Brevet FR2634599A1 — publié le 19900126

La présente invention a pour objet un dispositif d'alimentation pour lasers à gaz, et notamment pour lasers à vapeurs métalliques. Oi sait que l'effet laser est obtenu dans différents gaz par excitation au moyen d'impulsions électriques brèves et intensité élevée, de l'ordre de quelques centaines à quelques kiloampères pendant une durée de l'ordre de la centaine de nanosecondes ou moins. 7e résultat est toutefois subordonné à la préionisation convenable du gaz. L'-ffet laser est en particulier difficile à obtenir dès que la taille du volume de décharge devient importante, le temps de formation du plasma étant alors plus long que la durée de l'impulsion d'excitation. Même pour les lasers à gaz fonctionnant à une cadence de répétition élevée (de l'ordre du kiloherz pour les lasers à vapeurs métalliques) la préionisation résiduelle laissée par la décharge qui précède fl'est pas suffisante pour obtenir des impulsions d'encitation suffisamment courtes. Ea particulier dans les systèmes lasers de puissance moyenne élevée, la cadence de répétition maximale est limitée par les effets thermiques et par les phénomènes de désexcitation du milieu laser après les impulsions successives. Par ailleurs, dans le cas des lasers à vapeurs métalliques, pour diminuer la vitesse de migration de la vapeur métallique vers les parties froides , il y a intérêt à accroître la pression du gaz tampon, généralement mis en oeuvre, ce qui a pour effet de ralentir davantage la montée de l'impulsion d'excitation. k nsi avec les systèmes d'excitation habituellement utilisés, on observe que le rendement laser diminue lorsque la taille du système s'accroît. ri l'on tient compte de ce que le laser à cuivre est un candidat potentiel pour la séparation isotopique par laser à échelle industrielle, on comprend l'importance du rendement de ce type de laser. U dispositif d'excitation habituellement utilisé pour les lasers à vapeurs métalliques comprend : 1) un circuit de charge résonante ayant pour fonction de ,stocker à la cadence de répétition souhaitée, dans un condensateur de stockage, l'énergie nécessaire pour alimenter le tube laser à partir d'un générateur de tension continue. 2) un circuit de transfert destiné à répartir l'énergie stockée de manière qu'une partie de cette énergie serve à la préionisation du milieu, I 'autre partie étant stockée dans un condensateur dit "de peakingfl. 3) un circuit d'excitation ayant pour fonction d'assurer la décharge de l'énergie restante dans le tube à plasma une fois la phase de préionisation achevée. L'optimisation du rendement laser avec un tel dispositif d'excitation se heurte à un certain nombre de difficultés dues en partie au temps de montée trop long de l'impulsion et en partie au fait que lorsque l'impulsion de préionisation est trop élevée, la population du niveau laser inférieur résultant de cette préionisation est trop élevée pour permettre l'émission du laser. En effet, pour optimiser le rendement laser, il faudrait pouvoir transférer toute l'énergie stockée vers le condensateur de peaking sous une tension qui permettrait d'appliquer au tube à plasma un champ électrique optimal situé entre 100 et ' Q0 V/cm. La mise en conduction du tube à plasma ne prélèverait qu'une très faible partie de l'énergie. Ensuite, après la phase de transfert, l'énergie du condensateur de peakin devrait etre injectée dans le tube à plasma avec une grande efficacité (adaptation de l'impédance du circuit d'excltatior., à l'impédance représentée par la colonne de plasma. Lorsque ltémission laser cesse, toute l'énergie électrique stockée devrait être consommée. Si ces conditions peuvent être réalisées avec des tubes à plasma de petites dimensions (par exemple e 20 x 260 mm), il n'en va pas de même avec des tubes à plasma de grandes dimensions. D effet, la mise en conduction du tube étant plus longue, on ne maîtrise plus le rapport entre l'énergie utilisée pour préioniser le tube et celle qui est contenue dans l'impulsion d'excitation, rapport qui dépend en outre de la cadence de répétition du laser et de la pression du gaz tampon utilisé dans le tube. Lorsque ce rapport devient trop défavorable, le niveau métastable peut atteindre un taux de population qui rend difficile ou impossible l'émission du laser lorsque l'impulsion d'excitation est appliquée au -tube. Le dispositif décrit et revendiqué dans le brevet français g.579.382 resout partiellement ces difficultés en proposant un montage à double impulsion dans lequel l'impulsion de préionisation est fournie par un condensateur autre que celui qui fournit l'énergie d'excitation. Toutefois ce montage présente l'inconvénient essentiel de mettre en oeuvre un transformateur saturé, si bien qu'une impulsion de courant importante circule dans le tube'pendant la phase de mise en conduction. Il n'y a de ce fait aucune possibilité de contrôler la fraction d'énergie stockée qui sert à la préionisation du gaz, en sorte qu'on ne peut pas optimiser le laser lorsque sa cadence de répétition varie. Dans le cas le plus défavorable, il n'y a plus d'émission laser lorsque le condensateur d'excitation se décharge dans le tube à plasma, car l'énergie de préionisation injectée dans le tube pendant la période où 'le transformateur est saturé peuple de façon excessive le niveau laser inférieur. La présente invention a pour but de rémédier à ces inconvénients des dispositifs connus en proposant un dispositif ,d'excitation pour lasers à gaz qui permet de maîtriser la fraction d'énergie transférée dans le tube à plasma pour créer l'impulsion de préi-onisation. ija présente invention a ainsi pour objet un dispositif d'alimentation pour lasers à gaz pulsés répétitifs qui présente la particularité de comporter dans son circuit de transfert une self inductance ajustable associée à un transformateur élévateur de tension qui fonctionne exclusivement dans sa partie linéaire. Le dispositif selon l'invention comporte un circuit de charge résonante comprenant une self-inductance et une diode de blocage et destiné à charger un condensateur de stockage à partir d'un générateur de courant continu. Ce circuit de charge résonante est suivi d'un circuit de transfert permettant le transfert de l'énergie stockée dans le condensateur de stockage, d'une part vers le tube laser aux fins de réaliser sa mise en conduction par la préionisation du gaz qu'il contient, et d'autre part vers un condensateur d'excitation destiné à fournir au tube laser l'impulsion d'excitation qui provoquera l'émission laser. Conformément à l'invention, ce circuit de transfert comporte en association une self-inductance ajustable et un transformateur élévateur de tension fonctionnant exclusivement dans sa partie linéaire Selon un premier mode de réalisation du dispositif selon {'invention, le circuit de transfert comporte une self-inductance ajustable placée aux bornes du tube laser et montée en série avec l'enroulement primaire du transformateur, une seconde self inductance étant placée dans l'enroulement secondaire du transformateur et montée en série avec le condensateur d'excitation, lui-meme relié aux bornes du tube laser par l'intermédiaire d'un interrupteur auxiliaire rapide. Selon un second mode dé réalisation du dispositif selon l'invention, le circuit de transfert comporte une impédance placée aux bornes du tube laser et montée en série avec l'enroulement primaire du transformateur, une self-inductance ajustable étant placée dans l'enroulement secondaire du transformateur et montée en série avec le condensateur d'excitation, lui-meme relié aux bornes du tube laser par l'intermédiaire d'un interrupteur auxiliaire rapide. Selon une variante de ce second mode de réalisation du dispositif selon l'invention, applicable aux lasers à gaz à excitation transverse (type excimère), la préionisation est assurée par une électrode auxiliaire reliée à l'enroulement primaire du transformateur, 1 'impé5ance étant montée entre cette électrode auxiliaire et l'une des électrodes du tube laser. Dans tous les cas, il est indispensable que le transformateur fonctionne exclusivement dans sa partie linéaire, de façon que l'énergie stockée dans le condensateur de stockage puisse être transférée de manière contrôlée, par l'intermédiaire de la self-inductance aus tabffie, d'une part dans le condensateur d'excitation et d'autre part dans le tube laser. La plus grande partie de l'énergie stockée -de l'ordre de 75",- est transférée sur le condensateur d'excitation, tandis qu'une petite partie -de l'ordre de 25%- est transférée sur le tube laser. Ce transfert de l'énergie stocée peut être contrôlé avec précision par un ajustement de la self-inductance ajustable dont la valeur détermine le rapport existant entre l'impédance caractéristique du circuit de transfert et l'impédance moyenne du tube pendant la phase de préionisation, et par voie de conséquence la fraction de l'énergie transférée sur le tube laser. Ainsi, en ajustant la valeur de cette self-inductance, on peut obtenir un rapport optimum de transfert de énergie stockée pour un rendement laser également optimum eu égard au régime de tsfsonctionnement choisi, et en particulier à la cadence de répétition souhaitée. En effet, le courant transféré dans le tube à travers les éléments linéaires amène ce dernier à un niveau d'impédance où il peut absorber l'impulsion électrique brève et d'intensité très élevée fournie par le condensateur d'excitation, et ce tout en ne peuplant que faiblement le niveau laser inférieur, ce qui est une condition indispensable à son bon fonctionnement. Ce transfert de courant s'opère, conformément à l'invention, au travers du transformateur fonctionnant exclusivement dans sa partie linéaire, par l'intermédiaire d'un interrupteur auxiliaire rapide. Le transformateur mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention est, ainsi qu'il a été dit, un transformateur élévateur de tension fonctionnant exclusivement dans sa partie linéaire, c'est-à-dire un transformateur dont l'induction magnétiqùe du noyau est directement proportionnelle au champ magnétique appliqué. Le noyau d'un tel transformateur peut être avantageusement constitué d'une ferrite. L'interrupteur déclenchable séparant le circuit de charge résonante du circuit de transfert est avantageusement constitué. d'un thyratron à hydrogène fonctionnant dans les conditions radars (108), ou encore d'un ou plusieurs semi-conducteur. L'interrupteur auxiliaire rapide séparant le condensateur d'excitation du tube laser est avantageusement un interrupteur à dI/dt élevé (de l'ordre de lOll A/s). Il peut être constitué par exemple d'un interrupteur magnétique ou d'un interrupteur à pseudo-decharge de types connus. La self-inductance ajustable mise en oeuvre est ajustée en fonction des paramètres géométriques du tube laser et de la fraction d'énergie stockée à transférer sur le condensateur d'excitation. Outre les avantages déjà exposés, le dispositif selon l'invention présente également celui de ne pas nécessiter de circuit extérieur de remise à zéro pour le noyau du transformateur du fait que ce dernier n'est jamais saturé, car fonctionnant exclusivement dans sa partie linéaire. Il ne nécessite également pas de circuit de remise à zéro pour le ou les interrupteurs magnétiques mis en oeuvre dans le .circuit d'excitation, sauf dans le ca's où la préionisation du tube laser est assurée par une électrode auxiliaire. Dans les autres cas, en effet, la préionisation du gaz s accompagne d'un saut de tension aux bornes du tube, ce qui a pour effet que l'interrupteur magnétique est traversé par un courant qui le remet à zéro. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit et qui se réfère au dessin annexe, étant bien entendu que cette description ne présente aucun caractère limitatif vis-à-vis de l'invention qui fait l'objet de la présente demande. Dans le dessin annex : - la figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention - la figure 2 est une représentation schématique d'un second mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention - la figure 3 est une représentation schématique d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, applicable à un laser à gaz à excitation transveise. Si on se réfère d'abord a la figure 1, on voit que le dispositif comprend un circuit de charge résonante constitué d'un générateur de courant continu G relié à une self-inductance 1 suivie d'une diode de blocage 2 et d'un condensateur de stockage 4. Ce circuit de charge est relié par l'intermédiaire d'un interrupteur déclenchable constitué d'un thyratron 3 au circuit de transfert, lequel comprend un transformateur 5 dont l'enroulement primaire est monté en série avec le condensateur de stockage 4 et relié à une self-inductance ajustable 7 placée aux bornes du tube laser 6 et par ailleurs reliée à la masse. Une self-inductance 8 placée dans l'enroulement secondaire du transformateur 5 est reliée à un condensateur d'excitation 9 par ailleurs reli-é aux bornes du tube laser 6 par l'intermédiaire d'un interrupteur magnétique 10. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant pendant la période où le thyratron 3 n'est pas déclenché, c'est-àdire pendant l'intervalle de temps séparant les impulsions sur sa grille, le condensateur de stockage 4 est chargé par le générateur de courant G, le retour à la masse se faisant par la self ajustable 7. Lors d'une impulsion sur la grille du thyratron 3, celuici se ferme provoquant la décharge du condensateur de stockage 4 à travers l'enroulement primaire du transformateur 5 et la self inductance ajustable 7. Cette dernière, avec la self-inductance 8 placée dans l'enroulement secondaire du transformateur 5, détermine la fraction de l'énergie transférée sur le condensateur d'excitation 9 sous la tension nécessaire compatible avec le maximum de rendement laser. L'autre fraction de énergie est transférée sur le tube laser, provoquant la préionisation du gaz qu'il contient.Lorsque la tension aux bornes du condensateur d'excitation 9 a atteint sa-valeur maximum et que celle aux bornes du tube 6 est suffisamment faible, c'est-à-dire à la fin de l'étape de préionisation, un courant commence à traverser l'interrupteur magnétique 10, saturant progressivement son noyau. Lorsque son noyau est saturé, l'interrupteur magnétique 10 est fermé, ce qui signifie que son inductance est très inférieure à celle du tube laser 6. Le condensateur 9 se décharge alors brutalement dans le tube laser, provoquant l'impulsion d'excitation et l'émission du rayon laser. Si on se réfère à la figure 2, on voit le générateur G relié par une de ses bornes à la self-inductance 1, en série avec -la diode de blocage 2, laquelle est reliée par ailleurs au condensateur de stockage 4, l'ensemble constituant le circuit de charge résonante. Le condensateur 4 est par ailleurs relié au primaire d'un transformateur 5 relié par son autre borne d'une part à une des bornes du tube laser 6 et d'autre part à une impédance 8 montée en parallèle avec le tube 6, et par ailleurs reliée à une masse commune, de même que la seconde borne du tube 6, et lune des bornes d'un thyratron 3 monté entre la seconde borne du générateur G et la borne du condensateur 4 reliant ce dernier à la diode 2. Le secondaire du transformateur 5 est relié à une self ajustable 7 montée en série avec un condensateur d'excitation 9 lui-même relié aux bornes du tube 6 par l'intermédiaire d'un interrupteur magnétique 10. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant : en l'absence d'impulsions sur la grille du thyratron 3, le générateur de courant G charge le condensateur de stockage 4, le retour à la masse se faisant par l'impédance parallèle 8. Lorsqu'une impulsion arrive'suer sa grille, le thyratron 3 se ferme, ce qui provoque la décharge du condensateur 4 en partie vers le condensateur d.'excitation 9, à travers la self ajustable 8, et en partie vers le tube laser 6, qui est de ce fait mis en conduction par la préionisation du gaz qu'il contient.Lorsque la tension aux bornes du condensateur d'excitation 9 est à son maximum et celle aux bornes du tube 6 suffisamment faible, c'est-à-dire à la fin de la décharge de préionisatio, un courant commence à traverser l'interrupteur magnétique 10, saturant progressivement son noyau. Lorsque cette saturation est achevée, l'interrupteur magnétique 10 est fermé, ce qui signifie que son inductance est très inférieure à celle du tube laser 6. Le condensateur 9 se décharge alors brutalement dans le tube laser 6 provoquant l'impulsion d'excitation et l'émission du rayon laser. Si on se réfère maintenant à la figure 3, représentant un dispositif applicable à un laser à gaz à excitation transverse, on retrouve les mêmes éléments que dans la figure 2, à ceci près que le tube laser 6 est pourvu d'une électrode auxiliaire Il reliée au primaire du transformateur 5 et à l'impédance 8. Dans ce cas, l'électrode auxiliaire ll sert à la préionisation du tube 6, la self ajustable 7 déterminant la fraction d'énergie transférée du condensateur de stockage 4 sur le condensateur d'excitation 9 et celle transférée sur le tube laser à travers 1 électrode auxiliaire ll et l'une des deux autres électrodes du tube 6. L'interrupteur magnétique lQ doit dans ce cas être doublé d'un circuit externe de remise à zro Ainsi qu'il a déjà été dit, le dispositif selon l'invention présente l'avantage considérable, sur ceux existant à ce jour, de permettre un ajustement précis de la fraction d'énergie servant à préioniser le tube laser, et de celle servant à son excitation proprement dite, cet avantage étant attaché à la mise en oeuvre conjointe, dans le circuit de transfert, d'une self-inductance ajustable et d'un transformateur fonctionnant exclusivement dans sa partie linéaire. Le dispositif selon l'invention permet ainsi, après un réglage convenable de la self-inductance ajustable en fonction des paramètres géométriques du tube laser et de ses paramètres de fonctionnement, notamment de la cadence de répétition souhaitée, d'optimiser au maximum le rendement de l'démission laser, tout en écartant le risque qu'une décharge de préionisation trop importante en bloque le processus. Le dispositif selon l'invention présente en outre L'avantage de permettre la mise en oeuvre de tubes lasers de dimensions sensiblement plus importantes que ceux existant actuellement, autorisant ainsi un accroissement appréciable de la puissance laser. Le dispositif selon l'invention peut de ce fait trouver une application industrielle particulièrement importante dans la séparation isotopique au moyen de lasers à vapeurs métalliques. Bien entendu, la portée de la présente invention ne se limite pas aux dispositifs qui ont été décrits, ces dispositifs pouvant subir un certain nombre de modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIOt;S 1. Dispositif d'alimentation pour lasers à gaz pulsés répétitifs, comprenant un circuit de charge résonante constitué d'un générateur de courant électrique continu G, d'une selfinductance l, d'une diode de blocage 2 et d'un condensateur de stockage 4 , un circuit de transfert de l'énergie stockée séparé du premier par un interrupteur déclenchable 3 et un circuit d'excitation constitué par un condensateur d'excitation 9 relié aux bornes du tube laser 6 par l'intermédiaire d'un interrupteur auxiliaire rapide 10, caractérisé en ce que le circuit de transfert comprend une self-inductance ajustable 7 associée à un transformateur 5 élévateur de tension fonctionnant exclusivement dans sa partie linéaire, de manière à permettre l'ajustement, en fonction des paramètres de fonctionnement du tube 6, de la petite fraction d'énergie transférée au tube laser 6 pour assurer la préionisation du gaz qu'ii contient et de la fraction importante d'énergie transférée au condensateur d'excitation 9 pour assurer l'excitation ultérieure créatrice de l'émission laser. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la self-inductance ajustable 7 est règlée en fonction de la cadence de répétition souhaitée pour l'émission laser. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la self-inductance ajustable 7 est montée en parallèle avec le tube laser 6 et en série avec l'enroulement primaire du transformateur 5, étant par ailleurs reliée à l'interrupteur déclenchable 3 par une masse commune. 4. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la self-inductance ajustable 7 est placée dans l'enroulement secondaire du transformateur 5 et montée en série avec le tube laser 6, une impédance 8 étant montée en parallèle avec le tube laser 6. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'interrupteur déclenchable 3 séparant le circuit de charge résonante du circuit de transfert est un interrupteur déclenchable à dI/dt faible 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit interrupteur déclenchable est choisi dans le groupe que constituent les thyratrons et les semi-conducteurs. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'interrupteur déclenchable 3 est un thyratron à hydrogène fonctionnant dans les conditions radars. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'interrupteur auxiliaire rapide 10 qui relie le condensateur d'excitation 9 aux bornes du tube laser 6 est un interrupteur déclenchable à dI/dt élevé. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit interrupteur auxiliaire rapide est choisi dans le groupe que constituent les interrupteurs magnétiques et les interrupteurs à pseudo-décharge. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz mis en oeuvre est une vapeur métallique.