Brevet FR2595877A1 — publié le 19870918

La présente invention concerne des perfectionnements apportés au domaine des lasers. Elle a trait plus particulièrement à un laser perfectionné comprenant une électrode perfectionnée, ainsi qu'un procédé de fixation de cette électrode à un corps de laser. Dans le processus de formation d'un faisceau laser, les électrodes du laser, à savoir l'anode et la cathode, interagissent de façon à faire circuler un courant dans les gaz de formation du faisceau laser, 10 excitant ces gaz aux niveaux d'énergie supérieurs demandés pour la formation du faisceau. Les électrodes sont souvent disposées à proximité des extrémités de canaux ménagés à l'intérieur d'un corps du laser et contenant des gaz appropriés tels que l'hélium et du néon. La cathode est communément d'une configuration métallique globalement en forme de dôme, alors qu'une anode métallique fonctionnelle peut prendre diverses formes, y compris la forme d'un d6me ou d'un disque, bien que son fonctionnement soit moins sensible à la 20 forme que celui de la cathode. En fonctionnement, la cathode est maintenue à un potentiel négatif et l'anode est maintenue à des ions hélium et néon chargés positivement afin de se comporter comme un émetteur d'électrons, alors que l'anode sert de collecteur d'électrons. Une application classique d'un laser, tel qu'un gyroscope à laser à anneau, comprend des miroirs hautement polis situés à des extrémités opposées du corps du laser. Lorsqu'un tel laser est utilisé en tant qu'élément d'un ensemble d'instruments, seule une varia30 tion relativement faible de la distance entre les miroirs est tolérable, car cette distance est critique pour le signal de sortie résultant du laser. Le maintien d'une distance prédéterminée, dans des tolérances, pose un problème technique difficile à résoudre lorsque le 35 laser est utilisé dans un environnement thermique relati- vement extrême. Pour résoudre ce problème, le corps du laser est communément réalisé en une matière à coefficient de dilatation thermique extrêmement bas, comprenant diverses vitrocéramiques telles que celles connues sous 5 les marques commerciales "Zerodur" et "Cer-Vit". Par ailleurs, la cathode et l'anode comprennent un conducteur métallique pour assurer la circulation d'un courant à travers les gaz de formation du faisceau laser. Actuellement, des électrodes de laser en 10 métal ou en alliage métallique sont produites par un certain nombre de procédés connus comprenant des opérations d'estampage et d'usinage. Ces procédés nécessitent un nettoyage et une préparation importants des surfaces internes. De plus, dans certaines applications, les 15 électrodes doivent être scellées sur le corps du laser. Ainsi, un joint verre-sur-métal est communément réalisé conformément aux compositions différentes des électrodes et du corps du laser. De l'indium est couramment utilisé comme agent d'étanchéité. Un tel joint à l'indium est 20 décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 4 273 282. Bien que des électrodes en métal ou en alliage métallique établissent le contact électrique nécessaire de l'extérieur vers l'intérieur du laser et constituent 25 donc un moyen permettant de faire passer le courant pour le processus de formation du faisceau laser, le degré de dilatation qu'elles subissent sous l'effet des contraintes thermiques, bien qu'il ne dégrade pas le fonctionnement à court terme du laser, affecte son 30 intégrité à long terme. La grande disparité entre les coefficients de dilatation thermique de l'électrode métallique et du corps du laser en vitrocéramique introduit des contraintes importantes dans un tel système. La discordance des coefficients de dilatation thermique 35 de l'aluminium et de la matière du type "Zerodur", par exemple, limite l'espérance de vie d'un joint réalisé entre une telle électrode et un corps de laser lorsqu'ils sont soumis à des cycles compris, par exemple, entre -55'C et 125 C. Par conséquent, le joint aluminium sur 5 verre, comprenant communément de l'indium, est limité par la température de fusion de l'indium de 156 C. La contrainte introduite dans un système soumis à des contraintes thermiques, comprenant un corps de laser en vitrocéramique relié à une électrode métal10 lique, peut avoir pour résultat une déformation, à un faible degré, du corps du laser. Cette déformation ou flexion peut dégrader gravement les caractéristiques de fonctionnement du laser dans des applications telles que, par exemple, le gyroscope à laser à anneau. En 15 plus de la déformation physique, le mouvement relatif et le fluage à froid de la matière d'étanchéité à base d'indium, à l'interface corps de laser-électrode, conduit à d'éventuelles défaillances du joint. Bien que des joints de verre "purs" existent, ils ne conviennent 20 pas du fait des dilatations thermiques différentielles provoquées par les contraintes. Ces contraintes peuvent en fait provoquer une rupture du corps du laser en verre. Les problèmes décrits ci-dessus, en interagissant, limitent l'efficacité et les procédés appro25 priés de fabrication de lasers pour des applications telles que des gyroscopes à laser à anneau, dans lesquels l'exclusion de substances contaminantes est essentielle pour une qualité optimale de production et une performance optimale de l'instrument. Dans la fabrication 30 d'un tel appareil de précision, de la chaleur est communément utilisée pour libérer des matières volatiles (telles que de l'eau, des alcools et des matières plastiques). Lors de l'asemblage d'un appareil gyroscopique à laser à anneau, comprenant un corps de laser, 35 des miroirs et des électrodes, l'instrument est placé sur un support d'enfournement et l'ensemble est cuit de façon que les substances contaminantes indésirées soient libérées. Cette étape de cuisson et la pureté résultante du laser ont leur efficacité limitée par 5 le point de fusion de 156 C du joint d'indium (autrement, l'ensemble pourrait être cuit à une température plus élevée d'environ 100 C, limitée par la capacité des miroirs de l'ensemble). Par conséquent, en plus des effets nuisibles de la différence des contraintes thermi10 ques, l'efficacité de fonctionnement et la facilité de fabrication de l'ensemble à laser classique, qui comprend une électrode métallique et un corps de laser en céramique diélectrique, ayant des coefficients de dilatation thermique différents et reliés par un joint 15 d'indium, sont limitées. La présente invention élimine les inconvénients indiqués ci-dessus, affectant l'art antérieur, en proposant de perfectionner un laser du type comprenant un corps diélectrique en matière ayant une caractéristi20 que de dilatation thermique préalablement choisie, et au moins une électrode fixée à ce corps, le perfectionnement étant que l'électrode est constituée d'une matière diélectrique préalablement choisie ayant une caractéristique de dilatation thermique qui correspond étroitement 25 à celle du corps du laser, cette électrode étant liée, avec l'assistance d'un champ, au corps diélectrique du laser. Conformément à un autre aspect, l'invention propose un procédé perfectionné de fabrication d'un 30 gyroscope à laser à anneau. Le procédé perfectionné comprend les étapes qui consistent à fabriquer une électrode de laser en partie en une matière diélectrique préalablement choisie ayant une caractéristique de dilatation thermique qui correspond étroitement à celle 35 du corps du laser. L'électrode est ensuite liée, sous l'assistance d'un champ, au corps du laser. Le corps est enfin cuit, l'électrode lui étant fixée, à une température supérieure à 156 C. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement 5 limitatif et sur lequel la figure unique est une coupe transversale d'un laser conforme à l'invention. La figure unique est une coupe latérale d'un laser 10 selon l'invention. Le laser 10 comprend un corps 12, de préférence réalisé en une vitrocéramique 10 telle que du type "Cer-Vit" ou "Zerodur". Une cavité 14 de formation d'un faisceau laser est délimitée à l'intérieur du corps 12 du laser et comporte des miroirs hautement polis 16, 18 à ses extrémités opposées. Une anode 20 et une cathode 22 communiquent avec des alésages 15 24 et 26 orientés vers le haut et alimentant la cavité 14. La cathode 22 est globalement hémisphérique, comprenant une enveloppe extérieure 28 en verre, en silice fondue ou en vitrocéramique, dont l'intérieur 20 est revêtu d'une mince pellicule 30 d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium. L'enveloppe 28 peut être réalisée par l'un quelconque d'un certain nombre de procédés bien connus dans le domaine du façonnage du verre et du quartz, y compris par des techniques de moulage et 25 de soufflage du verre. De plus, l'enveloppe 28 peut être réalisée par usinage d'une vitrocéramique telle que du type "Zerodur", "Cer-Vit" ou du verre dopé connu sous la marque commerciale "ULE". Des techniques appropriées pour revêtir la surface intérieure de l'enveloppe 30 28 afin de former la couche 30 comprennent la déposition sous vide, l'enduction par pulvérisation et la pulvérisation ionique d'aluminium ou d'alliages d'aluminium. Une vue en coupe de l'anode 20 montrerait une configuration sensiblement identique. Dans le cas de l'anode, 35 la mince pellicule peut être formée de cuivre ou d'un alliage de cuivre. De nombreux autres métaux peuvent convenir, y compris du nickel, du chrome, du fer, du titane, du tungstène, de l'aluminium et de l'or. On a trouvé qu'en utilisant des électrodes 5 comportant une enveloppe ayant un coefficient de dilatation thermique qui correspond étroitement à celui du corps 12 du laser, les contraintes exercées sur les joints qui fixent les électrodes au corps du laser sont notablement réduites et, par conséquent, les performances 10 et la durée de vie du laser sont améliorées. Il est en outre apparu que de minces pellicules métalliques convenables ne possèdent pas une masse suffisante pour imposer des contraintes importantes au joint; par conséquent, tant que la couche métallique est suffisamment 15 épaisse pour rendre l'électrode uniformément conductrice, la performance de l'électrode convient tout à fait et équivaut à celle d'une électrode entièrement en métal ou en alliage de métal. Le joint 32 est avantageusement formé dans 20 un procédé de liaison assisté par champ, tel que le procédé connu sous le nom de procédé "Mallory". Dans un tel procédé, l'électrode enverre et le corps du laser sont portés à une température de 300 à 400 C, tandis qu'une différence de potentiel est appliquée entre l'élec25 trode et le corps du laser. Lorsque l'ensemble est chauffé, sa conductivité électrique croît, permettant à un courant électrique de passer à travers l'interface électrode-corps du laser. Le courant provoque une diffusion du métal de la mince pellicule dans le verre. Il en 30 résulte la formation d'une liaison permanente et solide qui est insensible à certains modes de détérioration caractérisant les liaisons classiques verre-sur-métal et comprenant, par exemple, ceux résultant de la température de fusion de l'indium. Les caractéristiques thermiques étroitement raccordées du corps 12 du laser, de l'anode 20 et de la cathode 22 permettent l'utilisation de procédés de liaison assistés par champ. De tels procédés donnent 5 des liaisons d'une solidité notablement accrue (plusieurs milliers de kPa contrairement à la solidité du joint d'indium qui est de quelques centaines de kPa). Comme mentionné précédemment, la solidité même de cette liaison permet la transmission de contraintes thermiques destruc10 trices entre un corps de laser et une électrode thermiquement différente. Lorsque le corps de laser et l'électrode étroitement accordés sont reliés par un procédé de liaison assisté par champ, l'assemblage résultant, dans 15 le cas d'un gyroscope à laser à anneau, peut faire l'objet de procédés de fabrication hautement avantageux qu'améliorent notablement la qualité et les performances de l'instrument résultant. L'élimination des contraintes dues aux différences de dilatation thermique et au point 20 de fusion relativement bas du joint d'indium permet de cuire l'assemblage (y compris les électrodes qui lui sont soudées) dans un milieu à basse pression, à une température supérieure d'environ 100 C au point de fusion de l'indium (dans le cas d'un gyroscope à 25 laser à anneau, la cuisson de l'instrument sur le support d'enfournement serait donc limitée, par les miroirs de l'assemblage, à environ 250 C, alors que le point de fusion de l'indium est d'environ 150 C). Une conséquence hautement souhaitable de 30 la température de cuisson plus élevée est son effet sur le milieu sous vide. Une élévation de 100 C de la température de cuisson élève les pressions de vapeur de la matière de plus de deux décades, ce qui est un accroissement d'un facteur supérieur à 100. Etant donné 35 que le nettoyage de l'assemblage dépend de la différence entre la pression de vapeur et celle de l'environnement ambiant, il en résulte qu'il faut un temps de pompage 100 fois plus court pour atteindre un niveau donné de propreté. En conséquence, la fabrication d'un laser 5 conformément à l'invention est moins coûteuse et la qualité des performances et la durée de vie utile de ce laser sont accrues. Il apparaît donc que l'invention propose un procédé et un appareil perfectionnés pour la fabrica10 tion d'un laser. En utilisant les enseignements de l'invention, on peut produire un appareil à laser de longévité accrue, pouvant être utilisé dans des milieux thermiques qui, autrement, dégraderaient notablement les performances possibles. En outre, en utilisant les enseigne15 ments de l'invention, on peut utiliser avantageusement des processus de liaison qui ne sont pas applicables à l'art antérieur pour obtenir les résultats indiqués précédemment. Ces processus de liaison donnent, conjointe20 ment avec la configuration des électrodes du laser, un ensemble à laser de qualité accrue, à un coût de fabrication abaissé. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au laser décrit et représenté 25 sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Laser du type comprenant un corps diélectrique (12) en une matière ayant une caractéristique de dilatation thermique préalablement choisie, et au moins une électrode (20 ou 22) fixée à ce corps, caractérisé en ce que ladite électrode est constituée d'une matière diélectrique (28) préalablement choisie ayant une caractéristique de dilatation thermique qui correspond étroitement à celle du corps, et en ce que ladite 10 électrode est liée, sous assistance d'un champ, au corps diélectrique. 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode comprend en outre un revêtement métallique (30). 3. Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'électrode présente une forme sensiblement hémisphérique et creuse à l'intérieur de laquelle le revêtement métallique est situé. 4. Laser selon la revendication 3, carac20 térisé en ce que ladite électrode est une cathode (22). 5. Laser selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite électrode comprend en outre au moins une anode (20). 6. Procédé de fabrication d'un gyroscope 25 à laser à anneau comprenant les étapes qui consistent à préparer un corps de laser en une matière à caractéristique thermique préalablement choisie, et à fixer au moins une électrode. à ce corps, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à fabriquer l'électrode, 30 en partie, en une matière diélectrique préalablement choisie ayant une caractéristique de dilatation thermique qui correspond étroitement à celle du corps, puis à lier, sous assistance d'un champ, ladite électrode au corps, et à cuire ensuite le corps, sur lequel l'élec35 trode est fixée, à une température supérieure à 156 C. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à revêtir l'électrode d'un métal. 8. Gyroscope à laser à anneau produit par le procédé de la revendication 7.