seconde vannes est un tronc de cône (50) susceptible de tourner autour de son axe (56) et monté dans un siège (53) de même forme pratiqué dans le corps de vanne, ledit tronc de cône étant pourvu de deux perçages (54, 55) perpendiculaires l'un à l'autre et dont les axes (56, 57) sont situés dans un plan (58) perpendiculaire à l'axe (52) du tronc de cône, le premier perçage (54) étant pratiqué selon un diamètre du cercle formé par l'intersection de ce plan et du tronc de cône, et le second (55) selon un rayon du même cercle pour former une ouverture en forme de T, lesdits percages étant disposés au même niveau que les orifices percés dans le corps de vanne, ledit élément mobile pouvant être disposé dans une première position pour laquelle les premier, deuxième et quatrième orifices du corps de vanne sont reliés, dans une deuxième position pour laquelle les premier, troisième et quatrième orifices du corps de vanne sont reliés et dans une troisième position pour laquelle les premier, deuxième et troisième orifices du corps de vanne sont reliés. 7. Laser à gaz selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'élément mobile tronconique est terminé à chacune de ses extrémités par un prolongement cylindrique (59, 60), une rainure étant pratiquée dans la périphérie desdits prolongements pour contenir une garniture d'étanchéité (61, 62) arrangée pour coopérer avec des prolongements cylindriques (63, 64) portés par le siège du corps de vanne. 8. Laser à gaz selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'élément mobile tronconique est maintenu emboîté dans le corps de vanne par des moyens élastiques (67) et que l'élément mobile porte une poignée de commande (65). 9. Laser à gaz selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la surface extérieure du tronc de cône est revêtue d'une couche antifriction.