Brevet FR2619968A1 — publié le 19890303

PROCEDE DE GENERATION D'UNE VAPEUR METALLIQUE DANS UN LASER A VAPEUR METALLIQUE La présente invention se rapporte à un procédé de génération d'une vapeur métallique dans un laser à vapeur métallique au moyen d'un autre laser. Un laser à vapeur métallique du type antérieur, représenté sur la figure 3, comporte un tube à décharge laser 1 qui renferme, de façon étanche, un gaz tampon comme de l'hélium. A l'intérieur du tube à décharge 1, un morceau de métal 5, à l'état solide, placé dans un réservoir à métal 3, est chauffé, fondu et vaporisé par un élément chauffant 9 d'un réchauffeur 7. On applique une tension suffisamment élevée entre une paire d'électrodes et 17 prévues des deux côtés du réservoir à métal 3 situé dans le tube 1, ce par quoi, il se produit une décharge électrique qui va exciter les atomes métalliques ainsi vaporisés. Les atomes métalliques ainsi excités vont émettre de l'énergie sous forme de lumière ou de photons par un processus d'émission stimulée en chaîne. Un faisceau de photons cohérents ainsi produit est amplifié de façon croissante par réflexion répétitive sur des miroirs concaves 19 et 21 prévus à l'extérieur du tube 1, à ses deux extrémités et se faisant face l'un à l'autre. Un faisceau laser à vapeur métallique va sortir de l'un des miroirs concaves 21. Avec un tel laser de l'art antérieur il se présente les problèmes suivants: a) étant donné que le réservoir à métal, le morceau de métal qui s'y trouve et le réchauffeur ont une capacité calorifique relativement importante, il faut un temps relativement long pour vaporiser le métal en le chauffant. b) Pour la même raison, la réponse est rela- tivement lente lorsqu'il faut modifier la température du morceau de métal pour ajuster la densité de la vapeur métallique. c) Lorsque l'on vaporise un métal dont le point de fusion est supérieur à environ 1300 C et qui est difficile à vaporiser, il se présente le problème de la résistance à la chaleur de certains éléments comme le réservoir à métal et le tube à décharge. Par conséquent, il est difficile de fabriquer des lasers à vapeur métallique dans lesquels on puisse utiliser des métaux de point de fusion élevé comme milieu oscillant. La présente invention a été faite dans un essai de résoudre les problèmes ci-dessus et le but de l'invention est de proposer un procédé de génération d'une vapeur métallique dans un laser à vapeur métallique, qui permette d'obtenir des lasers à vapeur métallique à réponse rapide ainsi que des lasers à vapeur métallique utilisant des métaux d'un point de fusion élevé, comme du fer. Conformément à la présente invention, on atteint le but ci-dessus par le procédé consistant à produire une vapeur métallique qui va agir comme milieu oscillant dans un laser à vapeur Métallique, procédé qui utilise le fait que le chauffage du métal à vaporiser doit être effectué au moyen d'un laser au lieu du réchauffeur électrique utilisé dans l'appareil de l'art antérieur, et procédé dans lequel on utilise la caractéristique du faisceau laser de pouvoir se condenser pour obtenir un chauffage local du métal à vaporiser. La figure 1 est un diagramme schématique repré- sentant un exemple de l'appareil concrétisent le procédé conforme à la présente invention; la figure 2 est un diagramme schématique présentant un autre exemple de l'appareil concrétisant le procédé conforme à la présente invention, dans lequel est prévu un dispositif de balayage; et la figure 3 est un diagramme schématique représentant un générateur de vapeur métallique de l'art antérieur. On va maintenant décrire la présente invention en se reportant aux figures décrites ci-dessus du io dessin joint. L'objet de l'invention n'est toutefois pas limité par le dessin. Sur le dessin, les éléments ou les parties identiques ou équivalents représentés sur différentes figures du dessin sont désignés par les mêmes repères et on ne va pas décrire à nouveau les éléments ou les parties qui ont déjà été décrits en liaison avec l'appareil de l'art antérieur représenté sur la figure 3. La figure 1 représente un exemple de l'appareil concrétisant le procédé conforme à la présente invention. La différence avec l'appareil de l'art antérieur consiste en ce qu'un morceau de métal 5 placé dans un réservoir à métal 3 est chauffé par un faisceau laser émis par un laser, en particulier par un laser haute puissance tel qu'un laser YAG (ferrite grenat d'yttrium-aluminium), un laser au gaz carbonique, un laser au verre, un laser à l'azote, ou un laser excimer au lieu de l'élément chauffant 7 du réchauffeur électrique 9. Le laser haute puissance 25 est placé à une position o il peut diriger un faisceau laser sur le morceau de métal 5 qui se trouve dans le réservoir 3 et un système optique condenseur 27, sous forme d'une lentille convexe, par exemple, est- monté entre eux pour condenser le faisceau laser haute puissance. Le système condenseur 27 est placé de façon à avoir un foyer à un emplacement proche de la surface du morceau de métal 5, de sorte que le faisceau laser émis par le laser haute puissance 25 est concentré, à travers la paroi du tube à décharge du laser à vapeur métallique, en un point situé à la surface du morceau de métal 5. Le morceau de métal 5 chauffe donc immédiatement pour fondre et la vapeur métallique nécessaire est ainsi obtenue. Le matériau du morceau de métal à vaporiser peut être l'un des différents métaux du groupe cuivre, or, manganèse, plomb, calcium, baryum, strontium, fer, nickel, cobalt et titane, ou bien peut être une combinaison de ces métaux. Un trou se forme et croit par suite de la vaporisation au cours de l'opération et par conséquent la surface du métal vient en dehors du foyer. En outre, la chaleur latente de la vapeur peut compro- mettre le rendement. Il faut donc déplacer le système condenseur 27 de façon à déplacer le foyer pour l'amener à une nouvelle position convenable o le métal peut se vaporiser efficacement. Le système condenseur 27 peut se déplacer dans la direction de l'axe optique. En variante, on peut prévoir un dispositif de balayage 29 entre le système condenseur 27 et le réservoir à métal 3 comme représenté sur la figure 2. Dans la seconde réalisation représentée sur la figure 2, on fait tourner un miroir 31 du dispositif de balayage pour déplacer continuellement la position du foyer, de sorte que l'emplacement o se produit la vaporisation du métal change continuellement. On peut régler la densité de la vapeur métallique ainsi produite en modifiant l'inten- sité du faisceau laser ou en interrompant périodi- quement le rayonnement. Si le métal à vaporiser présente un point de fusion plus élevé ou si la vapeur métallique doit avoir une densité plus élevée, il faut appliquer un faisceau laser plus puissant. Des exemples du dispositif de balayage 29 incluent un scanneur galvanométrique comprenant un miroir mobile pour le balayage, représenté sur la figure 2, un scanneur à miroir polygonal comprenant un miroir polygonal pour le balayage et un déflecteur supersonique comprenant pour le balayage un déflecteur acousto-optique. On applique alors une tension élevée entre les électrodes 15 et 17 situées dans le tube à décharge du laser à vapeur métallique 1 dans lequel est enfermé un gaz tampon tel que de l'hélium, du néon, de l'argon, du kryption ou xénon. La décharge est mise en route par la tension élevée et va exciter les atomes métalliques qui se trouvent dans le tube, ce qui fait que l'on obtient aux deux extrémités du tube un faisceau laser à vapeur métallique (par exemple cuivre). L'intensité du faisceau laser à vapeur métallique s'amplifie par réflexion répétitive sur les miroirs concaves 19 et 21 et une partie du faisceau laser ainsi amplifié va passer à travers l'un des miroirs 21. Si l'opération d'amplification au moyen des miroirs concaves 19 et 21 n'est pas nécessaire, les miroirs 19 et 21 ne sont pas prévus et on peut immédiatement utiliser le faisceau laser sortant des deux extrémités du tube à décharge du laser à vapeur métallique 1. Le procédé de génération d'une vapeur métallique conforme à la présente invention peut apporter des améliorations dans le fonctionnement des lasers à vapeur métallique en ce sens qu'il faut peu de temps pour activer un laser à vapeur métallique confor- mément au procédé de l'invention et que, si l'on applique ce procédé, on peut raccourcir le temps de réponse nécessaire pour ajuster la densité de la vapeur métallique. En outre, l'invention. permet de fabriquer des lasers à vapeur métallique utilisant, comme milieu oscillant, des métaux à point de fusion élevé comme le fer, le nickel, le titane et le cobalt. L'invention apporte donc une possibilité d'élargir la plage de longueurs d'onde sur laquelle les lasers peuvent opérer. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé de génération de la vapeur métallique nécessaire, comme milieu oscillant, pour un laser à vapeur métallique, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape consistant à exposer une région localisée d'un morceau de métal (5) placé, à l'état solide, dans un réservoir à métal (3) situé à l'intérieur d'un tube à décharge d'un laser à vapeur métallique (1), au rayonnement, de l'extérieur, à travers la paroi du tube à décharge, d'un faisceau laser condensé, ce par quoi la région exposée du morceau de métal (5) est chauffée,fond et se vaporise. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on ajuste la densité de la vapeur métallique en modifiant l'intensité du faisceau laser rayonné ou en exposant par intermittence le morceau de métal (5) au rayonnement. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on concentre le faisceau laser rayonné en un point de la surface du morceau de métal (5). 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on peut déplacer le système optique condenseur pour modifier la position du foyer et l'amener à un nouvel emplacement sur la surface du morceau du métal (5) o peut se produire la vaporisation de la vapeur métallique. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on amplifie le faisceau laser rayonné lorsqu'il faut l'appliquer sur un métal de point de fusion élevé à vaporiser ou lorsqu'il faut obtenir une densité de vapeur métallique élevée. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 - 5, caractérisé en ce que le faisceau laser rayonné est un faisceau laser haute puissance.