Brevet FR2620238A1 — publié le 19890310

ELEXENT DE FERXETURE POUR SYSTEME OPTIQUE A LASER La présente invention se rapporte à un élément de fermeture pour système optique à laser comportant une monture métallique annulaire pouvant être incorporée dans un boîtier de résonateur, constituée par 'une matière thermiquement adaptée au comportement de l'élément de fermeture, avec formation d'une liaison avec une matière de soudure du verre frittée entre l'élément de fermeture et la monture métallique. On connaît un élément de fermeture de ce type par l'EP-OS 167.672. Pour la monture métallique annulaire, on prévoit une bride à profil sinueux en section droite; avec une fixation par une matière de soudure du verre de l'élément de fermeture du boîtier du résonateur, donc en particulier d'un corps de fenêtre ou de miroir de dimensions axiales telles qu'il dépasse en hauteur de la bride sur les deux faces et peut donc subir encore un usinage de surface mécanique après la soudure. Devant cette situation, l'invention a pour objet d'indiquer un élément de fermeture pour système optique à laser du type précité qui permette la Jonction étanche au vide nécessaire avec une fabrication peu complexe et en utilisant des matériaux plus facilement disponibles et plus faciles à usiner pour la monture métallique que dans le cas de la solution du type indiqué. Pour atteindre cet objectif, selon l'invention, l'élément de fermeture a en section droite une conformation bombée sensiblement en forme de calotte et est relié à l'ouverture annulaire de la monture métallique avec interposition d'un anneau fritté de matière de soudure du verre. Cette solution repose sur le fait surprenant qu'un élément de fermeture bombé en forme de calotte peut recevoir des contraintes thermiques considérables telles qu'il s'en présente lors du refroidissement de la soudure, même après la trempe, sans qu'il en résulte un amoindrissement gênant des propriétés d'optique géométrique sur l'élément de fermeture déjà définitivement profilé. Cela permet alors d'utiliser une matière relativement facile à souder avec une matière courante pour le boîtier du résonateur, pour la monture métallique, comme en particulier un alliage fer-nickel, malgré des différences considérables du coefficient de dilatation thermique par rapport à la matière semi-conductrice de l'élément de fermeture. Lorsque l'élément de fermeture doit avoir un effet de lentille d'optique géométrique, on peut y parvenir également par une courbure différente de la surface intérieure et de la surface extérieure de l'élément de fermeture en forme de calotte, donc avant l'insertion dans la monture métallique et par suite, au cours d'un stade de fabrication de manipulation et d'usinage faciles de l'élément de fermeture. Si par contre l'élément de fermeture doit être réalisé de façon à être optiquement neutre, donc sous la forme d'une fenêtre plane ou d'un miroir plan (semi- transparent), il faut couler ou usiner la zone centrale de l'élément de fermeture par ailleurs bombé en calotte avec des surfaces intérieures et extérieures parallèles. D'autres caractéristiques, variantes et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre d'un exemple de réalisation représenté sur le dessin annexé, schématiquement et pas exactement à l'échelle dont la figure unique représente en coupe axiale longitudinale avec arrachement un élément de fermeture de système optique à laser conformé et monté selon l'invention, selon une représentation de principe à l'échelle. Le boîtier 11 d'un résonateur laser 12 comporte au moins une ouverture 13 pour la sortie d'un faisceau laser 14, qui peut être fermée hermétiquement avec étanchéité au vide par un élement de fermeture pour système optique laser 15. L'élément de fermeture 15 est, dans le cas d'un résonateur laser 12 à $ fonctionnement stable, un miroir partiellement transparent, et dans le cas d'un résonateur laser 12 à foyer commun instable, une fenêtre à faces planes et parallèles après un miroir de sortie convexe sur le traJet du faisceau. Pour obtenir une représentation valable de façon générale, l'élément de fermeture 15 est représenté schématiquement sur le dessin sous la forme d'une lentille convergente bombée en forme de calotte; pour le cas de la réalisation sous la forme d'une fenêtre neutre du point de vue de l'optique géométrique, cet élément de fermeture 15 en forme de calotte présenterait des surfaces intérieure et extérieure sensiblement parallèles dont les courbures se raccorderaient dans la zone centrale 16 avec une zone à faces planes et parallèles (non représentée sur le dessin). L'élément de fermeture 15 est constitué par une matière qui est particulièrement conductrice pour le rayonnement laser de la gamme de fréquences interessante (recouverte, s'il le faut, corrélativement d'une couche produisant l'effet d'un miroir semi- transparent), comme par exemple du germanium cristallin dans le domaine spectral de l'infrarouge proche du faisceau laser 14. La fermeture hermétique de la cavité intérieure 17 remplie de gaz du résonateur par l'élément de fermeture ou de sortie 15 pour système optique laser est effectuée au moyen d'une monture métallique annulaire 18 qui est elle-même reliée hermétiquement au boîtier 11 du résonateur, par exemple en étant soudée suivant un cordon 19. Entre la périphérie 20 de l'élément de fermeture 15 bombé en forme de calotte et la surface de paroi intérieure voisine de la monture métallique 18, il reste d'abord un intervalle libre radial 21, lorsque l'élément de fermeture 15 est centré coniquement sur son siège tronconique 22 dans la monture métallique 18. On introduit dans l'intervalle annulaire 21 un anneau fritté 23 en poudre pour soudure du verre (comme on en trouve couramment dans le commerce, par exemple sous la forme de borosilicate chez la société Schott Glaswerke), puis on le fait fondre, de sorte que l'anneau de matière de soudure du verre 23 se Joint hermétiquement d'une part a la périphérie 20 de l'élément de fermeture 15, et d'autre part, à la surface périphérique intérieure voisine de la monture métallique 18. Du fait que l'anneau de matière de soudure frittée 23 peut être inséré sans problème avec une épaisseur de paroi constante et en étant ajuste étroitement, compte tenu des dimensions de l'intervalle annulaire 21, on peut garantir d'emblée, avec cette Jonction entre la monture métallique 28 et l'élément de fermeture 15, une épaisseur de couche de soudure uniforme, même dans le cas de la fabrication en série. Pour garantir la fermeture hermétique du boîtier 11 du résonateur sur un intervalle de température de fonctionnement étendu, la matière semiconductrice cristalline de l'élément de fermeture 15 doit présenter une bonne concordance du coefficient de dilatation thermique avec la matière de la monture métallique 18 sur l'intervalle de température étendu nécessaire. Des métaux comme le tungstène ou le molybdène représentent, en ce qui concerne ces conditions, un matériau particulièrement approprié, en soi, pour la monture métallique 18. Ces matériaux ne sont en fait pas particulièrement bien appropriés pour la fabrication en série, du fait qu'ils sont peu maniables, en particulier difficiles à souder avec d'autres composants (boîtier 11). Un particulièrement bon compromis entre les exigences de courbe de température et des conditions de fabrication s'est avéré représenté pour le choix de la matière de la monture métallique 18, au lieu de cela, par un alliage fer-nickel disponible de façon générale, tel que celui commercialisé par exemple sous la dénomination "Vacon " par la société Vakuumschmelze. On peut souder cette matière sans problèmes avec un acier machine courant pour la fabrication des boîtiers de résonateur, comme on l'a représenté schématiquement sur le dessin par le cordon de soudure périphérique 19. L'alliage fer-nickel ne présente certes pas forcément- une concordance particulièrement bonne du coefficient de dilatation thermique avec la matière semi-conductrice de l'élément de fermeture 15; c'est pourqoi il ne s'avère par exemple pas possible de Joindre avec interposition de l'anneau de matière de soudure 23 une plaque de cristal de fermeture plane à la monture métallique 18, du fait qu'une telle Jonction perd son étanchéité en refroidissant de la température de soudure à la température ambiante et peut même casser la plaque cristalline. Cependant, il s'est avéré que les tensions apparaissant en raison de la concordance encore insuffisante des coefficients de dilatation thermique, sont de façon surprenante supportées sans problèmes par l'élément de fermeture en forme de calotte 15 lui-même, et cela en conservant les propriétés d'optique géométrique de l'élément de fermeture 15 élaborées avant la soudure. L'explication pourrait en résider dans le fait que la courbure en calotte, en tous cas de la zone intermédiaire entre la périphérie 20 de l'élément de fermeture et sa zone centrale 16, subit sur une surface des déformations qui sont largement compensées par des déformations sur la surface opposée du point de vue de l'optique géométrique, de sorte qu'après le refroidissement, il n'y a pratiquement plus de défauts optiques. On obtient ainsi avec une Jonction par soudure propre, ne coulant pas, d'une façon convenant pour la production en série, et avec des matériaux dont la mise en oeuvre n'est pas critique, une Jonction hermétique entre l'élément de fermeture pour système optique laser et la monture métallique 18 pouvant être soudée dans le boîtier l du résonateur. Pour n'avoir pas à produire une monture métallique 18 de trop grande longueur axiale, mais aussi, d'autre part, protéger mécaniquement la partie faisant saillie par son bombement de l'élément de fermeture 15, on peut prévoir, selon la représentation du dessin, de visser dans la monture métallique 18, une fois l'élément de fermeture 15 soudé, à l'opposé de son siège 22, un anneau d'appui 24 faisant saillie tubulairement, qui assure en plus le contact axial de la périphérie 20 de l'élément de fermeture avec le siège conique 22. REVENDICATIONS 1. Elément de fermeture (15) pour système optique laser comportant une monture métallique annulaire (18) pouvant être insérée dans un boîtier (11) de résonateur, constitué par une matière bien adaptée thermiquement au comportement de l'élément de fermeture (15), avec formation d'une liaison avec une matière de soudure du verre frittée entre l'élément de fermeture (15) et la monture métallique (18), caractérisé en ce que l'élément de fermeture (15) a en section droite une conformation bombée sensiblement en forme de calotte et est relié à l'ouverture annulaire de la monture métallique (18) avec interposition d'un anneau.fritté de matière de soudure du verre (23). 2. Elément de fermeture selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa zone centrale (16) présente des surfaces planes et parallèles. 3. Elément de fermeture selon la revendication 1, caractérise en ce que sa zone centrale (16) présente des surfaces bombées en un corps de lentille. 4. Elément de fermeture selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est en contact axialement à l'avant avec un siège tronconique (22) situé sur la surface périphérique intérieure de la monture métallique (18). 5. Elément de fermeture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est encastré dans la monture métallique (18) axialement entre un siège dans la monture métallique (18). 6. Elément de fermeture selon la revendication , caractérisé en ce que sa bombure antérieure dirigée vers l'extérieur du boîtier (11) du résonateur est située à l'intérieur de la longueur axiale de l'anneau d'appui (24).