Brevet FR2594264A1 — publié le 19870814

-1-- L'invention concerne un résonateur optiquement stable pour la production d'un rayon laser, comprenant un miroir terminal disposé à une extrémité du résonateur et qui réfléchit totalement la lumière, et une fenêtre de sortie disposée à l'autre extrémité du résonateur et constituée par un miroir partiellement réfléchissant, et en outre, un milieu laseractif, que la lumière traverse plusieurs fois dans les deux sens opposés sur un même axe qu'on alimente avec une énergie d'amplifi- cation, tel que celui qui est connu, par exemple dans le domaine de la technologie des lasers à haute énergie pour le travail des métaux. Le terme "milieu laseractif" désigne tout milieu apte à générer un faisceau laser lorsqu'il est soumis à une excitation appropriée. On citera à ce propos comme bibliographie, des articles de revues tirés de la revue "Applied Optics" 1966, pages 1550 à 1567, ou de la revue "Lasers & Applications", 1985, pages 79 à 83. Dans ces documents, on mentionne aussi le critère de discrimination entre ce qu'on ap- pelle les types stables et instables de résonateurs pour la production de rayons laser. Pour la plupart, les résonateurs dits instables travaillent exclusivement avec des éléments optiques réfléchissants ou du type réflecteur dans le résonateur qui peuvent subir des contraintes thermiques plus élevées que les éléments optiques à transmission ou du type réfracteur, puisque, d'une part, les pertes par réflexion sont plus faibles que les pertes par absorption des éléments à transmission et que, d'autre part, les éléments optiques réfléchissants peuvent être refroidis de façon plus intense. En particulier, les résonateurs instables n'ont pas besoin de fenêtre de sortie chargée dans le mode transmission comme celle -2- que présentent les résonateurs dits stables, parce que, dans ces résonateurs, le rayon sortant du résonateur peut être envoyé à l'extérieur à travers un perçage qui, grâce à un agencement rationnel de flux aérodyna- miques orientés transversalement, permet de maintenir la dépression régnant à l'intérieur du résonateur, comparativement à l'environnement extérieur. Avec les résonateurs instables, on peut certes obtenir sans difficulté des plages de puissance de plus de 1,5 kw dans le rayon laser sortant, mais la qualité du rayon, c'est-à-dire la distribution de l'énergie sur la section du rayon, n'est pas homogène sur toute la section du rayon et, par ailleurs, elle n'est pas constante dans le temps en chaque point. En particulier, le rayon d'un résonateur instable a l'inconvénient de présenter une forme cylindrique creuse, c'est-à-dire que son maximum d'énergie ne se trouve pas au centre du rayon mais qu'il est réparti en cercle le long du bord. Il en résulte que le rayon travaillant d'un résonateur ins- table ne peut pas être concentré avec la finesse opti- male, de sorte que, en raison des lois de l'optique ondulatoire, la densité d'énergie pouvant être contenue dans un rayon laser concentré est affectée d'une cer- taine limite. Dans le cas d'un résonateur à fonctionnement stable pour la production d'un rayon laser, on peut certes obtenir un rayon de meilleure qualité, c'est-à- dire un rayon laser qui possède une distribution d'énergie dite de Gauss sur toute la section du rayon et qui puisse être concentré en un rayon particulière- ment étroit. En outre, avec un résonateur à travail stable, on peut obtenir une meilleure constance dans le temps du profil d'énergie d'un tel rayon laser. -3- Toutefois, un inconvénient de ce type de résonateur consiste dans la haute contrainte thermique de la fe- nêtre de sortie à travers laquelle le rayon laser doit passer. Dans les formes de construction pour résonateurs à travail stable qui sont connues jusqu'à présent, on peut obtenir, au prix de modes d'un degré peu élevé dans le rayon travaillant, au maximum des puissances de l'ordre d'environ 1,5 kw. Dans le but d'obtenir cette distribution d'énergie de Gauss à l'intérieur du rayon laser produit, on cherche à obtenir pour le résonateur un indice de Fresnel de 1. En ce qui concerne la signi- fication de cet indice et la façon dont on le calcule, on se reportera à la documentation citée au début du présent mémoire. Toutefois, un très petit indice de Fresnel, d'une valeur proche de l'unité, exige une très grande longueur d'encombrement pour le résonateur. On peut certes limiter la forme extérieure du résonateur lui-même à une dimension relativement petite en imposant à la marche du rayon un trajet coudé qui réduit l'en- combrement mais la longueur optiquement effective du trajet du rayon est très grande et il est difficile de régler ce rayon de façon qu'il soit stable et précis en position, ce qui est particulièrement important pour obtenir un rendement élevé en puissance. Les moindres variations thermiques à l'intérieur du résonateur peuvent entraîner un déréglage du miroir, ce qui peut avoir pour conséquence des pertes plus élevées et le percement ou la fusion des éléments optiques. A cet égard - ainsi qu'on l'a déjà dit -, la fenêtre de sortie est particulièrement menacée parce qu'elle ne peut pas être refroidie de façon intense comme le pourrait être, par exemple, un miroir. En outre, l'agrandissement de la fenêtre de sortie en vue de réduire la densité d'énergie n'est que d'un maigre secours parce que, avec l'accroissement de la dimension -4- de la fenêtre de sortie ou du diamètre du rayon, l'indice de Fresnel s'accroit et que la qual:té du rayon diminue rapidement c'est-à-dire qu'avec l'accroissement du diamètre du rayon, toutes autres conditions restant égales, il se produit des modes d'un degré plus élevé, que l'on voudrait justement éviter. En raison de la présence de modes d'un degré plus élevé dans le rayon laser émergent, on peut moins bien concentrer le rayon et, de cette façon, on ne peut plus obtenir la haute densité d'énergie qui serait nécessaire pour assurer un bon résultat de travail. Le but de l'invention est de donner à un réso- nateur stable du genre qui est à la base du type en question une configuration telle que, en dépit d'une haute énergie totale du rayon lumineux émergent, par exemple, au-dessus de 1 kw, la densité d'énergie au niveau de la fenêtre de sortie n'atteigne que des va- leurs qui puissent être maîtrisées sans difficulté et qu'on puisse cependant obtenir dans le rayon lumineux émergent une distribution d'énergie qui soit au moins proche de la distribution d'énergie de Gauss. Selon l'invention, ce problème est résolu par le fait que, dans le résonateur, est disposé au moins un élément optique distinct qui fait converger le rayon lumineux allant vers le miroir terminal, de sorte que le rayon qui tombe sur le miroir terminal est d'un dia- mètre beaucoup plus petit que le diamètre du rayon lumineux sortant par la fenêtre de sortie et par le fait qu'au moins un autre élément optique, est disposé dans le résonateur ou intégré fonctionnel ement au mi- roir terminal, cet élément faisant diverger le rayon lumineux allant vers la fenêtre de sortie dans une --5-- mesure qui correspond à la valeur de la convergence du rayon lumineux circulant en sens inverse. La présence de l'élément optique convergent et de l'élément optique divergent dans le résonateur divise le résonateur en une partie amplificateur et une partie filtre de mode. Ceci permet de concevoir la partie amplificateur pour de grands indices de Fresnel, ce qui permet de réduire la densité d'énergie sur la fenêtre de sortie, bien que la puissance lumineuse totale émergente soit très élevée. La partie filtre de mode est calculée pour de petits indices de Fresnel, de l'ordre de l'unité, ce qui, grâce à la petite section du rayon, n'exige que de petites longueurs d'encombrement du résonateur, qui peuvent être maîtrisées sans difficulté. Plus précisé- ment, la longueur de construction du résonateur est réduite grâce à la section réduite du rayon dans la partie filtre de mode. Si l'on réduit le diamètre du rayon à la moitié, avec une même valeur de l'indice de Fresnel, la longueur du rayon dans la partie filtre de mode n'est plus que d'un quart. Selon une caractéristique avantageuse de l'in- vention, l'élément optique à effet convergent est dis- posé entre le milieu actif et le miroir terminal - en dehors du milieu actif -. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, l'élément optique divergent est lui aussi réalisé séparément du miroir terminal et est disposé à une distance optique aussi petite que possible de l'élément convergent et à une distance optique aussi grande que possible du miroir terminal, mais dans le trajet du rayon compris entre l'élément convergent et le miroir. -6- Selon une autre caractéristique de l'invention, la longueur de la partie amplificateur du résonateur, mesurée parallèlement à la direction du rayon et qui est déterminante pour les pertes par diffraction et le diamètre du rayon lumineux à l'intérieur de cette partie amplificateur sont calculés de manière que, pour la partie du rayon qui est limitée à la partie amplifica- teur, on obtienne un indice de Fresnel de plus de 1, de préférence de plus de 10, et le rayon qui se trouve entre l'élément divergent, ou convergent, et le miroir terminal est calculé, en longueur de parcours et dia- mètre, de manière qu'on obtienne isolément pour cette fraction du rayon un indice de Fresnel de moins de 5, de préférence de moins de 1,5. Selon une autre caractéristique de l'invention, los éléments optiques convergents et divergents sont constitués par des miroirs pouvant être refroidis. Selon une autre caractéristique de l'invention, le trajet du rayon est coudé au moyen de miroirs de renvoi, pour donner à l'appareil un encombrement réduit. Selon une autre caractéristique de l'invention, les miroirs de renvoi qui servent à couder le trajet du rayon pour donner un appareil de faible encombrement sont en même temps constitués par les miroirs convergents et divergents. Selon une autre caractéristique de l'invention, les angles de changement de direction des miroirs con- vergents et divergents sont inférieurs à 90 . -7- Selon une autre caractéristique de l'invention, les miroirs convergents et divergents sont construits avec une surface réfléchissante sphérique et, entre Ces deux miroirs, il se produit une déviation du rayon sur un miroir possédant une surface réfléchissante cy- lindrique. L'invention est encore décrite dans la suite à propos de plusieurs exemples de réalisation repré- sentés sur les dessins. Sur ces dessins: la figure 1 la figure 2 la figure 3 la figure 4 est une représentation de principe très schématisée d'un résonateur divisé en une partie amplificateur et une partie filtre, et utilisant des éléments optiques à trans- mission, avec marche rectiligne des rayons; est un résonateur selon l'invention utili- sant des éléments optiques réfléchissants avec rétrécissement du rayon et utilisation d'un trajet coudé du rayon, montre une variante du résonateur de la figure 2, dans laquelle on réalise des an- gles de changement de direction plus petits sur les éléments optiques qui modifient la section; représente un résonateur dans lequel l'élé- ment optique divergent est intégré fonc- tionnellement à l'élément terminal du ré- sonateur et o il existe une forme conique du rayon dans la partie filtre de mode; et -8- la figure 5 représente une autre variante d'un résona- teur utilisant des miroirs de modification de la section du rayon, de configuration sphérique, et avec interposition d'un miroir de forme cylindrique pour la correction de l'astigmatisme. Bien que les résonateurs représentés dans les exemples de réalisation constituent ce qu'on appelle des lasers à gaz, dans lesquels le milieu laseractif est un gaz, l'invention peut également être mise en oeuvre sans difficulté dans des lasers à solide ou à liquide. Naturellement, il est sans importance pour l'invention que le laser à gaz soit parcouru longitu- dinalement ou transversalement et que l'excitation du milieu laseractif soit assurée d'une façon ou d'une autre, par exemple, par une haute tension, par une haute fréquence ou par la lumière. La réduction de la capacité d'énergie dans la partie amplificateur du résonateur qui est rendue possible selon l'invention est en particulier également utile pour les lasers à solide, de sorte que, pour ce type de résonateur, l'in- vention ouvre, un nouveau domaine de puissance. D'un autre côté, l'invention n'est pas limitée uniquement aux lasers de grande puissance mais elle peut également être appliquée avantageusement à d'autres sources lumi- neuses du type laser dans lesquelles on cherche à ob- tenir une haute qualité du rayon, c'est-à-dire dans lesquelles, le mode fondamental est autant que possible seul contenu dans le rayon utile. La représentation de résonateur fortement schématisée selon la figure 1 permet de reconnaître particulièrement nettement le principe selon l'invention. -9- Le résonateur qui y est représenté présente, à son extrémité arrière, un miroir terminal entièrement réfléchissant 1, relativement petit, dont la surface réfléchissante est représentée avec une courbure exa- gérée. Par cette très faible courbure du miroir, on cherche à contrebalancer une divergence du rayon qui est due à la nature ondulatoire de la lumière. Sur la face terminale opposée du résonateur, à laquelle le rayon utile émerge, est prévue ce qu'on appelle la fenêtre de sortie 2 qui est constituée par un miroir partiellement réfléchissant. Dans une région qui est immédiatement proche de la fenêtre de sortie 2, on trouve, à l'intérieur du résonateur, la partie ampli- ficateur 3 dans laquelle est contenu un milieu laser- actif, par exemple du gaz carbonique et qui peut être alimenté en énergie d'excitation par une paire d'élec- trodes à haute tension 15. Sous l'effet de la haute tension appliquée, le gaz est partiellement ionisé et sa molecule est mise dans un état d'excitation de sorte qu'il se produit une amplification de la lumière par émission stimulée. A la suite du compartiment amplifi- cateur de la partie amplificateur 3, qui est indiqué par une ligne en traits mixtes, sont agencées une len- tille convergente 5 et une lentille divergente 6 par lesquelles le rayon lumineux de diamètre D qui existe à l'intérieur de la partie amplificateur est réduit à un rayon lumineux beaucoup plus étroit, de diamètre d et possédant une densité d'énergie d'autant plus grande. Le rayon réduit en section est envoyé sur le miroir terminal 1 et renvoyé à la partie amplificateur 3, en même temps qu'il est à nouveau agrandi au grand diamètre existant dans la partie amplificateur à travers les deux lentilles 6 et 5. L'action de filtre de mode de la partie filtre 4 du résonateur est produite grâce à une conformation d'autant plus mince du rayon qui existe -10- dans cette partie du résonateur. Grâce à la section relativement petite du rayon, on peut réaliser de petits indices de Fresnel même en présence de longueur de rayon admissible; plus l'indice de Fresnel est petit, plus grande est l'action de filtrage pour les modes de rayonnement d'un haut degré. Avec un indice de Fresnel d'environ 1, le rayon lumineux produit ne contient sensiblement plus que le mode fondamental TEMoo. Avec un indice de Fresnel de 1, la surface ayant pour côtés la longueur d'onde et la longueur de rayon L de la par- tie filtre de mode est égale à un carré ayant pour côté la moitié du diamètre du rayon. Dans le cas d'un laser à CO2 d'une longueur d'onde de lumière de 10,6 ym et d'un diamètre de rayon d de 5 mm à l'intérieur de la partie filtre de mode, ceci signifie que, pour l'obten- tion d'un indice de Fresnel de 1, on doit avoir une longueur de rayon L d'environ 60 cm. Certes, la densité d'énergie est très élevée dans ce rayon qui est relati- vement étroitement concentré mais cette densité peut être supportée, du moins par le miroir terminal, parce que ce dernier peut être efficacement refroidi sur la surface arrière par de l'eau de refroidissement. Seul l'élément optique à transmission, à savoir la lentille divergente, ne peut pas être efficacement refroidie, de sorte que, en raison de cette lentille, le résonateur selon la figure 1 est limité à des puissances relati- vement faibles. Toutefois, en raison du grand diamètre du rayon, la lentille convergente 5 n'est sollicitée qu'avec une densité d'énergie relativement faible et, à savoir, avec une densité d'énergie qui est également adaptée pour la fenêtre de sortie. Comme on le suppose ici, ces densités d'énergie peuvent également être supportées sans difficulté par d'autres éléments opti- ques à transmission. -11- Une variante du résonateur est indiquée en traits mixtes sur la figure 1; dans ce cas, l'effet divergent de la lentille 6 est intégré dans une confi- guration convexe correspondante du miroir terminal 1. De cette façon, la lentille divergente 6 qui est forte- ment sollicitée par la densité d'énergie peut être supprimée. Naturellement, la lentille convergente 5 doit encore être d'une configuration à grande distance focale, de manière à obtenir un cône de rayonnement relativement mince. Même avec une partie filtre de mode qui possède cette configuration de rayon conique, on peut obtenir un effet de filtre de mode et on peut réa- liser un petit indice de Fresnel. Avec un indice de Fresnel de 1, et dans le cas de ce type de cheminement du rayon, un quart du rectangle ayant pour côtés D x d doit être rendu égal au rectangle ayant pour côtés la longueur d'onde de la lumière et la longueur du rayon dans la partie filtre de mode. Dans le cas d'un diamètre de rayon de 5 mm sur le miroir terminal, d'une longueur d'onde lumineuse de 12,6 pm et d'un rapport de diamètres du rayon conique dans la partie filtre de mode de 1: 5, il faut que la partie filtre de mode ait une longueur d'environ 2,95 m pour qu'on puisse réaliser avec cette partie un indice de Fresnel de 1. Ceci représente une longueur d'encombrement encore tout à fait maîtrisable et insensible aux ajustements. Avec un rapport de dia- mètres de 1: 5 pour le petit diamètre et le grand diamètre du rayon lumineux, la densité d'énergie dans la partie amplificateur du résonateur est toutefois réduite au 1/25 ou à 4% de la densité d'énergie qui existe sur le miroir terminal. contrairement à la partie filtre de mode 4 d'une construction relativement longue - comparativement -12- aux résonateurs classiques -, cette partie filtre de mode est encore courte -, la partie amplificateur 3 du résonateur est d'une forme relativement ramassée parce que, grâce au grand diamètre de la partie amplificateur, on peut y loger un grand volume de milieu laseractif, ce qui est un facteur déterminant pour la puissance du rayon laser produit. Plus le diamètre est grand, plus grande est la puissance qui peut être obtenue, pour une longueur 1a donnée du compartiment amplificateur; en d'autres termes, à égalité de puissance, la charge de rayonnement spécifique (intensité de rayonnement reçu), des éléments optiques à transmission contenus dans la partie amplificateur décroît avec l'accroissement du diamètre. Pour compléter, il convient encore de remarquer à ce point que la charge de rayonnement spécifique de la lentille 5 est plus élevée que celle de la fenêtre de sortie 2 parce que seule une fraction de l'énergie lumineuse sort à travers la fenêtre de sortie, compara- tivement à la puissance de la lumière qui est réfléchie alternativement dans les deux sens à l'intérieur du résonateur et qui traverse la lentille 5. Selon le facteur de réflexion du miroir partiellement réfléchis- sant qui est représenté par la fenêtre de sortie, la charge de rayonnement spécifique de la lentille 5 est donc plus élevée. Avec un facteur de réflexion de 75% sur la fenêtre de sortie 2, la charge spécifique de la lentille 5 est, en raison du fait qu'elle est traversée par le rayonnement, quatre fois plus grande que celle de la fenêtre de sortie parce que, avec une transmutance de 25%, l'énergie est découplée dans le rapport 1: 4. La représentation de résonateur selon la figure 2 est certes ici aussi très schématique mais cette vue montre un peu plus de détails que la représentation de -13- la figure 1. Avant tout, dans cette forme de réalisation, à l'exception de la fenêtre de sortie 2, il n'est prévu dans le résonateur que des éléments optiques travaillant par réflexion et qui peuvent subir une forte sollicita- tion thermique, grâce à-une possibilité de refroidisse- ment intense. La partie amplificateur 3 de ce résonateur est essentiellement composée d'un tube amplificateur 21 qui est isolé de l'extérieur par la fenêtre de sortie 2; dans la région du début et de la fin du tube, sont montés respectivement, sur la périphérie du tube, des couronnes d'électrodes 15 qui sont connectées à une source de haute tension 16. En supplément des électrodes, sont montées sur le tube amplificateur des raccordements par l'intermédiaire desquels le milieu laseractif, par exemple du gaz carbonique, peut être refoulé à travers le tube amplificateur dans le sens de sa longueur au moyen de la pompe de circulation 17 et refoulé à travers un échangeur de chaleur 18. Là, la chaleur perdue absor- bée dans le tube amplificateur peut être évacuée à l'ex- térieur par l'intermédiaire de conduites d'arrivée et de départ d'eau de refroidissement extérieures 20. Pour compléter, il convient encore de signaler qu'il est encore prévu des moyens pour faire le vide dans le circuit et dans l'ensemble du résonateur, et pour in- troduire du gaz carbonique, ces moyens constituant des appareils périphériques mais n'étant pas représentés sur le dessin. La partie filtre de mode du résonateur commence par un miroir convergent 7 fixé à l'extrémité du tube amplificateur 21 qui est constituée par un miroir para- bolique et qui dévie le rayon de 90 par rapport à l'axe -14- du tube amplificateur. Naturellement, le miroir est calculé suffisamment grand pour capter toute la surface de section (diamètre D) du rayon lumineux qui existe dans la partie amplificateur du résonateur. En raison de la dimension relativement grande du rayon, la solli- citation énergétique de ce miroir est relativement fai- ble; toutefois, il est réalisé sous la forme d'un miroir pouvant être refroidi par l'eau, qui est muni d'une chambre à eau de refroidissement 22 prévue sur sa face arrière. Le rayon convergent est dirigé vers un autre miroir divergent 8 qui transforme le faisceau lumineux conique en un faisceau lumineux parallèle de diamètre d et le renvoie en même temps parallèlement au tube ampli- ficateur 21. En raison du petit diamètre du rayon, la charge de rayonnement spécifique de ce miroir est élevée, de sorte que ce miroir doit absolument être refroidi intensément par l'eau et qu'il est lui aussi muni d'une chambre de refroidissement par l'eau 22. Le deuxième miroir 8 qui est divergent, est lui aussi constitué par un miroir parabolique, mais avec une surface réfléchis- sante convexe. Ce miroir parabolique est également agencé de manière à assurer la disposition de la dernière partie du rayon parallèlement au tube amplificateur 21. Le miroir terminal 1' est lui aussi soumis à une forte sollicitation thermique et il est réalisé sous la forme d'un miroir à refroidissement, muni d'une chambre de refroidissement à l'eau 22. Les chambres de refroidis- sement 22 des miroirs sont raccordées à un circuit de refroidissement possédant une entrée d'eau de refroi- dissement 23, un retour d'eau de refroidissement 24, ainsi qu'à un échangeur de chaleur 19 qui est lui aussi raccordé, sur le côté sortie de chaleur, à l'arrivée et à la sortie d'eau de refroidissement 20. La chaleur perdue du miroir est évacuée à l'extérieur par l'inter- médiaire de l'échangeur de chaleur 19. -15- Dans la représentation donnée sur la figure 2, le miroir terminal 1' est représenté sous la forme d'un miroir concave, dont la courbure est toutefois repré- sentée avec exagération; ceci sert simplement à indiquer une possibilité d'action sur l'étalement du rayon qui est dû à la nature ondulatoire, ainsi qu'on l'a déjà exposé à propos du miroir terminal 1 de l'exemple de réalisation de la figure 1. En dehors du diamètre d du rayon lumineux dans la dernière partie de la partie filtre de mode, -le prin- cipal critère déterminant pour l'effet de filtre de mode de la partie filtre de mode du résonateur de la figure 2 est la longueur L du rayon, c'est-à-dire la distance entre le miroir divergent 8 et le miroir terminal 1'. Compte tenu de ces grandeurs, on cherche à obtenir pour la partie filtre de mode un indice de Fresnel proche de 1. Au contraire, pour la partie du rayon qui est limitée à la partie amplificateur 3, on cherche à obtenir un indice de Fresnel plus élevé afin d'obtenir une plus faible densité d'énergie dans le passage du rayon à travers la fenêtre de sortie 2, et de pouvoir loger un grand volume actif dans le résonateur. Pour la con- ception du résonateur sur un indice de Fresnel déterminé, ce qui est décisif ici est, en dehors du diamètre D du rayon, surtout la distance entre la surface réfléchis- sante de la fenêtre de sortie 2 et le miroir à effet convergent 7, c'est-à-dire la distance 1. Dans la suite, on procèdera, à propos d'un exemple numérique, à une évaluation de la charge ther- mique des différents éléments optiques et à une évalua- tion grossière de dimensions du résonateur qui étaient critiques jusqu'à présent. A cet effet, on prendra -16- tout d'abord certaines suppositions: la puissance de sortie du résonateur doit être de 5 kw pour un coeffi- cient de sortie de 50%; par ailleurs, on supposera que le diamètre du rayon est de 10 mm dans la dernière partie de la partie filtre de mode du résonateur 10 et en ce que le diamètre de rayon est de 50 mm dans la partie amplificateur du résonateur. En prenant pour base ces valeurs numériques supposées, on obtient pour la partie filtre de mode une longueur de rayon de 2,5 m si l'on fait les calculs pour un indice de Fresnel de 1. La puissance de rayonnement moyenne à l'intérieur du réso- nateur est de 10 kw avec les conditions supposées, ce qui signifie une charge de rayonnement spécifique d'en- viron 125 watts par mm2 de surface réfléchissante du miroir terminal ou du miroir divergent; ces valeurs de charge sont tout à fait admissibles dans le cas de miroirs refroidis par un liquide. Avec une perte par absorption de 0,5% au maximum sur les miroirs, on doit évacuer pour chaque miroir une puissance de perte de 50 watts, ce qui est tout à fait possible, même dans le cas de petits miroirs. Sur la figure 4, on a représenté une variante du résonateur de la figure 2. Plus précisément, dans le résonateur qui y est représenté, la fonction du mi- roir divergent est intégrée dans le miroir terminal 1" qui présente une surface réfléchissante convexe. Le miroir de renvoi 11 est réalisé sous la forme d'un mi- roir plan qui a uniquement pour fonction de couder le faisceau lumineux conique provenant du miroir convergent 9 de longueur focale relativement grande, pour le ren- voyer parallèlement vers le miroir terminal 1". Pour le calcul de l'indice de Fresnel de la partie filtre de mode de ce résonateur, on doit introduire dans -17- l'équation correspondante le produit de la moitié du petit diamètre d du rayon par la moitié du grand diamètre D du rayon. Plus précisément, grâce à la configuration conique du rayon dans la partie filtre de mode, on ob- tient une plus grande longueur, pour pouvoir obtenir un indice de Fresnel de, par exemple 1 mais il n'y a dans le résonateur qu'un seul miroir, à savoir le miroir terminal 1" qui subit une très foete charge thermique. Par ailleurs, l'interposition d'un miroir de renvoi 11 a l'avantage de permettre d'utiliser ce dernier pour corriger un astigmatisme. Plus précisément, à la diffé- rence de la configuration parabolique plus coûteuse des miroirs 9 et 1", ces miroirs peuvent être également réalisés sous la forme de miroirs sphériques; l'astig- matisme qui s'établit de cette façon peut être éliminé par une configuration cylindrique du miroir de renvoi 11. Actuellement, on peut se procurer des miroirs sphériques à un prix très inférieur à celui des miroirs paraboliques. La forme de réalisation du résonateur selon la figure 3 utilise - de même que l'exemple de réalisa- tion selon la figure 2 -, des miroirs 7 et 8 d'une con- figuration parabolique qui peuvent également être re- froidis par l'eau. La différence essentielle qui distin- gue l'exemple de réalisation de la figure 3 des exemples de réalisation qui ont déjà été décrits consiste en ce que les angles de déviation sur les miroirs 7 et 8 sont inférieurs à 90 , ce qui peut être réalisable avec des difficultés de réglage et d'ajustement plus petites et avec de plus faible réduction de qualité que dans le cas d'un changement de direction à 90 . Il est à remar- quer que le miroir divergent 8 est placé à une distance du miroir convergent 7, exactement à celle qui sépare le miroir terminal 1' du miroir divergent 8. Cette -18- longueur relativement grande de la partie conique du faisceau est également déjà avantageuse pour la partie filtre de mode du résonateur; plus précisément, l'action de filtre de mode de ce rayon conique comparativement à l'action de filtre de mode que l'on obtient dans la région du rayon parallèle est réduite par un facteur égal au rapport des diamètres du rayon à la grande et à la petite extrémités de la partie conique du rayon. Avec un rapport de diamètre de 1: 5, l'effet de filtre de mode obtenu dans la partie conique du rayon n'est que d'environ 20% de l'effet de filtre de mode obtenu dans la marche parallèle du rayon. Sur la figure 5, on a représenté une autre variante de la partie filtre de mode du résonateur; plus précisément, on parle ici de la possibilité d'éli- miner un astigmatisme au moyen d'un miroir cylindrique, qui a déjà été évoquée à propos de l'exemple de réali- sation selon la figure 4. A l'extrémité de la partie amplificateur 3 ou du tube amplificateur 21, est prévu un miroir de renvoi plan qui dévie le rayon, de surface relativement grande, cqui passe de la partie amplificateur dans la partie filtre de mode, vers le miroir convergent 12 à surface réfléchissante sphérique. De là, le rayon est renvoyé à peu près paral- lèlement au tube amplificateur 21 vers le miroir cylin- drique 14, qui est réglé de telle manière que l'astig- matisme qui se forme lors du renvoi sur le miroir sphérique 12, soit à nouveau éliminé. Le miroir cylin- drique 14 dévie le rayon lumineux vers le miroir diver- gent 13, sur lequel le rayon lumineux conique tombe avec un diamètre d. Sous l'action de ce miroir 13, le rayon lumineux est finalement dirigé sous la forme d'un -19- faisceau lumineux parallèle présentant une allure à peu près parallèle au tube amplificateur 21, vers le miroir terminal 1'. Le miroir divergent 13 est lui aussi constitué par un miroir sphérique; en outre, l'astig- matisme qui en résulte peut être éliminé par le miroir cylindrique 14. Certes, la dépense de moyens techniques réalisée dans la partie filtre de mode du résonateur qui est représenté sur la figure 5 comportant au total cinq miroirs est relativement grande mais cette dépense est admissible en raison de la possibilité d'utiliser des miroirs sphériques peu coûteux et qui peuvent être fabriqués avec précision. Grâce à la subdivision des résonateurs en une partie amplificateur à densité d'énergie relativement faible et grand diamètre de rayon, d'une part, et une partie filtre de mode de petite section de rayon et qui peut posséder de ce fait un petit indice de Fresnel avec une faible longueur d'encombrement, d'autre part, il s'ouvre pour les résonateurs à travail stable une plage de puissances qui, jusqu'à présent, était refusée à ce type de résonateur en raison de la haute charge thermique de la fenêtre de sortie. Jusqu'à présent, les résonateurs à travail stable ne pouvaient être utilisés ou calculés au maximum que jusqu'à environ 1,5 kw avec une bonne qualité de rayon; aux puissances plus élevées, soit la charge thermique de la fenêtre de sortie était trop élevée, soit il se manifestait dans le rayon laser produit des modes d'un haut degré, avec pour conséquence que le rayon ne pouvait pas être con- centré aussi étroitement qu'un rayon laser d'une haute valeur qualitative, qui ne contient essentiellement que le mode fondamental avec une distribution d'énergie de Gauss. -20- On cherche à pouvoir focaliser le rayon lumineux émergent sur un point aussi petit que possible et à pouvoir concentrer l'énergie émergente sur un point aussi petit que possible. Plus ce point est petit, meilleur est le résultat du travail pour le soudage ou le découpage. Certes, avec des objectifs de petite dis- tance focale, il est possible d'obtenir une focalisation plus étroite qu'avec des objectifs à longue distance focale mais on cherche à assurer la focalisation avec un objectif possédant une distance focale aussi longue que possible parce que, dans l'utilisation du rayon laser pour le travail, des projections de métal reviennent du point de focalisation vers l'objectif, selon la direction du rayon et endommagent cet objectif. Plus longue est la distance focale de l'objectif, plus l'objectif peut être éloigné du point de travail ou du foyer et moins il est vraisemblable que des projections métalliques n'atteignent l'objectif. Grâce à la configuration donnée aux résonateurs stables selon l'invention, on peut produire non seulement des rayons de haute qualité qui ne contiennent que le mode fondamental et qui peuvent être très bien focalisés mais encore, ainsi qu'on l'a déjà dit, on peut atteindre aussi des puissances de rayonnement qu'on ne pouvait pas atteindre jusqu'à présent avec la qualité de rayon précitée. Même en utilisant des objectifs de grande longueur focale, dans lesquels il n'est physiquement possible d'obtenir qu'une focalisation limitée, on peut maintenant produire, grâce aux hautes puissances de rayonnement, des densités d'énergie appropriées avec lesquelles. on peut atteindre un excellent résultat de soudage. Un avantage indirect de l'invention consiste non seulement dans une plus grande longévité des objec- tifs de focalisation, grâce à la possibilité d'utiliser -21- des objectifs de grande longueur focale mais, en outre, dans la possibilité d'obtenir un bon résultat de travail grâce à la puissance de rayonnement qui est au total plus élevée. De cette façon, on peut souder des sections de pièces qui n'étaient susceptibles jusqu'à présent du soudage au rayon laser en raison de leurs dimensions. -22- REVENDICATIONS 1. Résonateur.optiquement stable pour la pro- duction d'un rayon laser comprenant un miroir terminal disposé à une extrémité du résonateur et qui réfléchit totalement la lumière, et un miroir-fenêtre de sortie disposé à l'autre extrémité du résonateur et constitué par un miroir partiellement réfléchissant et, en outre, un milieu laseractif que la lumière traverse plusieurs fois dans les deux sens opposés selon un même axe, et qu'on alimente avec une énergie d'amplification, carac- térisé en ce que, dans le résonateur, est disposé au moins un élément optique distinct (5, 7, 9, 12) qui fait converger le rayon lumineux allant vers le miroir terminal (1, 1', 1"), de telle sorte que le rayon qui tombe sur le miroir terminal (1, 1', 1") est d'un dia- mètre (d) beaucoup plus petit que le diamètre (D) du rayon lumineux sortant par la fenêtre de sortie (2) et en ce qu'au moins un autre élément optique (6, 8, 10, 13) est disposé dans le résonateur ou intégré fonction- nellement au miroir terminal (1"), cet élément faisant diverger le rayon lumineux allant vers la fenêtre de sortie (2) dans une mesure qui correspond à la valeur de la convergence du rayon lumineux allant dans l'autre sens. 2. Résonateur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'élément optique à effet convergent (7, 9, 10, 12) est disposé entre le milieu actif et le miroir terminal (1, 1', 1") - en dehors du milieu actif 3. Résonateur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément optique divergent (6, 8, 10, 13) est lui aussi réalisé séparé- ment du miroir terminal (1, 1', 1") et est disposé à -23- une distance optique aussi petite que possible de l'élé- ment convergent (5, 7, 9, 12) et à une distance optique aussi grande que possible du miroir terminal (1, 1', 1"), mais dans le trajet du rayon compris entre l'élément convergent et le miroir. 4. Résonateur selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la longueur de la partie am- plificateur (3) du résonateur, mesurée parallèlement à la direction du rayon et qui est déterminante pour les pertes par diffraction et le diamètre (D) du rayon lu- mineux à l'intérieur de cette partie amplificateur sont calculés de manière que, pour la partie du rayon qui est limitée à la partie amplificateur (3), on obtienne un indice de Fresnel de plus de 1, de préférence de plus de 10, et en ce que le rayon qui se trouve entre l'élément divergent (6, 8 ou 13) ou bien l'élément convergent (9) et le miroir terminal (1, 1', 1") est calculé, en longueur de parcours (L) et en diamètre (d) de manière qu'on obtienne isolément pour cette fraction du rayon un indice de Fresnel de moins de 5, de préfé- rence de moins de 1,5. 5. Résonateur selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que les éléments optiques convergents et divergents sont constitués par des miroirs pouvant être refroidis (chambres de refroi- dissement (22)). 6. Résonateur selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisé en ce que le trajet du rayon est coudé au moyen de miroirs de renvoi pour don- ner un appareil de faible encombrement. -24- 7. Résonateur selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les miroirs de renvoi qui servent à couder le trajet du rayon pour donner un appareil de faible encombrement sont constitués en même temps par les miroirs convergents ou divergents. 8. Résonateur selon les revendications 5, 6 et 7, caractérisé en ce que les angles de changement de direction des miroirs convergents et divergents sont inférieurs à 90 . 9. Résonateur selon l'une quelconque des re- vendications 5 à 8, caractérisé en ce que les miroirs convergents et divergents (12, 13) sont réalisés avec une surface réfléchissante sphérique et en ce que, entre ces deux miroirs, il se produit une déviation du rayon sur un miroir (14) possédant une surface réfléchissante cylindrique (figure 5).