Brevet FR2637742A1 — publié le 19900413

L'invention concerne les lasers, et plus particulièrement un dispositif pour l'obtention d'impul- sions à haute énergie à partir de lasers à gaz. Un équipement de télémétrie à laser est utilisé pour déterminer la distance d'un objet éloigné à partir d'un télémètre. Pour élever au maximum le pou- voir séparateur d'un télémètre à laser, un tel système doit être capable de générer des impulsions qui contien- nent des niveaux relativement élevés d'énergie, mais qui ne s'étendent que sur un intervalle de temps extrême- ment court. Un niveau de puissance de crête souhaitable pour un tel système est de l'ordre de 1 mégawatt. L'éner- gie totale transmise dans l'une de ces impulsions doit être au voisinage de 100 millijoules. La durée d'une telle impulsion, mesurée à la première moitié du niveau de puissance d'amplitude de crête, est d'environ nanosecondes. Pour une performance optimale des télé- mètres utilisant la mêmc ouverture entre l'émetteur et le récepteur, la longueur totale des impulsions doit. être inférieure à I microseconde, c'est-à-dire à une microseconde ou moins à partir de l'apparition de la crête, la puissance doit diminuer d'un facteur égal à 1G6. Les contraintes nominales de poids, de dimen- sion et de volume compliquent encore les critères imposés à la fabrication du système. Ces contraintes nominales exigent souvent que le volume effectif d'un tel télémètre à laser soit d'environ 15-20 cm3. Les télémètres à laser au CO2 actuellement disponibles peuvent en général pro- duire des impulsions de 35-50 millijoules d'énergie sur un intervalle de temps de 2 microsecondes. Cette longueur d'impulsions de 2 microsecondes pose de graves difficultés en dégradant la capacité du télémètre à définir avec précision les distances. L'origine de cette inaptitude d'un télémètre à définir les impulsions est en relation avec le manque de finesse de la forme du signal de sortie. En comparai- son avec l'impulsion idéale, étroite et haute montrée sur la figure 1 des dessins annexés décrits ci-après, une impulsion de sortie telle que montrée sur la figure 2 contient moins d'énergie et est beaucoup moins fine ou pointue. Ce manque de définition de l'impulsion a souvent pour résultat une inaptitude du télémètre à faire la distinction entre deux cibles rapprochées. Les crêtes secondaires qui accompagnent la crête principale du signal ou de la forme d'onde montrée sur la figure 2 rendent impropres ces formes d'ondes à être utilisées - dans des télémètres à laser. Une technique a été utilisée pour l'obtention d'impulsions de puissance plus élevée et de plus grande finesse consiste à relever la pression gazeuse du milieu amplificateur du laser. Ce procédé est utilisé dans un laser électrique transversal dans lequel l'énergie d'excitation est appliquee à un milieu gazeux dans une direction perpendiculaire à l'axe optique de la cavité du laser. Au lieu de maintenir un mélange à base de C02 constitué d'anhydride carbonique, d'azote et d'hé- lium à une pression de 100 kPa, on peut faire fonctionner de, lasers à gaz à des pressions égales à plusieurs multiples de cette valeur afin de produire des impulsions laser à haute énergie et courte durée. Une tentative pour produire des impulsions de sortie de valeur élevée est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 185 255. Cet appareil comprend deux électrodes disposées en parallèle autour d'un tube laser contenant un gaz. Un générateur relative- ment important est connecté à ces électrodes et produit de grandes quantités d'énergie afin de déclencher le le laser à gaz et de produire ainsi des impulsions de sortie relativement élevées, de plusieurs kilojoules. Le problème posé par cet appareil est qu'il est incapable de produire des impulsions de sortie de grande amplitude, demandée pour l'obtention d'un télémètre moderne. Si la pression gazeuse dans un tel dispositif est notable- ment accrue au point que le mélange de CO2 soit porté à une pression de l'ordre d'environ 500 kPa, le dispositif est alors capable de produire le signal de sortie de puissance demandé. Un problème posé par l'élévation de la pression gazeuse de travail est l'amorçage non voulu d'arcs d'énergie électrique entre les électrodes de décharge, ce qui affecte gravement l'énergie de sortie du laser. Il est possible d'abaisser le risque d'amorçage d'arcs en faisant diminuer l'inductance du circuit ce qui, par suite, réduit la largeur des impulsions électriques. Une autre technique utilisée pour produire des impulsions de sortie plus intenses consiste à uti- liser un modulateur Q électro-optique. Un tel procédé utilise un cristal convenable, par exemple du tellure de cadmium, pour déterminer la forme et l'énergie de l'impulsion laser. Ce procédé exige une grande quantité d'équipements supplémentaires et une source d'alimenta- tion indépendante, et il est sujet aux détériorations du cristal et à des défauts d'alignement dus à une utili- sation rude. Il serait très avantageux de mettre au point une tête laser intégrée capable de générer des impulsions de sortie extrêmement courtes, à haute énergie. Une telle solution satisferait la nécessité, ressentie depuis longtemps, manifestée par les efforts actuels des industries du laser et de l'optique à poursuivre la mise au point de systèmes de transmission et de mesure qui exigent des lasers fiables, résistants, de coût modéré et de grande puissance de sortie. La poursuite du développement et de la fabrication de tels lasers à grande puissance de sortie a abouti à une demande simultanee portant sur un dispositif nouveau pouvant être utilisé dans un télémètre à laser compact pouvant produire des impul- sions de sortie de 100 millijoules, ayant une longueur inférieure à 1 microseconde. Aucun des dispositifs anté- rieurs ne propose une solution efficace et peu coûteuse à ce problème rencontré dans la technologie des télé- mètres. Une telle tête laser intégrée devrait, d'une façon idéale, pouvoir être mise en oeuvre sous un volume de travail très petit, généralement de 15-20 cm3, afin de pouvoir être utilisé dans des situations et des envi- ronnements très divers. Une telle tête laser intégrée devrait en outre pouvoir être mise en oeuvre dans une large diversité d'utilisations militaires et civiles, sur une bande étendue de températures et de cadences de sortie d'impulsions. L'invention réscut et évite les problèmes posés par les dispcsitifs antérieurs en faisant appel à une conception ingénieuse pour élever les niveaux de sortie de puissance sans accroître sensiblement la puissance d'entrée. La solution mise en oeuvre dans la présente invention établit la plus basse inductance possible dans le circuit de décharge du courant électri- que circulant du condensateur d'emmagasinage de la tête laser intégrée vers. les électrodes de décharge qui amor- cent le rayon laser. Cette inductance du circuit est minimisée par le maintien à un minimum absolu de la distance du milieu d'emmagasinage d'énergie aux élec- trodes de décharge. Cette inductance minimale est obtenue par le déploiement des condensateurs d'emmagasinage sous une forme sensiblement cylindrique ou annulaire autour des électrodes de décharge à l'intérieur de l'en- ceinte de pression. L'inductance minimale optimale du circuit est en outre obtenue par un centrage des condensateurs autour de l'une des électrodes de décharge. Les condensa- teurs eux-mêmes présentent une faible inductance supplé- mentaire au circuit, car ils sont accouplés par l'inter- médiaire de la grande étendue des couches métallisées déposées sur leurs surfaces extérieure et intérieure. L'invention a donc pour objet d'offrir une approche nouvelle et très avantageuse du procédé classi- cue de production d'impulsions laser à haute énergie dans un télémètre à laser à gaz. L'invention a également pour objet de pro- poser des moyens efficaces et peu coûiteux pour produire des impulsions extrêmement courtes et en forme de pointes, à l'aide de lasers à gaz à impulsions. Un autre objet de l'invention est d'offrir une tête laser intégrée qui évite les problèmes d'amor- çage d'arcs prématuré. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples. nulle- ment limitatifs et sur lesquels: la figure 1 représente la forme d'onde idéale qui devrait être produite pour être utilisée dans un télémètre à laser; la figure 2 représente une forme d'onde typique qui est produite par les têtes laser à C02 ac- tuellement disponibles, utilisées dans des télémètres; la figure 3 est une illustration schématique de dispositifs antérieurs qui déploient des éléments C1 et C2 de stockage d'énergie directement au-dessus de et parallèlement à des électrodes de décharge DE1 et DE2, un éclateur SGT étant placé directement au- dessus des éléments d'emmagasinage d'énergie; la figure 4 est une coupe transversale du dispositif selon l'invention; la figure 5 est une coupe suivant 'a ligne -5 de la figure 4, représentant la présente invention suivant son axe longitudinal; la figure 6 est un schéma du circuit équi- valent du dispositif selon l'invention; et la figure 7 est un schéma d'une autre forme avantageuse de réalisation de la tête laser intégrée de l'invention, illustrant une conception d'un seul bloc des moyens d'emmagasinage d'énergie et des élec- trodes de décharge. Les figures 4 et 5 représentent l'intérieur du dispositif de tête laser intégrée 10 comprenant un résonateur 12 représenté en coupes transversale et longi- tudinale. Un éclateur classique 14 contenant une élec- trode 15 de décharge d'étincelle est connecté à un fil électrique d'entrée 16, en haut du dispositif, afin d'amorcer la décharge électrique qui déclenche l'action du laser. Des condensateurs sensiblement cylindriques, extérieur et intérieur 22 et 24, sont disposés au-dessous de l'éclateur 14. Ces condensateurs sont réalisés à partir d'une matière céramique à basse inductance et sont plaqués de minces couches métalliques 23 afin d'emma- gasiner de grandes quantités d'énergie électrique. Les condensateurs 22 et 24 sont connectés électriquement à la tête laser par le contact intime établi entre la couche métallisée 23 de la surface intérieure du conden- sateur cylindrique intérieur 24 et l'enceinte métallique 28 sous pression. L'enceinte 28 sous pression contient le milieu laser gazeux 30 qui est généralement un mélange d'anhydride carbonique, d'azote et d'hélium dans des proportions de 1 à I à 8. Le milieu laser 30 est limité par des électrodes transversales supérieure et inférieure 32 et 34 de décharge. L'électrode supérieure 32 de dé- charge est reliée électriquement et mécaniquement à l'enceinte 28 sous pression par des contacts à ressort 33. L'énergie électrique est transportée vers l'électrode inférieure 34 de décharge par l'intermédiaire d'une colonne 35 d'alimentation en énergie de décharge. Un support 38 d'alimentation en énergie maintient la colonne 35 à l'intérieur de la tête laser. Un connecteur 36 d'alimentation relie la colonne 35 à la couche métallisée extérieure 23 du condensateur extérieur 22 et à l'enceinte 28 sous pression par l'intermédiaire d'une résistance de charge 52. La cavité résonnante 12 du laser, qui com- prend une chambre à gaz 30, est délimitée par des miroirs 42 et 44 de résonateur. Le miroir 42 de couplage de sortie du laser est maintenu en alignement convenable par des organes 40 de fixation en alignement du miroir. Le miroir 44, qui est maintenu en alignement convenable par l'enceinte 28 sous pression, est un réflecteur total. A la partie supérieure de la tête laser inté- grée 10, - l'éclateur 14 sert de moyen de déclenchement d'impulsions dans cette forme de réalisation de l'inven- tion. L'éclateur comprend deux électrodes intérieures de déclenchement et est monté en série entre le fil 16 d'entrée et une bobine d'induction 18. L'éclateur 14 est un dispositif classique aisément disponible dans le commerce. L'éclateur qui a été utilisé dans la fabri- cation de la présente invention est disponible auprès de la firme EG&G Company, modèle N GP20B-33. La bobine d'induction 18, qui est utilisée pour raccorder l'impé- dance du circuit, présente généralement une valeur com- prise entre 200 et 500 nanohenrys et elle est connectée à l'électrode 20 à haute tension qui relie l'éclateur 14 à la surface métallique extérieure du condensateur cylindrique intérieur 24, ainsi que la couche métallisée 23 entre les deux condensateurs 22 et 24. L'électrode de retour est fixée à l'extérieur du condensateur cylindrique extérieur 22. L'électrode 29 est connectée électriquement à l'enceinte sous pression 28. La figure 6 représente le circuit électrique équivalent formé des composants précédents. L'éclateur 14 est monté en parallèle avec le condensateur cylindri- que supérieur 22 qui est lui-même monté en série avec le condensateur cylindrique inférieur 24. La bobine d'induction 18 est montée en série entre le condensateur 22 et l'éclateur 14. Le schéma montre les électrodes de décharge supérieure et inférieure 32 et 34 maintenues en place par une matière isolante céramique 31 et montées en parallèle sur les condensateurs en série 22 et 24. Le circuit montré sur la figure 6 est normalement appelé inverseur L.C. Les deux condensateurs C et C2 sont char- gés à l'électrode 20. A la fermeture du circuit par l'éclateur 14, la tension à l'électrode 22 s'élève de zéro à environ le double du niveau présent à l'électrode 32, ce qui amorce la décharge dans le mélange gazeux se trouvant dans la chambre 30. Les deux condensateurs 22 et 24 présentent des surfaces extérieures métallisées 23. Toutes les surfaces extérieures des condensateurs, à l'exception de leurs extrémités, sont revêtues de cette couche métal- lisée. Cette forme préférée de réalisation de condensa- teurs céramiques cylindriques doubles résout le problème posé dans l'art antérieur en abaissant l'inductance du circuit d'environ 250 nanohenrys à environ 25 nano- henrys, ce qui constitue une amélioration d'un ordre entier de grandeur. La figure 7 représente une autre forme pré- férée de réalisation de l'invention dans laquelle le condensateur et les électrodes de décharge sont intégrés dans un dispositif d'un seul bloc. La structure allongée toroidale ou en forme d'anneau 45 est constituée d'une seule pièce en matière céramique sensiblement cylindrique pour condensateur comprenant deux saillies intérieures 46 et 47 en forme de lobes présentant des surfaces paral- lèles et sensiblement plates de décharge qui remplacent les électrodes de décharge séparées. La surface exté- rieure de la structure en forme d'anneau est entièrement revêtue d'une couche métallisée 48 qui est connectée à une source de haute tension 53. Les saillies inté- rieures 46 et 47 sont revêtues de façon similaire de couches métallisées 49 et 50 qui assument la fonction d'électrodes. Les deux couches métallisées 49 et 50 de la surface intérieure de la structure toroidale revê- tent les deux saillies parallèles et face à face 46 qui servent d'électrodes et elles s'étendent également au-delà de ces saillies vers des parois intérieures opposées afin d'accroître la capacité du système. Les deux électrodes sont connectées électriquement par une couche conductrice 51 à haute résistivité. La matière 51 peut être composée d'une matière semi-conductrice afin de produire des décharges de pré-ionr. isation. La couche intérieure 50 est à la masse électrique. Le revête- ment 51 établit un contact de courant continu avec la masse pendant le processus de charge des condensateurs. La matière 51 permet ensuite aux électrodes d'être iso- lées électriquement lorsque l'inverseur L.C. commence à décharger les condensateurs. Cette variante de réalisa- tion est équivalente, du point de vue topologique, à la forme de réalisation décrite ci-dessus et elle sert à montrer que la présente invention peut être mise en oeuvre sous de multiples formes et variantes afin d'être adaptée à tout ensemble particulier de contraintes de conception. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, l'inven- tion peut être mise en oeuvre en donnant des résultats aussi avantageux dans des lasers à excimére, à azote et à monoxyde de carbor.e, ainsi que dans tout autre laser devant produire des impulsions de courant brèves et élevées. 263774Z REVENDICATIONS 1. Dispositif de tête laser intégrée pour lasers à gaz à impulsions, caractérisé en ce qu'il com- porte des moyens d'électrodes de décharge (32, 34) et des moyens d'emmagasinage d'énergie (22, 24) qui établis- sent une inductance minimale entre eux et les moyens d'électrodes de décharge. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'emmagasinage d'éner- gie comprennent un condensateur annulaire. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'emmagasinage d'éner- gie comprennent un condensateur sensiblement cylindri- que. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'emmagasinage d'éner- gie comprennent un condensateur sensiblement cylindrique réalisé en matière céramique. 5. Dispositif selon la revendication 4, carac- térisé en ce que le condensateur est formé par revêtement de plusieurs de ses surfaces extérieures opposées d'une couche conductrice (23). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens d'emmagasinage d'énergie comprennent deux condensateurs céramiques coaxiaux em- boités sensiblement cylindriques (22, 24) revêtus de couches métallisées (23) s'étendant sur la longueur de chacun d'eux afin d'établir un contact électrique entre les deux condensateurs, les moyens d'électrodes de décharge comprenant plusieurs électrodes de décharge espacées (32, 34), les condensateurs étant disposés à peu près coaxialement à l'électrode de décharge qui est connectée à une-source de haute tension. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les condensateurs sont exactement 1 2 coaxiaux et concentriques, longitudinalement, à l'élec- trode de décharge qui est connectée à une source de haute tension. 8. Dispositif selor. la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur d'inductance minimale entre les moyens d'emmagasinage d'énergie et les moyens d'électrodes de décharge est inférieure ou égale à nanohenrys. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'emmagasinage d'énergie. et les moyens d'électrodes de décharge comprennent une structure toroldale allongée d'une seule pièce (45) réalisée en une matière diélectrique et comportant des première et seconde saillies intérieures face à face (46, 47), à surfaces sensiblement parallèles, portant de minces couches conductrices (49, 50) qui servent à la fois de moyens d'emmagasinage d.'énergie et de moyens d'électrodes de décharge pour ledit dispositif de tête laser intégrée, l'une des saillit étant à la masse électrique, les couches conductrices-s'étendant en outre au-delà des surfaces parallèles face à face des saillies afin d'être disposées sur des cotés sensiblement opposés de l'intérieur de la structure toroïdale, les couches conductrices étant en outre connectées par deux couches (51) de recouvrement en matière résistive,et la surface extérieure de la structure torofdalè étant revêtue d'une couche conductrice (48) qui est connectée électriquement à une source de haute tension. 10. Dispositif de tête laser intégrée pour lasers à gaz à impulsions, caractérisé en ce qu'il com- porte des moyens (14) de déclenchement d'impulsions, des moyens (22, 24) d'emmagasinage d'énergie qui établis- sent une inductance minimale entre eux et plusieurs électrodes transversales de décharge (32, 34) disposées à l'intérieur d'un résonateur laser (12) comprenant une enceinte (28) sous pression qui délimite en outre une chambre contenant un milieu laser gazeux (30) pour la production d'impulsions laser à haute puissance. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de déclenchement d'impul- sions comprennent un éclateur (14) monté en série entre une source d'alimentation en énergie et une inductance (18) qui est en outre connectée auxdits moyens d'emmaga- sinage d'énergie, une résistance de charge (52) étant montée entre lesdites électrodes de décharge. 12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens d'emmagasinage d'éner- gie comprennent un condensateur annulaire. 13. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens d'emmagasinage d'énergie comprennent un condensateur sensiblement cylindrique. 14. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens d'emmagasinage d'éner- gie comprennent un condensateur sensiblement cylindrique réalisé en matière céramique. 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que- le condensateur est formé par le revêtement de plusieurs de ses surfaces extérieures opposées avec une couche conductrice (23). - 16. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens d'emmagasinage d'éner- gie comprennent deux condensateurs céramiques coaxiaux emboîtés sensiblement cylindriques (22, 24) revêtus de couches métallisées (23) s'étendant sur la.longueur de chacun d'eux afin d'établir un contact électrique entre les deux condensateurs, les moyens d'électrodes de décharge comprenant plusieurs électrodes de décharge espacées qui comprennent une électrode (34) à haute tension et une électrode (32) à la masse, les condensa- teurs étant disposés de façon approximativement coaxiale par rapport à l'électrode à haute tension qui est connec- tée auxdits moyens de déclenchement d'impulsions con- nectés à une source de haute tension, les condensateurs étant en outre disposés de façon à renfermer sensiblement l'électrode de décharge à la masse. 17. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les condensateurs sont exactement coaxiaux et concentriques longitudinalement à l'électrode de décharge qui est connectée au côté des moyens de déclenchement d'impulsions produisant une haute tension. 18. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le résonateur laser comprend un miroir de couplage de sortie (42) et un miroir totalement réfléchissant (44) qui sont situés à proximité des extré- mités longitudinales respectives de l'enceinte sous pression qui renferme ladite chambre remplie d'un mélange gazeux sous pression. 19. Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce que le mélange gazeux comprend de l'anhydride carbonique, de l'azote et de l'hélium dans des proportions respectives de 1 à 1 à 8. 20. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'électrode de décharge est reliée mécaniquement et électriquement à l'enceinte sous pres- sion au moyen de pattes conductrices à ressort (33) formées d'une seule pièce sur ladite électrode. 21. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la valeur d'inductance minimale entre les moyens d'emmagasinage d'énergie et les moyens d'électrodes de décharge est inférieure ou égale à nanohenrys. 22. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens d'emmagasinage d'énergie comprennent une structure toroïdale allongée d'un seul bloc réalisée en une matière diélectrique et comportant des première et seconde saillies intérieures face à face (46, 47), à surfaces sensiblement parallèles, qui portent de minces couches conductrices (49, 50) servant à la fois de moyens d'emmagasinage d'énergie et d'élec- trodes transversales de décharge pour le dispositif de tête laser intégrée, l'une des saillies étant à la masse électrique, les couches conductrices s'étendant en outre au-delà des surfaces parallèles face à face des saillies dé façon à être disposées sur des côtés sensiblement opposés de l'intérieur de la structure toroidale, et lesdites couches conductrices étant en outre connectées par deux couches (51) de recouvrement en matière résistive, la surface extérieure de la struc- ture toroidale étant en outre revêtue d'une couche conduc- trice (48) qui est connectée électriquement à une source de haute tension. 23. Dispositif selon la revendication 21, caractérisé en ce que la valeur d'inductance minimale entre les moyens d'emmagasinage d'énergie et les moyens d'électrodes de décharge est inférieure ou égale à nanohenrys.