Brevet FR2642910A1 — publié le 19900810

LASER MUNI D'UN DISPOSITIF DE FIXATION PERFECTIONNE DE SON MILIEU ACTIF ET DISPOSITIF DE FIXATION DESTINE A EQUIPER LE LASER L'invention concerne les lasers, notamment les lasers à pompage optique utilisant comme milieu actif, des barreaux dits barreaux "SLAB" selon la désignation anglo-saxonne, et plus particulièrement un dispositif de fixation de ces barreaux dans les lasers. On connaît déjà du brevet US 4,378,601 un laser à pompage cptique ayant un dispositif de fixation d'un barreau "SLAB". Ce laser comprend essentiellement un boîtier destiné à recevoir le barreau et- dans lequel circule un fluide de refroidissement. En zutre, le laser comprend une source lumineuse disposée de part et d'autre du barreau afin de réaliser un pompage optique dans le milieu actif. Le barreau est monté dans un dispositif de fixation qui peut être introduit dans le boitier ou en être retiré. Ce dispositif de fixation comprend, d'une part, des premiers organes de support longitudinaux ayant une section en forme de U, et qui sont munis d'oreilles à leurs extrémités, ces organes envelop- Dant la face supérieure et la face inférieure du barreau et, d'autre nart, des seconds organes de support ayant une configuration complé- mentaire de celles des extrémités du barreau pour pouvoir s'y fixer. Les oreilles des premiers organes de support coopérent avec des fentes ménagées dans les seconds organes de support pour maintenir le barreau dans un cadre rigide destiné à être installé dans un boitier. Ce dispositif de fixation présente l'avantage de pouvoir rigi- dement maintenir le barreau dans le laser sans engendrer de con- traintes mécaniques dans ce dernier. On évite ainsi les risques de variations d'indice de réfraction dans le barreau, ces variations ayant pour effet d'altérer la qualité du faisceau laser. Cependant, ce dispositif fait apparaître un inconvénient. En effet, puisque le barreau baigne totalement dans le fluide de refroidissement, mis à part ses extrémités, les faces latérales du barreau sont refroidies comme ses faces supérieures et inférieures. Par suite, le profil de température suivant un trajet perpendiculai- re aux faces supérieure et inférieure du barreau varie selon que ce 26429 10 :rajet est proche ou éloigné d'une face latérale, et ceci induit des effets de bords diminuant le rendement du laser. Un autre type de dispositif de fixation du barreau dans un iaser, décrit dans le brevet US 4,761,789, tente de remédier à cet inconvénient en isolant les faces latérales du barreau du fluide de refroidissement. Ce laser comprend un barreau placé entre deux lames transparentes, le barreau et les lames étant disposés entre deux plaques de maintien, chacune d'elles comportant une ouverture rectangulaire qui s'étend sensiblement sur la longueur du barreau. Des garnitures d'étanchéité assurent l'étanchéité à la périphérie des ouvertures entre les lames et les plaques de maintien. Sur ces ouvertures sont destinés à s'ajuster, par exemple, des réflecteurs de pompage ayant sensiblement une section en forme de U qui délimi- zent avec les lames un espace de circulation pour un fluide de refroidissement ainsi qu'un logement pour une source d'excitation optique du barreau. Enfin, entre chaque plaque de maintien et le -hâssis extérieur est prévu un cadre d'entretoisement délimitant un second canal de refroidissement, l'ensemble étant serré mécanique- ment pour garantir une bonne fixation du barreau et une bonne te étanchéité. Toutefois, la solution proposée par le document susmentionné n'appcrte pas non plus entière satisfaction. En effet, lors du serrage mécanique de l'ensemble, l'effort de serrage n'est pas contrôlé, si bien qu'il est très difficile d'obtenir un serrage approprié. Si le serrage est trop important, on induit des contraintes mécaniques dans le barreau et il en résulte des variations d'indice de réfraction qui altèrent la qualité du faisceau. Par contre, si le serrage est trop faible, la transmission de la quantité de chaleur à travers les lames, les plaques de maintien, etc... diminue, faisant chuter par là-même le rendement du laser. L'invention a donc pour but principal de remédier aux inconvé- nierts de l'art antérieur susmentionné en fournissant un laser muni d'un dispositif de fixation d'un barreau éliminant l'influence de la force de serrage tout en isolant thermiquement les faces latérales du barreau. A cet effet, la présente invention a pour objet un laser à îompage optique dans lequel le milieu laser est formé par un barreau ayant au moins deux faces opposées entre lesquelles le faisceau laser engendré se propage selon un trajet en zigzag par réflexion totale sur lesdites faces, ledit barreau étant disposé dans un châssis avec lequel il délimite au moins deux cavités opposées dont lesdites faces opposées du barreau forment des portions de paroi, chaque cavité étant en regard des faces de pompage, recevant des moyens d'excitation optique et étant destinée à être parcourue par un fluide de refroidissement, le laser comprenant également un dispositif de fixation du barreau assurant la solidarisation par serrage du barreau par rapport au châssis en s'appuyant sur ledit châssis, d'une part, et l'isolation des faces latérales du barreau, ou fluide de refroidissement, d'autre part. Conformément à l'invention, le dispositif de fixation est réalisé par une garniture er. matière plastique déformable élastique- --ent. Grâce à ce dispositif, on facilite la fixation du barreau dans le laser tout en éliminant l'influence de la force de serrage sur 2C ies caractéristiques du faisceau. Par ailleurs, grâce aux caractéristiques élastiques du disposi- if de fixation, la dilation du barreau peut être aisément absorbée lors d'importantes variations de température. Il en résulte ainsi une absence de contraintes mécaniques dans le barreau si bien que le rendement et la qualité du faisceau sont augmentés. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, la garnitu- re comprend au moins deux longerons appliqués chacun contre une face latérale du barreau et serrés dans le châssis pour assurer l'isola- tion thermique de ces dernières et au moins quatre éléments de garniture associés deux à deux s'étendant transversalement à la direction longitudinale des longerons à proximité de l'extrémité de ces derniers, lesdits éléments de garniture étant interposés et serrés entre lesdites faces opposées et le châssis pour assurer la solidarisation du barreau par rapport au châssis. L'invention a aussi pour objet un dispositif de fixation d'un barreau destiné à équiper un laser à pompage optique comprenant un barreau formant le milieu laser et un châssis. Ce dispositif de fixation est caractérisé en ce qu'il est réalisé par une garniture en matière plastique deformable élastique- -ent. Un tel dispositif de fixation permet donc de faciliter le ,ontage et le démontage du barreau hors du châssis sans pour cela risquer de déteriorer le barreau. Enfin, l'invention a aussi pour objet un élément actif pour un laser à pompage optique comprenant un barreau, et un dispositif de fixation de ce barreau tel que définit plus haut, cet élément actif étant constitué par une cassette faisant partie du châssis. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparai- tront clairement à la lecture de la description qui suit de modes de réalisatior non limitatifs en liaison avec les dessins ci-joints tarmi lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en perspective et en arraché d'un premier mode de réalisation d'un laser selon l'inven- tion, - les figures 2 et 3 montrent respectivement une vue de face partiellement en coupe et une vue de dessus d'un barreau équipé du 2C Dispositif de fixation selon l'invention, et - la figure 4 est une vue schématique en perspective et en arraché d'un premier mode de réalisation d'une garniture destinée à équiper un laser selon l'invention, - la figure 5 est une vue schématique en perspective et en arraché d'un second mode de réalisation d'une garniture destinée à équiper un laser selon l'invention, - la figure 6 montre une vue partielle en coupe d'un second mode de réalisation d'un laser selon l'invention. En se référant aux figures 1 à 3, on voit un laser à pompage optique, désigné généralement par la référence numérique 2, montrant les caractéristiques essentielles de l'invention. Un barreau 4 (appelé "SLAB" dans la terminologie anglo-saxonne) constitue le milieu dans lequel l'effet laser est engendré. Dans le race de réalisation représenté, le barreau 4 présente une section rectangulaire avec deux grandes faces opposées 6a, 6b qui sont, dans ce cas, à la fois les faces de pompage et les faces de réflexion totale pour conférer au faisceau laser cylindrique engendré un trajet en zigzag. Le barreau 4 présente aussi deux faces latérales 8a, 8b et deux faces d'extrémité 10a, lob. Dans l'exemple illustré, les faces d'extrémité sont taillées sur e barreau sensiblement selon l'angle de Brewster a afin de réduire les pertes. Bien.entendu, les faces d'extrémité peuvent être égale- ment droites ou inclinées de 180 - 2a par rapport à l'axe optique du laser. Le barreau 4 est disposé dans un ensemble comprenant essen- tiellement un châssis en deux parties 12a, 12b et un dispositif de fixation du barreau désigné généralement par la référence numérique 4. Les deux parties du châssis s'étendent symétriquement de part et d'autre des faces 6a, 6b du barreau. Dans ce cas, le châssis 12a, 12b comprend é'Eltment deux éléments supplémentaires 12c, 12d formant une cassette da-s laquelle ie barreau 4 est monté. Chaque élément de cassette est réalisé en métal massif, de préférence en acier inoxydable et présente une forme garCrale plane. En outre, chaque élément 12c, 12d comprend, d'une part, une ouverture 16 de forme sensiblement rectangulaire allon=ce, ménagée dans sa partie centrale pour permettre le passage de la lumière d'excitation du barreau. D'autre part, chaque élément 12c, 12d présente à ses extrémités et dans le prolongement de ladite ouverture 16 une rainure 18a, 18b débouchant vers l'extérieur. Ainsi, lorsque les éléments de cassette sont assembles, ces rainures, ménagées en regard les unes des autres, définissent une fenêtre en regard de chaque face O10a, lob du barreau. Ces fenêtres Dermettent le passage du faisceau laser. On notera que cette cassette constitue de manière avantageuse un élément de laser indépendant pouvant être rapidement et facilement installé dans le laser. Chaque partie de châssis 12a, 12b présente un fond 20a, 20b ayant la forme d'un rectangle allongé à partir duquel s'étendent perpendiculairement deux parois latérales 22a, 22b et deux parois d'extrémité 22c, 22d, définissant une cavité dans laquelle circule un fluide de refroidissement (non représenté). 2 6 4 2 9 1 0 Les deux parties du châssis 12a, 12b sont reliées ensemble par l'intermédiaire d'une pluralité de vis 24 représentées au dessin par des traits d'axe.. On notera également que, dans l'exemple représenté, chaque partie du châssis 12a, 12b est réalisé par usinage en une seule nièce. Bien entendu, ces dernières pourraient être réalisées en plu- sieurs pièces -assemblées par vissage ou analogue. Chaque partie du châssis 12a, 12b comprend en outre un réflec- teur de pompage 26a, 26b, fixé rigidement à son fond 20a, 20b. Ces réflecteurs 26a, 26b sont des pièces allongées présentant une section transversale sensiblement en forme de U, et qui s'étendent au-dessus des faces 6a, 6b du barreau sur la totalité de sa lon- -ueur. Le fond et les parois latérales de chaque réflecteur 26a, 26b sont réalisés de manière à présenter des faces de réflexion 28a, 28b carnies par exemple, d'une couche d'or ou de matière diffusante telle que de l'oxyde de magnésium. Les parties au châssis 12a, 12b forment également chacune un support et un logement pour une source d'excitation optique 30a, 30b 2G du barreau. Chaque source d'excitation est constituée par un tube recevant une lampe à décharge, et délimitant autour de celle-ci une canalisation de circulation d'un fluide de refroidissement. Le laser selon l'invention illustré aux figures 1 à 3 présente un premier mode de montage du dispositif de fixation 14. Ce dispositif de fixation 14 du barreau est constitué par une garniture en matière plastique déformable élastiquement. De préfé- rence, la garniture est réalisée en une matière plastique faisant partie de la famille chimique des silicones. Bien entendu, tout autre matière présentant des caractéristiques de déformation élas- tique et d'isolation thermique semblables à celles des silicones peut convenir. La garniture 14 a pour rôles, d'une part, d'assurer la solida- risation par serrage du barreau 4 par rapport au châssis 12a, 12b en s'appuyant sur ce dernier, et d'autre part, d'assurer l'isolation thermique des faces latérales 8a, 8b du barreau afin d'obtenir une répartition uniforme de la température dans des plans parallèles aux faces de pompage du barreau. Il en résulte donc une diminution des tffets de bord, qui augmente le rendement du laser. A cet effet, cette garniture présente une configuration (décrite plus précisément ci-après) telle, qu'elle peut recevoir le barreau et être facilement mise en place dans la cassette faisant partie du châssis (figure l) ou directement dans le châssis (figure 6) selon le cas. Comme il ressort notamment de la figure 4, on voit que la garniture 14, réalisée en une seule pièce par exemple par moulage, comprend essentiellement deux longerons 32 parallèles et quatre Cléments de garniture 34, ci-après dénommés traverses, associés deux r deux. Les longerons 32 sont espacés l'un de l'autre d'une distance corespondant sensiblement à la largeur du barreau et les traverses s'entendent transversalement à la direction longitudinale de ces cerniers pour les relier à leurs extrémités. La garniture définit ainsi deux fenêtres - 36, 38 ayant les cimensions de la section du barreau qu'elle est destinée à recevoir. úhaque fenêtre est formée par les traverses et la partie extrême de chaque longeron. En se référant également aux figures 2 et 3, on voit que le barreau peut être facilement introduit par une extrémité dans les fenêtres et soutenu par les traverses, et que de manière avantageu- -e, le serrage du barreau par l'intermédiaire du joint est réalisé dans une zone de bord 40, o le faisceau ne se réfléchit pas, si bien que le rendement du laser n'est pas diminué. Ainsi, lorsque le barreau est mis en place dans la garniture, les longerons s'appliquent par leurs faces en regard contre les faces latérales du barreau et s'étendent sensiblement sur la portion de longueur de ce dernier comprise entre ses parties biseautées. De préférence, les longerons ont chacun une hauteur H sensible- ment égale à l'épaisseur E du barreau, et les deux arêtes des faces en regard de chaque longeron sont munies chacune d'une lèvre 42 s'étendant sur la longueur de ce dernier. Ainsi, chaque paire de lèvres associée à un longeron définit une rainure pour recevoir le barreau, de sorte que les lèvres recouvrent les zones de bord des faces opposées 6a, 6b du barreau lorsque celui-ci est mis en place dans la garniture. En outre, les traverses reliant les longerons sont ménagées afin d'apparaître en surépaisseur de part et d'autre des faces supérieures 44 et inférieures 46 des longerons si bien que ces traverses, destinées à être interposées entre les faces opposées 6a, b et le châssis peuvent être aisément serrées et déformées pour maintenir le barreau dans le châssis. Par ailleurs, afin de faciliter les opérations d'usinage des parties du chassis recevant la garniture et de s'adapter au profil des faces latérales 8a, 8b du barreau, les longerons et les traver- ses présentent une section droite sensiblement carrée. De préférence, les zones du châssis venant en contact avec 'esdites traverses présentent des rainures 48 (figure 3) de formes complémentaires à celles des traverses. Bien entendu, ces rainures cnt une profondeur telle cue lorsque le barreau est serré dans le châssis, ce dernier ne vient pas en contact avec le barreau. Il résulte de cette configuration que le positionnement du Darreau dans le châssis est facilité tout en éliminant le risque de contact direct entre le châssis et le barreau aussi bien au moment ju montage dars le laser que pendant scn utilisation. Dans une variante de réalisation de la garniture selon l'inven- tion représentée à la figure 5, on a prévu dans chaque longeron un évidement 5C traversant ce dernier de part en part. Cet évidement réalisé au moment de la fabrication du joint assure -une meilleure isolation thermique des faces latérales du barreau créant entre le châssis et ces derniers un canal d'air. Pour éviter un vieillissement trop rapide de la garniture dû à une trop grande exposition de celle-ci aux rayonnements lumineux lors du fonctionnement du laser, il est avantageux de prévoir que les parties du barreau venant directement en contact avec la garni- ture soient revêtues d'une couche de protection (non représentée), formant écran et constituée par une couche métallique déposée sous vide. On notera également que selon l'invention, la garniture assure, outre l'isolation thermique des faces latérales du barreau, l'étan- chéité de la cavité contenant le fluide de refroidissement vis-à-vis de l'extérieur. Enfin, en se référant à la figure 6, on voit un second mode de montage du dispositif de fixation 14 d'un barreau 4 dans un laser dans lequel on a désigné les éléments identiques à ceux décrits précédemment par les mêmes références numériques. Alors que dans le mode de montage représenté à la figure 1, le châssis comprend une cassette dans laquelle est montée le barreau au moyen de la garniture selon l'invention, dans le second mode de montage le châssis ne comprend que deux éléments qui coopèrent directement avec la garniture 14 pour fixer le barreau 4 dans le laser. Pour ce faire, les parties extrêmes des deux parois latérales -a, 22b et des deux parois d'extrémité 22c, 22d du châssis présen- -ent une configuration complémentaire à la partie du joint avec laquelle elles sont en contact fonctionnel. Ainsi, les parties extrêmes des parois latérales 22a, 22b présentent un décrochement formant une marche 52a, 52b dirigée vers la cavité si bien que quand les deux parties de châssis 12a, 12b sont assemblées, les deux marches de la partie 12a de châssis coopèrent chacun avec les marches 52b ménagées en regard dans l'autre partie 12b de châssis afin de aélimiter deux logements destinés à recevoir les longerons de le garniture 14. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réali- sation décrits et l'on peut prévoir des variantes sans sortir de son cadre. On peut notamment prévoir d'utiliser le dispositif selon l'invention dans un laser dans lequel le milieu actif est un fluide, ce dernier étant confiné dans une enceinte étanche er un matériau transparent ayant la forme d'un barreau "SLAB"'. 26429 1O lO rEVENDICATIONS 1. Laser à pompage optique (2) dans lequel le milieu laser est formé par un barreau (4) ayant au moins deux faces opposées (6a, 6b) entre lesquelles le faisceau laser engendré se propage selon un trajet en zigzag par réflexion totale sur lesdites faces, et deux races latérales (Sa, 8b) s'étendant perpendiculairement aux faces opposées ledit barreau (4) étant disposé dans un châssis (12a, 12b; :2c, 12d) avec lequel il délimite au moins deux cavités opposées dont des portions de paroi sont formés par lesdites faces opposées du barreau, chaque cavité étant en regaro des faces de pompage îC recevant des moyens d'excitation optique (30a, 30b) et étant de,sti- née à être parcourue par un fluide de refroidissement, le laser :omprenant également un dispositif de fixation (14) du barreau assu- rant, d'une part, la solidarisation par serrage du barreau par rapport au châssis en s'appuyant sur ce derrier et, d'autre part, i: 'isclation thermique des faces latérales du barreau, caractérisé en ce que ledit dispositif de fixation est réalisé par une garniture (14) en matière plastique déformable élastiquement. 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la Garniture 1i) comprend au moins deux longerons (32) appliqués chacun contre une face latérale (8a, 8b) du barreau et serrés dans le châssis pour assurer l'isolation thermique de ces dernières, et au moins quatre éléments de garniture (34) associés deux à deux et s'étendant transversalement à la direction longitudinale des longe- rons à proximité de leurs extrémités, lesdits éléments de garniture étant interposés et serrés entre lesdites faces opposées (6a, 6b) et le châssis pour assurer la solidarisation du barreau par rapport au châssis. 3. Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que les longerons (32) sont évidés dans leur sens longitudinal. 4. Laser selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la section transversale des longerons (32) et des éléments de garniture (34) est en forme de quadrilatère. 5. Laser selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les deux arêtes des faces en regard de chaque 2 6 4 2 9 1 O longerons sont munies chacune d'une lèvre (42) s'étendant sur la !ongueur de ce dernier. 6. Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la garniture (14) est réalisée en une seule pièce. 7. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la garniture est réalisée en une matière faisant partie de la famille chimique des silicones. 8. Dispositif de fixation destiné à équiper un laser à pompage optique (2) comprenant un barreau (4) formant le milieu laser et un châssis (12a, 12b), caractérisé en ce que ledit dispositif de fixation est réalisé par une garniture (14) en matière plastique Réformable élastiquement. 9. Dispositif de fixation selon la revendication 8 destiné à équiper un laser à pompage optique dans lequel le barreau présente au moins deux faces opposées entre lesquelles le faisceau laser engendré se propage selon un trajet en zigzag par réflexion totale sur leseites faces, et deux faces latérales s'étendant perpendicu- lairement aux faces opposées, caractérisé en ce que la garniture comprend au moins deux longerons destinés à être appliqués chacun contre une face latérale du barreau et à être serrés dans le châssis pour assurer l'isolation thermique de ces dernières et au moins quatre éléments de garniture associés deux à deux s'étendant trans- versalement à la direction longitudinale des longerons à proximité de leurs extrémités, lesdits éléments de garniture étant destinés à être interposés et serrés entre lesdites faces opposées et le châssis pour assurer la solidarisation du barreau par rapport au châssis. 10. Dispositif de fixation selon la revendication 9, caractérisé 3C en ce que les longerons (32) sont évidés dans leur sens longitudi- nal. 11. Dispositif de fixation selon l'une quelconque des revendica- tions 9 ou 10, caractérisé en ce que la section transversale des longerons (32) et des éléments de garniture (34) est en forme de quadrilatère. 12. Dispositif de fixation selon l'une quelconque des revendica- tions 9 à 11, caractérisé en ce que les deux arêtes des faces en 26 4 2 9 1 0 regard de chaque longeron sont munies chacune d'une lèvre (42) s'étantant sur la longueur de ce dernier. 13. Dispositif de fixation selon l'une quelconque des revendica- tions 8 à 10, caractérisé en ce que la garniture (14) est réalisée an une seule pièce. 14. Dispositif de fixation selon l'une quelconque des revendica- tions 8 à 13, caractérisé en ce que la garniture (14) est réalisée en une matière faisant partie de la famille chimique des silicones. 15. Elément actif pour un laser à pompage optique comprenant un Darrreau, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de fixation de ce barreau selon l'une quelconque des revendications 8 à 14, mis en place dars une cassette constituant un élémenrt de chàs- sis. 3C